基于超聲波測(cè)距的塔吊防碰撞探測(cè)器設(shè)計(jì)*

許景波， 趙　宇， 沈永濱， 崔曉萌， 劉　泊

(哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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基于超聲波測(cè)距的塔吊防碰撞探測(cè)器設(shè)計(jì)*

許景波， 趙宇， 沈永濱， 崔曉萌， 劉泊

(哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

摘要:針對(duì)塔吊作業(yè)防碰撞問題，設(shè)計(jì)了用于障礙物檢測(cè)的防碰撞探測(cè)器。基于超聲波測(cè)距原理，探測(cè)器可以對(duì)接近塔吊臂的障礙物主動(dòng)檢測(cè)，發(fā)出報(bào)警信息。從系統(tǒng)的構(gòu)成、工作方式、探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝布置等幾方面進(jìn)行了詳細(xì)論述，通過Matlab仿真對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。該設(shè)計(jì)擴(kuò)寬了探測(cè)器檢測(cè)范圍，通過多節(jié)點(diǎn)布置，對(duì)塔吊臂形成了封閉的三維保護(hù)區(qū)，有效避免事故發(fā)生，對(duì)于塔吊安全運(yùn)行具有重要意義。

關(guān)鍵詞：塔吊; 超聲波測(cè)距; 防碰撞; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0引言

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，塔吊作為一種主要的搬運(yùn)機(jī)械，越來越被廣泛應(yīng)用，然而，塔吊碰撞傾翻事故時(shí)有發(fā)生，面向塔吊防碰撞問題的研究也相繼開展起來。現(xiàn)有的研究大多采用如下方法[1～4]：進(jìn)行自身高度、幅度和回轉(zhuǎn)角度等參數(shù)的檢測(cè)，由無線組網(wǎng)技術(shù)將這些參數(shù)傳遞給周圍塔吊，同時(shí)也接收其它塔吊傳遞來的參數(shù)。由周圍塔吊和自身的位置狀態(tài)信息，判斷安全作業(yè)區(qū)域，進(jìn)行預(yù)警、規(guī)劃路徑以及主動(dòng)避讓。這種方法要求通信鏈路必須可靠，如果產(chǎn)生數(shù)據(jù)包丟失，將對(duì)塔吊的安全作業(yè)帶來隱患。此外，這是一種被動(dòng)檢測(cè)方式，對(duì)于障礙物則不能主動(dòng)探測(cè)。

本文根據(jù)超聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)了一種塔吊防碰撞探測(cè)器，它對(duì)進(jìn)入保護(hù)區(qū)的障礙物能夠主動(dòng)探測(cè)，向主控室發(fā)出報(bào)警信息，使駕駛員能夠及時(shí)采取措施進(jìn)行避讓。由于采取的是直接探測(cè)、總線連接方式，有效避免了已有方法的不足。

1超聲波測(cè)距原理

由發(fā)射器發(fā)出一組超聲波，當(dāng)遇到障礙物時(shí)發(fā)生反射，接收器用來接收反射波，則得到發(fā)射器到障礙物的距離s為

s=t×v/2,

(1)

式中t為發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時(shí)間，v為超聲波波速，常溫下為344 m/s。所以，測(cè)得超聲波傳播的時(shí)間就可以間接地得到距離[5,6]。

由于超聲波方向性強(qiáng)，即垂直于發(fā)射表面的一定區(qū)域內(nèi)能量集中，超出這一區(qū)域能量衰減很快，這就形成了波束角，一般在30°左右。而塔吊臂作業(yè)空間寬闊，需要在0°～180°范圍內(nèi)檢測(cè)障礙物，要使用超聲波傳感器進(jìn)行防碰撞保護(hù)，必須加寬其檢測(cè)范圍。探測(cè)器在塔吊臂上的安裝形式如圖1所示。

圖1　探測(cè)器布置示意圖Fig 1　Diagram of detectors layout

整個(gè)系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中，為了防止超聲波傳感器之間的干擾，單片機(jī)采用時(shí)分復(fù)用的輪巡控制方式，即讓每一只超聲波傳感器分時(shí)工作，每次單獨(dú)完成一個(gè)測(cè)距周期，所以，各節(jié)點(diǎn)類似于不斷進(jìn)行掃描探測(cè)的數(shù)字式雷達(dá)[7]。節(jié)點(diǎn)單片機(jī)對(duì)各傳感器檢測(cè)距離進(jìn)行仲裁，取最小值作為探測(cè)器的實(shí)際檢測(cè)距離。各節(jié)點(diǎn)通過CAN總線不斷向主控室發(fā)送探測(cè)信息，在小于安全距離時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以使駕駛員做出正確判斷，及時(shí)避讓。

圖2　硬件組成框圖Fig 2　Block diagram of hardware composition

2探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了有效拓寬檢測(cè)范圍，可以將超聲波傳感器布置成陣列的形式，在“傳感器數(shù)量少，檢測(cè)范圍寬”的原則下，對(duì)傳感器檢測(cè)范圍進(jìn)行組合，形成一種探測(cè)器的結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的探測(cè)器是一種弧形十字支架結(jié)構(gòu)，在支架的四端和中間交叉點(diǎn)分別布置5只超聲波傳感器，如圖3(a)所示。設(shè)傳感器的直徑為D，波束角為θ，傳感器之間相鄰角度為φ，相鄰弧長為l，則可根據(jù)弧長計(jì)算式(2)，計(jì)算出此支架的半徑R

(2)

傳感器的相鄰弧長l為

(3)

整個(gè)安裝支架的弧長L和對(duì)應(yīng)角度ψ為

L=3D+2l,ψ=3θ+2φ.

(4)

從橫縱兩個(gè)方向考慮，該探測(cè)器在空間上形成了錐度為ψ的錐形探測(cè)區(qū)間，如圖3(c)所示。一般地，超聲波傳感器的波束角θ=32°，可以布置傳感器相鄰角度φ=6°，那么,整個(gè)探測(cè)器就形成了錐度為108°的探測(cè)空間，而探測(cè)半徑為超聲波傳感器的最大測(cè)量距離。

圖3　探測(cè)器結(jié)構(gòu)Fig 3　Detector structure

對(duì)于探測(cè)器的安裝布置，要保證相鄰探測(cè)器之間構(gòu)成封閉的檢測(cè)區(qū)間，以形成對(duì)塔吊臂的有效保護(hù)，如圖4所示，ai為兩個(gè)相鄰探測(cè)器之間的距離，c為交點(diǎn)至超聲波傳感器的距離，h為交點(diǎn)距塔吊臂的高度，則可以得到ai的計(jì)算為

(5)

圖4　探測(cè)器的安裝作用區(qū)域Fig 4　Installation and effect area of detectors

改變安裝間距ai或探測(cè)區(qū)間錐角ψ的大小，相應(yīng)地可以改變交叉點(diǎn)至吊臂的高度h。塔式起重機(jī)安全規(guī)程中規(guī)定[8]，兩臺(tái)起重機(jī)之間的最小架設(shè)距離應(yīng)保證處于低位起重機(jī)的臂架端部與另一臺(tái)起重機(jī)的塔身之間至少有2m安全距離，所以,應(yīng)保證h≤2m。

設(shè)塔吊臂長為F，那么,在整個(gè)吊臂內(nèi)所要安裝的防碰撞節(jié)點(diǎn)數(shù)目n為

(6)

式中ROUND為四舍五入取整函數(shù)。

3仿真實(shí)例與分析

本文所選塔吊型號(hào)為QTZ63，起重臂長45m，要在其上布置超聲波探測(cè)器，構(gòu)成三維空間的保護(hù)區(qū)。這里,探測(cè)器上所選用的超聲波傳感器型號(hào)為DYA—35—5A，波束角為32°，該傳感器最大探測(cè)范圍5m，傳感器直徑為65mm。采用Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算仿真。

圖5　Matlab仿真分析圖Fig 5　Simulation analysis diagram by Matlab

按照本文所設(shè)計(jì)的由5只傳感器構(gòu)成的探測(cè)器，其支架半徑為116.4mm，探測(cè)范圍108°。按照式(5)，限制h=2m，計(jì)算得出相鄰探測(cè)器之間的間距為5.7m，那么，在QTZ63塔吊臂上需要布置8個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)。塔吊臂的覆蓋區(qū)域如圖5(a)所示，可以看出這些節(jié)點(diǎn)形成了封閉的保護(hù)區(qū)，完全覆蓋了整個(gè)吊臂。圖5(b)是相應(yīng)的剖面圖，左右兩個(gè)探測(cè)器共同作用，區(qū)域?yàn)?18°～198°。另外，可以增加探測(cè)器的作用范圍，在橫縱支架上各增加一只傳感器，那么探測(cè)器的范圍達(dá)到了146°。這時(shí)只需5個(gè)節(jié)點(diǎn)即可覆蓋整個(gè)吊臂，傳感器間距為9.3 m，如圖5(c)所示，并且h只有1.38 m。圖5(d)是相應(yīng)的剖面圖，其作用區(qū)域?yàn)?56°～236°。

從以上分析可以看出：如果探測(cè)器所用傳感器數(shù)量少，則作用范圍窄，而在整個(gè)塔吊臂上需要布置更多的節(jié)點(diǎn)。但要增加探測(cè)器作用范圍，就需要更多的傳感器，這樣所需要布置的節(jié)點(diǎn)相對(duì)減少,這需要在工程實(shí)踐中根據(jù)具體情況靈活掌握。

4結(jié)論

本文基于超聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)了一種塔吊防碰撞探測(cè)器，它可以主動(dòng)探測(cè)起重臂工作范圍的障礙物，發(fā)出報(bào)警信息。從其工作方式上，可以看作一種數(shù)字掃描式“防碰撞雷達(dá)”，為塔吊防碰撞領(lǐng)域研究提供了一種新的思路。本文詳細(xì)給出了探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)布置，通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)于工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

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Design of detector for tower crane anti-collision based on ultrasonic distance measurement*

XU Jing-bo, ZHAO Yu, SHEN Yong-bin, CUI Xiao-meng, LIU Bo

(College of Measurement-Control Technology & Communication Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

Abstract:Aiming at problem of tower crane anti-collision,a detector for obstacle detection is designed.Based on principle of ultrasonic distance measurement,detector can automatically detect obstacles close to tower crane arm and send alarm message.System composition,operation mode,detector structure design and installation are illustrated indetail,design result is verified by Matlab simulation.The design broadens detection range,and closed three-dimensional protection zone around tower crane arm is formed through multiple nodes arrangement,that avoids accident effectively and it is of great significance for safe operation of tower crane.

Key words:tower crane; ultrasonic distance measurement; anti-collision; structure design

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0127—03

收稿日期：2015—07—09

*基金項(xiàng)目：2013年住建部研究開發(fā)資助項(xiàng)目(2013—R3—7)

中圖分類號(hào)：TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)03—0127—03

作者簡介:

許景波(1973-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，工學(xué)博士，教授，研究方向?yàn)榫軠y(cè)量、信號(hào)處理。