宋世軍 馬 磊 彭振飛 安增輝

山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 濟(jì)南 250101

0 引言

GB/T 5031—2008《塔式起重機(jī)》[1]中規(guī)定：各類起重機(jī)械必須裝備安全保護(hù)裝置，塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）的區(qū)域保護(hù)和防碰撞裝置是其中之一。塔機(jī)涉及高空作業(yè)領(lǐng)域，因結(jié)構(gòu)損傷、違規(guī)操作、違規(guī)安裝等情況會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，常見的事故有傾覆倒塔、高空墜物、相互碰撞或與周圍環(huán)境碰撞等[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場塔機(jī)相互碰撞事故發(fā)生率僅次于倒塔與周圍環(huán)境碰撞等事故[3]。此外，為提高施工效率，施工單位常將多臺(tái)塔機(jī)布置在同一現(xiàn)場，且進(jìn)行近距離交叉作業(yè)，大大升高了塔機(jī)的碰撞概率。一旦發(fā)生事故，往往會(huì)給廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失[4]。

按照能否主動(dòng)對周邊障礙物信息感知的原則，現(xiàn)有的防碰撞技術(shù)可分為主動(dòng)式測障技術(shù)和被動(dòng)式防碰撞技術(shù)[5]?；诩す狻⒗走_(dá)、超聲波技術(shù)的發(fā)射接收裝置的主動(dòng)式測障技術(shù)雖可提前監(jiān)測塔機(jī)附近是否有障礙物，并能及時(shí)提供距離值，但因發(fā)射角度和接收范圍的限制而無法全面測量周圍環(huán)境。當(dāng)塔機(jī)有多個(gè)測量位置時(shí)，需要多個(gè)發(fā)射接收裝置，極大地增加了安裝人員的工作量和設(shè)備成本。例如超聲波的檢測范圍為10 m，超過此范圍的障礙物在塔機(jī)高速動(dòng)作時(shí)無法及時(shí)避開?；诨剞D(zhuǎn)角度傳感器、幅度傳感器、起升高度傳感器等信息采集裝置的被動(dòng)式防碰撞技術(shù)，通過將每個(gè)塔機(jī)的數(shù)據(jù)組網(wǎng)，建立二維平面坐標(biāo)系，并利用對應(yīng)的防碰撞算法來實(shí)時(shí)計(jì)算與障礙物之間的距離。該方法可獲取施工現(xiàn)場的整體動(dòng)態(tài)狀況，但防碰撞算法中常用的起重臂臂端位置以及吊鉤位置要通過回轉(zhuǎn)角度和幅度估算，尤其在起制動(dòng)階段精度較差。

塔機(jī)吊裝過程安全評估的數(shù)字孿生技術(shù)要求位置信息精度較高，現(xiàn)有塔機(jī)區(qū)域保護(hù)和防碰撞系統(tǒng)提供的位置信息包括起升高度、回轉(zhuǎn)角度、變幅幅度等，其最大誤差一般大于20 cm，起重臂臂端位置按回轉(zhuǎn)角度和起重臂長換算與真實(shí)的起重臂臂端位置差距超過1 m，變幅小車和吊鉤的位置誤差會(huì)更大，滿足不了遠(yuǎn)程安全評估要求。

本文基于慣性導(dǎo)航的高精度信號(hào)采集技術(shù)提出一種塔機(jī)區(qū)域保護(hù)和防碰撞信號(hào)采集方案，通過實(shí)測起重臂臂端位置、吊鉤位置以及變幅小車的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，相對在用的塔機(jī)區(qū)域保護(hù)和防碰撞系統(tǒng)可提高系統(tǒng)精度，為進(jìn)一步研究高精度的建筑起重機(jī)械的數(shù)字孿生技術(shù)打下基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)輸入信息分析

塔身高度、起重臂長度、平衡臂長度、每臺(tái)塔機(jī)位置、安全區(qū)域位置等參數(shù)決定了塔機(jī)的碰撞類型及其對應(yīng)的防碰撞算法。文獻(xiàn)[6]通過2臺(tái)塔機(jī)的這些參數(shù)間關(guān)系來確定對應(yīng)的碰撞類型；文獻(xiàn)[7]主要研究了塔機(jī)的防碰撞算法。塔機(jī)安裝好后這些參數(shù)除塔身高度外一般不會(huì)變化。塔機(jī)區(qū)域保護(hù)和防碰撞系統(tǒng)需要采集的實(shí)時(shí)信息主要有起重臂臂端位置、變幅小車位置、塔機(jī)回轉(zhuǎn)角度、起升高度、吊鉤位置等。

1.2 位置信息采集單元

為進(jìn)一步提高系統(tǒng)采集精度，設(shè)計(jì)了位置信息采集單元，該單元由捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊和激光測距模塊組成（見圖1）。捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊是測量物體線加速度和角加速度的慣性模塊，由加速度傳感器、陀螺儀和機(jī)載計(jì)算機(jī)組成，激光測距模塊用于位置采集單元的高度定位。

圖1 位置采集單元結(jié)構(gòu)圖

1.3 塔機(jī)防碰撞與區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

塔機(jī)防碰撞與區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)由信息采集單元、信號(hào)處理單元、無線傳輸模塊和觸摸屏組成（見圖2 ），由各種傳感器來測量塔機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)塔機(jī)間的通訊。信息采集單元包括回轉(zhuǎn)角度傳感器、幅度傳感器、起升高度傳感器、其他慣性測量元件。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1）慣性測量元件

慣性測量元件包括安裝于吊鉤上的捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊、安裝于變幅小車上的位置采集單元1、安裝于起重臂臂端的位置采集單元2（見圖3 ）。吊鉤上的捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊通過機(jī)械裝置安裝于吊鉤的外框架；位置采集單元1安裝于變幅小車的下端，激光測距模塊豎直向下實(shí)時(shí)測量起升高度。位置采集單元2安裝于起重臂臂端的下側(cè)，激光測距模塊豎直向下測量臂端位置的高度。

圖3 安裝位置示意圖

2）回轉(zhuǎn)角度傳感器安裝于上回轉(zhuǎn)平臺(tái)，幅度傳感器安裝于變幅機(jī)構(gòu)，起升高度傳感器安裝于起升機(jī)構(gòu)。

3）信息處理單元是塔機(jī)控制模塊的核心處理器，通過將各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行特定算法的處理，得到變幅小車、吊鉤、起重臂臂端的速度、位置數(shù)據(jù)等，然后將數(shù)據(jù)顯示到觸摸屏上；信號(hào)處理單元通過無線傳輸模塊獲取其他塔機(jī)的實(shí)時(shí)信息，并進(jìn)行系統(tǒng)區(qū)域保護(hù)以及防碰撞的判定。在即將發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，信號(hào)處理單元通過塔機(jī)控制柜采取安全保護(hù)措施。

4）無線傳輸模塊使用ZigBee實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]分析了ZigBee的特點(diǎn)，ZigBee無線傳輸模塊方便塔機(jī)群之間的組網(wǎng)。

5）觸控屏為駕駛員提供塔機(jī)工作狀態(tài)的信息，并可進(jìn)行人機(jī)交互。

2 塔機(jī)高精度位置信息采集技術(shù)

塔機(jī)高精度位置信息采集技術(shù)包括位置信息實(shí)時(shí)采集及處理、單塔機(jī)平面圖繪制、塔機(jī)區(qū)域保護(hù)和防碰撞系統(tǒng)邏輯控制等。

2.1 塔機(jī)位置信息處理

位置信息采集技術(shù)包括起重臂臂端、變幅小車、吊鉤3個(gè)位置的信息采集技術(shù)。

1）起重臂臂端實(shí)時(shí)位置

如圖4所示，以o1為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系1，o1為塔身回轉(zhuǎn)平面與塔身中心垂線的交點(diǎn)，坐標(biāo)系1的x1軸正方向指向東，坐標(biāo)系1的z1軸正方向垂直于地面向上，坐標(biāo)系1的3個(gè)軸符合右手螺旋法則。以o2為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系2，o2點(diǎn)位于塔機(jī)起重臂的臂端，坐標(biāo)系2與位置采集單元2中3軸加速度傳感器方向一致且固連，坐標(biāo)系2的x2軸正方向沿著起重臂指向遠(yuǎn)離塔身方向，坐標(biāo)系2的z2軸正方向垂直于地面向上，坐標(biāo)系2的3個(gè)軸符合右手螺旋法則。以o2′為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系2′，o2′位置始終與o2重合，坐標(biāo)系2′的3個(gè)軸方向始終與坐標(biāo)系1一致。

圖4 坐標(biāo)系示意圖

坐標(biāo)系2的起重臂臂端加速度為

式中：a2x、a2y、a2z為2坐標(biāo)系下位置采集單元2中捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊實(shí)測加速度數(shù)據(jù)，C22′為從坐標(biāo)系2到坐標(biāo)系2′的坐標(biāo)變換矩陣[10]，g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

一次積分可得坐標(biāo)系2′的速度v2′，即

設(shè)dbd（dbdx、dbdy、dbdz）為o2點(diǎn)在坐標(biāo)系1的起始點(diǎn)坐標(biāo)。o2的起始點(diǎn)坐標(biāo)獲取方法有：激光測距模塊測量的距離值為dbdz，即

式中：L為o2點(diǎn)與o1點(diǎn)的距離，Ψ為回轉(zhuǎn)角度模塊測得的回轉(zhuǎn)角度值。

二次積分加中o2點(diǎn)在坐標(biāo)系1的起始點(diǎn)坐標(biāo)后，可得o2點(diǎn)在坐標(biāo)系2的位置坐標(biāo)D1為

2）變幅小車的實(shí)時(shí)位置

以o3為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系3，o3點(diǎn)位于位置采集單元1，坐標(biāo)系3與位置采集單元1中3軸加速度傳感器方向一致且固連，坐標(biāo)系3的y3軸沿小車運(yùn)行方向，正方向指向遠(yuǎn)離塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心的方向。z3軸正方向垂直于地面向上，x3軸與y3、z3軸構(gòu)成右手笛卡爾坐標(biāo)系。以o3′為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系3′，o3′位置始終與o3重合，坐標(biāo)系3的3個(gè)軸方向始終與坐標(biāo)系1一致。坐標(biāo)系3的變幅小車加速度為

式中：a3x、a3y、a3z為坐標(biāo)系2的位置采集單元1中捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊實(shí)測加速度數(shù)據(jù)，C33′為從坐標(biāo)系3到坐標(biāo)系3′的坐標(biāo)變換矩陣，g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

一次積分可得坐標(biāo)系3′的速度v3′，即

設(shè)dbc（dbcx、dbcy、dbcz）為o3點(diǎn)在坐標(biāo)系 1的起始點(diǎn)坐標(biāo)。o3的起始點(diǎn)坐標(biāo)獲取方法如下：

激光測距模塊測量的距離值為dbcz，即

式中：J為o3點(diǎn)與o1點(diǎn)的距離,可由幅度傳感器獲得；Ψ為回轉(zhuǎn)角度模塊測得的回轉(zhuǎn)角度值。

二次積分加上o2點(diǎn)在坐標(biāo)系1的起始點(diǎn)坐標(biāo)后，可得o3點(diǎn)在坐標(biāo)系1的位置坐標(biāo)M1為

3）吊鉤的實(shí)時(shí)位置

以吊鉤上的捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊加速度傳感器所在位置建立坐標(biāo)系4，坐標(biāo)系與捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊固連，以o4′為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系4′，o4′位置始終與o4重合，坐標(biāo)系4′的3個(gè)軸方向始終與坐標(biāo)系1一致。

設(shè)ddg（ddgx、ddgy、ddgz）為o4點(diǎn)在坐標(biāo)系 1的起始點(diǎn)坐標(biāo)，o4的起始點(diǎn)坐標(biāo)獲取方法有

式中：H為塔機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的高度。

2.2 單塔機(jī)平面模型的繪制

單塔機(jī)平面模型是構(gòu)建塔機(jī)防碰撞算法的關(guān)鍵，圖5為單塔機(jī)平面模型示意圖。以塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，由起重臂臂端、變幅小車、吊鉤等3個(gè)位置的信息采集技術(shù)可實(shí)時(shí)獲得其坐標(biāo)。將變幅小車坐標(biāo)點(diǎn)與吊鉤、起重臂臂端、塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心相連，將平衡臂臂端坐標(biāo)與塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心相連可得塔機(jī)防碰撞計(jì)算時(shí)的單塔機(jī)平面模型。將多臺(tái)塔機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)可得多塔機(jī)的防碰撞模型。

圖5 單塔機(jī)平面模型

2.3 系統(tǒng)工作流程

步驟1：系統(tǒng)獲取塔機(jī)的塔身高度、起重臂長度、平衡臂長度，以及每臺(tái)塔機(jī)的坐標(biāo)位置和施工現(xiàn)場的安全保護(hù)區(qū)域；

步驟2：構(gòu)建單塔機(jī)平面模型 ；

步驟3：塔機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互構(gòu)建多塔機(jī)的防碰撞模型；

步驟4：實(shí)時(shí)獲取有碰撞關(guān)系的起重臂臂端、吊鉤和小車的坐標(biāo)，確定是否達(dá)到報(bào)警狀態(tài)果達(dá)到報(bào)警狀態(tài)則轉(zhuǎn)步驟5，如果達(dá)不到則繼續(xù)獲??；

步驟5：報(bào)警，切斷危險(xiǎn)方向的動(dòng)作電源，轉(zhuǎn)步驟4。

3 仿真驗(yàn)證

因起重臂臂端、變幅小車和吊鉤的位置獲取方法相似，本文通過仿真以驗(yàn)證起重臂臂端實(shí)時(shí)位置的信息采集技術(shù)的正確性。在仿真過程中，通過軟件獲取起重臂臂端實(shí)時(shí)位置，利用本文公式計(jì)算得到起重臂臂端位置，比較這2個(gè)位置的不同，確定其誤差。

建立圖6所示QTZ40塔機(jī)的ADAMS模型，用分段的實(shí)體單元構(gòu)建塔機(jī)的主體，用彈簧連接來模擬塔機(jī)的變形，用彈簧單元來模擬斜拉桿，用球鉸來模擬吊鉤的晃動(dòng)。在上下回轉(zhuǎn)平臺(tái)施加回轉(zhuǎn)副，模擬塔機(jī)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的工況。設(shè)定吊鉤上施加8 kN載荷，塔機(jī)回轉(zhuǎn)速度為3°/s，傳感器的采樣點(diǎn)位于塔機(jī)起重臂臂端的一個(gè)Maker點(diǎn)上，加速度傳感器的采樣頻率為100 Hz，采樣時(shí)間為30 s。

圖6 塔機(jī)ADAMS模型

以塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，將上述Maker點(diǎn)的加速度信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算，作為塔機(jī)起重臂臂端的計(jì)算軌跡的坐標(biāo)，提取Maker點(diǎn)的Displacement作為塔機(jī)的仿真軌跡坐標(biāo)，將2種坐標(biāo)進(jìn)行繪制得到圖7所示軌跡。

圖7 軌跡比較圖

起重臂臂端的軌跡以（0，46）為起點(diǎn)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，由圖7可知真實(shí)軌跡與計(jì)算軌跡基本重合。

計(jì)算圖7塔機(jī)同一時(shí)刻仿真軌跡坐標(biāo)與計(jì)算軌跡坐標(biāo)的距離來作為誤差，將誤差作為縱軸，將時(shí)間作為橫軸得到圖8所示軌跡絕對誤差，由圖8可知，最大誤差約為9 cm。

圖8 ADAMS仿真軌跡與本文計(jì)算軌跡絕對誤差圖

4 結(jié)論

本文提出了一種基于SINS的塔機(jī)區(qū)域保護(hù)和防碰撞高精度信號(hào)采集技術(shù)，構(gòu)建了多塔機(jī)的防碰撞模型，通過吊鉤、起重臂、小車測量單元的慣性元件和塔機(jī)位置信息采集技術(shù)可以解算單個(gè)塔機(jī)的空間信息，計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了其有效性。