基于編碼技術(shù)的塔吊防碰撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：現(xiàn)代建筑工地環(huán)境復(fù)雜、規(guī)模龐大、機(jī)械化程度日益增高。建筑塔吊的普遍、高密度使用日顯廣泛，塔吊的安全越顯重要。然而在塔吊防碰撞仍主要依靠司機(jī)的人工操作，不僅影響了施工效率，更難以保證塔吊的安全運(yùn)行。針對(duì)上述問題，這里研究了塔吊防碰撞的原理，并采用數(shù)字傳感、嵌入式處理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)設(shè)計(jì)一種塔吊防碰撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)λ踔g的碰撞及塔吊與建筑物之間的碰撞進(jìn)行預(yù)警。

關(guān)鍵詞：塔吊群；防碰撞；禁行區(qū)；建筑工地

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1605104

Application of Encoder Technique in Anticollision of Tower Crane

PENG Wancang.1，WANG Shuibo.2，WANG Quanzhou.3

(1.Xi′an Construction Engineering Supervisory Center for Quality and Safety，Xi′an，710014，China;

2.Xi′an Zhimin Measurement Control Science Technology Co.Ltd.，Xi′an，710049，China;

3.Nothwest Normal University，Lanzhou，730070，China)

Abstract：The modern construction site is complex，large-scale，and more and more mechanize，tower cranes are universal highdensity used.The safety of the tower crane appears more important.However，it still relies mainly on manual to keep the tower cranes from collision.It not only affected the efficiency of construction，but also difficult to guarantee the safety of tower crane.Aiming at the abovementioned problems，this paper studies the tower cranecollision theory and designs a tower crane anticollision system with digital sensing，embedded processing，such as remote monitoring technology，which can early warning of collision between tower cranes or between tower crane and structures.

Keywords：crane group； anticollision；forbidden area;construction site

1 防碰原理簡介

現(xiàn)代建筑業(yè)施工環(huán)境非常復(fù)雜，由此導(dǎo)致了處在這種復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下的塔吊防碰問題也多樣復(fù)雜。總的來說，塔吊防碰問題有2類，如圖1所示：首先是塔機(jī)互碰類。處在同一相互干擾區(qū)的塔吊群有吊臂、小車、吊鉤、塔身的碰撞可能；其次是本機(jī)防碰類。當(dāng)塔吊臨近施工現(xiàn)場(chǎng)存在的各類限制區(qū)和障礙物時(shí)有碰撞可能。比如，道路是一個(gè)無高度限制的內(nèi)部禁性區(qū)，塔吊吊臂和小車不能在道路上方運(yùn)行；樓宇所在區(qū)域是有高度限制的內(nèi)部禁行區(qū)，當(dāng)小車高度低于樓宇高度時(shí)，不能在樓宇所在區(qū)域運(yùn)行。施工現(xiàn)場(chǎng)有時(shí)還會(huì)規(guī)定某個(gè)特殊工作區(qū)域，要求塔吊只能在區(qū)域內(nèi)部工作。此外，即使處在開闊施工環(huán)境，塔吊小車在高速變幅時(shí)也有碰撞吊臂頂端和塔吊基座的問題。

下面以最典型的高塔吊小車碰低塔吊吊臂問題為例，簡單介紹防碰算法。

如圖2(a)所示，當(dāng)2個(gè)高低塔吊存在交叉作業(yè)區(qū)（兩塔吊連心距小于兩塔吊吊臂長度之和），并且只有雙方塔吊吊臂都工作在交叉區(qū)的時(shí)候才有碰撞可能。

如圖2(b)所示，當(dāng)同處交叉區(qū)的高塔吊小車垂直高度上接近低塔吊吊臂時(shí)（高度差h接近某一預(yù)設(shè)值）碰撞可能進(jìn)一步加大。

如圖2(c)所示，這部分是對(duì)滿足了圖2(b)條件的吊臂小車做水平面內(nèi)碰撞可能性分析。由于慣性的存在，處在回轉(zhuǎn)過程中的吊臂最終停止的角度位置與制動(dòng)開始位置存在慣性偏移角β，必須在防碰算法中考慮這個(gè)慣性偏移角度。也就是說，實(shí)際上代入防碰算法中的角度信息是預(yù)估的角度信息，只有這樣才能保證最后停止運(yùn)動(dòng)的小車吊臂不互相碰撞，這也是風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估技術(shù)的一個(gè)體現(xiàn)。出于安全保護(hù)的考慮，將塔臂外擴(kuò)一個(gè)半寬r的矩形保護(hù)帶（圖中灰色部分），將小車外擴(kuò)一個(gè)半徑r的圓形保護(hù)帶(圖中灰色部分)。當(dāng)小車到塔臂的距離d小于矩形保護(hù)帶和圓形保護(hù)帶距離之和（R+r）時(shí)，即有真正的碰撞可能發(fā)生。

防碰決策的依據(jù)是破壞這種臨界碰撞條件，也就是使高度距離h和水平距離d不要在朝危險(xiǎn)的方向變化。針對(duì)圖2(c)的情況，通過切斷低塔吊右轉(zhuǎn)，高塔吊小車下繩，小車出運(yùn)動(dòng)回路來破壞碰撞條件。

通過分析這種典型的碰撞情況，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)一個(gè)高度、位移、轉(zhuǎn)角條件的不滿足并不是引起碰撞的充分條件，只有他們組合成某種特定關(guān)系的時(shí)候才會(huì)引起碰撞。本塔吊防碰算法充分注意到高度、位移、轉(zhuǎn)角之間的內(nèi)在聯(lián)系，從干涉區(qū)分析開始，一步步逼近臨界碰撞條件，盡可能在碰撞真正即將開始時(shí)才進(jìn)行防碰決策。這樣的設(shè)計(jì)有效的減少了頻繁誤報(bào)警所帶來的電機(jī)損耗和施工效率降低。由于考慮了慣性因素，所以本塔吊防碰系統(tǒng)在高效性的同時(shí)可靠性也得到了保證。

2 防碰系統(tǒng)實(shí)施方案

安裝在每臺(tái)塔吊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的編碼器和接近開關(guān)將本機(jī)塔吊塔臂回轉(zhuǎn)、小車運(yùn)動(dòng)、吊鉤提升的絕對(duì)位置信息、塔臂回轉(zhuǎn)及小車運(yùn)動(dòng)的位置矯正信息，經(jīng)過輸入采集單元的信號(hào)調(diào)理、數(shù)字量化、光電隔離，輸入終端控制器。其他塔吊的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)通過無線通信模塊接收，并由RS 232接口輸入至終端控制器。結(jié)合由現(xiàn)場(chǎng)施工人員通過終端控制器的鍵盤輸入設(shè)定的模型參數(shù)，對(duì)本機(jī)的12種獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行通斷判定。決策結(jié)果通過光電隔離、繼電器控制轉(zhuǎn)化為控制動(dòng)作，對(duì)串入到電機(jī)回路的斷路器進(jìn)行控制，以完成塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)工作。同時(shí)對(duì)塔吊群的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息及終端控制器的執(zhí)行動(dòng)作在屏幕上進(jìn)行圖形化顯示，對(duì)于臨界碰撞風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)進(jìn)行聲光示警。塔吊群的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息通過無線通信模塊輸入到地面控制臺(tái)的計(jì)算機(jī)中，完成塔吊群運(yùn)轉(zhuǎn)情況的地面監(jiān)測(cè)。地面調(diào)度人員也能通過虛擬儀器界面對(duì)塔吊群的模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以及對(duì)塔吊群進(jìn)行人工調(diào)度。如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

在塔吊的傳動(dòng)系統(tǒng)中，通過電機(jī)帶動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)塔吊吊臂回轉(zhuǎn)、小車變幅、吊鉤提升功能。為了采集回轉(zhuǎn)角度、小車位移、吊鉤高度等參數(shù)，必須要能實(shí)時(shí)檢測(cè)到齒輪的轉(zhuǎn)向及齒輪轉(zhuǎn)速與位移角度的關(guān)系。在塔吊防碰撞系統(tǒng)中必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔吊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這使得數(shù)據(jù)采集速度和精度都必須跟上塔吊的高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

增量式編碼器是一種用于測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的常用傳感器器件，它具有分辨率高、響應(yīng)速度快和輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使它非常適合于塔吊數(shù)據(jù)采集。

增量式編碼器發(fā)出的2路脈沖是正交的，即2路脈沖為相位差為90.o的方波。通過判斷2路脈沖的相位關(guān)系，就可以獲得電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

編碼器的解碼方法主要有2種：硬件解碼和軟件解碼。前一種是通過專門的解碼芯片來實(shí)現(xiàn)，由解碼芯片完成鑒相及計(jì)數(shù)，但是大多數(shù)高速解碼芯片價(jià)格昂貴，不適合產(chǎn)品使用，后一可以通過一定的解碼算法實(shí)現(xiàn)。由圖4增量式光電編碼器輸出波形可以得出如表1，表2所示的轉(zhuǎn)向狀態(tài)表。

由狀態(tài)表可知，在AB兩相脈沖在一個(gè)周期內(nèi)都有4種狀態(tài)00，01，10，11。將前次位置左移兩位再或上目前位置計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)周期內(nèi)，如果電機(jī)正轉(zhuǎn)則ABAB合成位置01H；反轉(zhuǎn)則ABAB合成位置02H。利用這個(gè)特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)非常簡潔的軟件解碼。該解碼的限制只有采樣率一個(gè)，CPU采樣率愈高，編碼器的轉(zhuǎn)速可愈快。

編碼器的AB相信號(hào)經(jīng)過光電隔離直接連接在處理器上相鄰連個(gè)I/O口，根據(jù)系統(tǒng)的定時(shí)中斷以高于4倍頻的采樣率定期讀取I/O值。這樣的電路設(shè)計(jì)充分利用了處理器自有功能，無須外擴(kuò)任何芯片，符合嵌入式系統(tǒng)集成化、體積小的設(shè)計(jì)要求。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采樣率為500 Hz，每2 ms產(chǎn)生1個(gè)定時(shí)中斷。由于操作系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍已經(jīng)設(shè)置為1 ms調(diào)度1次，為了不使頻繁的定時(shí)器中斷影響系統(tǒng)任務(wù)的正常調(diào)度，故設(shè)置相當(dāng)于2個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍的定時(shí)中斷。基于這個(gè)采樣率，系統(tǒng)支持的編碼器線速必須在125 Hz以下。

此外，由于編碼器價(jià)格昂貴系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集也可以通過價(jià)格較為便宜的接近開關(guān)來完成，其數(shù)據(jù)采集原理與編碼器完全一致。接近開關(guān)安裝時(shí)應(yīng)保證90°的相位差，并且產(chǎn)生的方波周期應(yīng)至少8 ms。

整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程由定時(shí)器中斷服務(wù)子程序和數(shù)據(jù)采集任務(wù)共同完成，如圖5所示。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)要求中斷服務(wù)程序子程序盡可能的短，因此定時(shí)器中斷服務(wù)只做到寫計(jì)數(shù)器，接著由采集任務(wù)讀計(jì)數(shù)器值更新采集量。在這里更新的是一個(gè)相對(duì)增量，所以計(jì)數(shù)器讀完之后要清零。中斷與任務(wù)共享一個(gè)資源，且分別進(jìn)行讀寫操作，因此必須對(duì)這個(gè)共享資源進(jìn)行保護(hù)。此外由于該中斷和任務(wù)有聯(lián)系，所以還必須采用同步機(jī)制。中斷和任務(wù)通信，并且需要保護(hù)只能采取全局變量的形式。開關(guān)中斷是最簡單，最快的共享資源保護(hù)方法。在任務(wù)里，讀全局變量前先關(guān)中斷，保證無中斷服務(wù)子程序?qū)懭肿兞浚辶阒笤俅蜷_中斷。采集量在通信任務(wù)、塔吊防碰計(jì)算任務(wù)和采集任務(wù)中也會(huì)被同時(shí)訪問或改寫，因此也需要被保護(hù)。這里采用互斥信號(hào)量來實(shí)現(xiàn)。

4 軟件設(shè)計(jì)分析

本塔吊防碰撞系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)，對(duì)防碰系統(tǒng)的功能作了詳細(xì)的分析，在硬件支持的條件下設(shè)計(jì)了如圖6所示的應(yīng)用程序流程圖。

由圖6可知應(yīng)用程序的操作并沒有一個(gè)明確的順序執(zhí)行的結(jié)構(gòu)，這在系統(tǒng)建立通信之后得到最明顯的體現(xiàn)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、防碰計(jì)算都是對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的任務(wù)。他們之間無法判斷出誰先執(zhí)行，誰后執(zhí)行，而且他們?cè)诔绦蜻\(yùn)行過程中必須反復(fù)執(zhí)行，要求他們必須是個(gè)死循環(huán)函數(shù)。再者，系統(tǒng)的防碰算法非常復(fù)雜，尤其當(dāng)需同時(shí)計(jì)算多個(gè)塔吊，多種類型的防碰算法時(shí)，會(huì)占用大量的CPU時(shí)間。如果它順序執(zhí)行必然嚴(yán)重影響其他任務(wù)的實(shí)時(shí)性。因此，傳統(tǒng)的基于前/后臺(tái)系統(tǒng)的順序設(shè)計(jì)程序的方法在這里行不通。系統(tǒng)必須采用由操作系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)度的多任務(wù)設(shè)計(jì)方法。

為了使操作員方便的對(duì)塔吊防碰系統(tǒng)的操作，系統(tǒng)提供了多個(gè)界面用于人機(jī)交互。界面功能和說明如表3所示。

本著設(shè)計(jì)人性化界面原則，對(duì)每個(gè)界面需要顯示的內(nèi)容、形式、布局作了充分的考慮。以最典型的參數(shù)菜單設(shè)計(jì)為例詳細(xì)介紹該設(shè)計(jì)原則。

(1) 塔吊輸入?yún)?shù)種類繁多、數(shù)目巨大，因此考慮將他們分類顯示。菜單式的設(shè)計(jì)可以充分實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

(2) 對(duì)于屬于某個(gè)大類的量多參數(shù)，需要分級(jí)顯示，同時(shí)告訴操作員參數(shù)數(shù)目，提示進(jìn)入下級(jí)菜單。通過“？”和反色顯示提示操作員此參數(shù)正在被設(shè)定，設(shè)定完恢復(fù)正常顯示。

(3) 各欄大小布局合理，字體選用美觀。

5 遠(yuǎn)程監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

塔吊防碰系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控單元主要有2部分功能：

(1) 塔吊參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定。塔吊安裝時(shí)進(jìn)行塔吊固定參數(shù)（坐標(biāo)位置，塔高，橋長等）地面設(shè)定并上傳至安裝在塔吊上的終端設(shè)備。由于在塔吊安裝初期這類參數(shù)時(shí)常變動(dòng)，操作員頻繁上下塔吊既增加勞動(dòng)強(qiáng)度也有一定的危險(xiǎn)性，所以遠(yuǎn)程設(shè)定功能大大方便和保護(hù)了塔吊操作員。

(2) 塔吊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。操作員可以自由選擇對(duì)某塔吊群的全局監(jiān)測(cè)和對(duì)某一塔吊的個(gè)體監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：工地塔吊群的布局、各塔吊及小車的實(shí)時(shí)狀態(tài)，是否有碰撞可能等。通過圖表和數(shù)字的形式直觀再現(xiàn)工地情況，地面監(jiān)測(cè)員一目了然，方便進(jìn)行工地塔吊的人工調(diào)度。

6 系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

本塔吊防碰撞系統(tǒng)充分考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜性，從提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，可操作性方面實(shí)現(xiàn)了以下創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

(1) 故障診斷功能

輸入?yún)?shù)越界錯(cuò)誤診斷 對(duì)于輸入?yún)?shù)的明顯錯(cuò)誤比如小車位移大于臂長、小車高度大于塔高、塔吊標(biāo)號(hào)大于網(wǎng)內(nèi)塔吊個(gè)數(shù)等判進(jìn)行判斷，并作出錯(cuò)誤提示。

通信故障診斷 當(dāng)連續(xù)1 s接收不到數(shù)據(jù)時(shí)即認(rèn)為網(wǎng)內(nèi)通信故障，立即切斷所有控制回路，保護(hù)塔吊。

非正常關(guān)機(jī)錯(cuò)誤診斷 當(dāng)系統(tǒng)非正常關(guān)機(jī)（掉電或未按退出鍵）時(shí)，系統(tǒng)最后運(yùn)行參數(shù)沒有保存，下次開機(jī)出現(xiàn)參數(shù)保存錯(cuò)誤提示。

(2) 可靠性設(shè)計(jì)

定制塔吊群安全模型 為了適用于各種復(fù)雜的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)向用戶開放了絕大多數(shù)的系統(tǒng)參數(shù)，關(guān)鍵參數(shù)如保護(hù)距離等為連續(xù)可調(diào)參數(shù)。在塔吊群作業(yè)過程中，用戶可針對(duì)實(shí)際需求，權(quán)衡作業(yè)效率與系統(tǒng)安全的關(guān)系，進(jìn)行各參數(shù)的設(shè)置，完成塔吊群安全模型的定制。這種靈活的設(shè)置方式保證了塔吊防碰系統(tǒng)貼合實(shí)際，運(yùn)行可靠。

動(dòng)態(tài)分區(qū)參數(shù)存儲(chǔ) 為了防止多次擦寫存儲(chǔ)芯片某一區(qū)而使芯片損壞，系統(tǒng)根據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間動(dòng)態(tài)更換存儲(chǔ)區(qū)，大大降低了芯片損壞概率，保證存儲(chǔ)可靠。

(3) 人性化設(shè)計(jì)

直觀示警提示 按不同危險(xiǎn)級(jí)別，聲光電組合的方式方便快捷的通知操作工人進(jìn)行人為干預(yù)。尤其是形象化分布的各自由度控制回路指示燈，讓操作員一目了然塔吊保護(hù)狀態(tài)。

多功能鍵盤 鍵盤設(shè)計(jì)包含數(shù)字鍵，上下翻頁鍵，確認(rèn)刪除鍵，以及符合塔吊操作要求的一系列功能鍵。鍵位設(shè)計(jì)合理，方便操作員一鍵式操作。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］田澤．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)例［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［2］呂鈞星，吳榮光，呂俊輝．塔吊防互撞系統(tǒng)［J］．三峽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，24(2):118120.

［3］范俊祥．塔式起重機(jī)［M］．北京：中國建材工業(yè)出版社，2004.

［4］胥靜．嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)例詳解［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［5］ARM Developer Suite Version 1.2．Advanced RISC Machines.Ltd，2000.

［6］張毅剛，喬立巖．虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境Lab Windowes/CVI6．0編程指南［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［7］江勝峰．基于ARM的微熱板式氣壓傳感器測(cè)試儀的研制［D］．大連：大連理工大學(xué)，2005.

［8］I.2C總線原理及應(yīng)用實(shí)例\\．www.mcufan.com.

［9］馬燕明，朱冬梅，楊清泉，等．塔機(jī)防碰撞及工作區(qū)域限制技術(shù)［J］．建筑機(jī)械，2004，26(6):1620.

［10］劉陽，吳敏，曹衛(wèi)華．EPM7128S在電機(jī)檢測(cè)中的應(yīng)用［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2004(5):3738.

作者簡介 彭萬倉 男，1958年出生，陜西岐山人，西安市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站安全管理科從事安全管理及研究工作。