爬桿防墜落報警裝置控制系統(tǒng)設計

杜明雨 劉海宇 程 月 趙 琳

（臨沂大學 自動化與電氣工程學院，山東 臨沂 276000）

目前市場上沒有出現(xiàn)與報警系統(tǒng)相結(jié)合的攀爬防墜設備，大多數(shù)是傳統(tǒng)的爬桿腳扣，安全措施不到位，技術(shù)要求高，面對突發(fā)狀況，完全只能依靠個人反應能力，沒有外物輔助，生命安全沒有保障，而爬鋼架的爬桿腳扣應用環(huán)境受限，不能普遍應用于高空作業(yè)的其他場景，有待開發(fā)完善，大量的高強度高危的工作環(huán)境，更急需這種降低危險的防墜設備出現(xiàn)。

1 研究內(nèi)容

1.1 控制系統(tǒng)設計思路

本文研究思路是一款爬桿防墜落報警裝置，設計整體控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)軟件程序?qū)崿F(xiàn)使stm32c8t6作為主控處理，采集壓力傳感器數(shù)字信息，主控處理后驅(qū)動裝置驅(qū)動動力裝置做出及時反應并姿態(tài)傳感器及時反饋信息主控進一步解析數(shù)據(jù)及時動作，完成快速預定的目標動作。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 人體姿態(tài)度解析算法

采集多組人體爬桿時的肩關(guān)節(jié)，股關(guān)節(jié)，膝蓋關(guān)節(jié)等人體主要關(guān)節(jié)的彎曲角度，根據(jù)PSO粒子群優(yōu)化算法，仿真出人體軀干部及腰部的整體和垂直桿狀傾角。依據(jù)人體動態(tài)模擬解析出靜態(tài)漸變姿態(tài)數(shù)據(jù)，繼續(xù)使用SAPSO算法優(yōu)化仿真數(shù)據(jù)，完成姿態(tài)估計，追蹤漸變姿態(tài)數(shù)據(jù)（設為t時刻），進而提前預測人體下一步姿態(tài)模擬數(shù)據(jù)（t+1時刻），用PID算法繼續(xù)優(yōu)化得到收斂性和穩(wěn)定性比較好的可用數(shù)據(jù)，完成人體姿態(tài)的解析和數(shù)據(jù)采集。

1.3 硬件組裝及硬件調(diào)配

與其他攀爬設備相比，本項目進行大量模擬人體下墜參數(shù)采集及設備快速準確的調(diào)試，優(yōu)化了突然停駐時給人身體帶來的損傷，減少了工作人員長時間工作對人體帶來的損傷和身體的大量負荷。

底部腳架安裝的壓力傳感器，及時采集受力結(jié)構(gòu)的壓力，數(shù)據(jù)參數(shù)傳回主控并反饋給執(zhí)行機構(gòu)的電機，帶動部分機械裝置旋轉(zhuǎn)，進而帶動可伸縮裝置，從而使壓力足夠承受人體和整個設備停駐在桿部。

2 工作原理和結(jié)構(gòu)設計

2.1 主要數(shù)據(jù)采集

1）角度采集。與其他攀爬設備相比，本項目進行大量模擬人體下墜參數(shù)采集及設備快速準確的調(diào)試，優(yōu)化了突然停駐時給人身體帶來的損傷，減少了工作人員沖撞和墜落帶來的意外。項目前期采用MPU—6050姿態(tài)傳感器采集到的設備參數(shù)狀態(tài)，再進行控制系統(tǒng)處理姿態(tài)狀況時，對應參數(shù)狀態(tài)從而編制出對應的執(zhí)行指令。2）壓感采集。增設S型壓力傳感器SBT630BD20和高精度測距儀,參考爬桿的結(jié)構(gòu)普通設備的設計特點以及人員爬桿的著力點的分析。底部腳架安裝的壓力傳感器，及時采集受力結(jié)構(gòu)的壓力，數(shù)據(jù)參數(shù)傳回主控并反饋給執(zhí)行機構(gòu)的電機，帶動部分機械裝置旋轉(zhuǎn)，進而帶動可伸縮裝置，從而使壓力足夠承受人體和整個設備停駐在桿部，以便適應并處理復雜情況，保障生命安全。

2.2 墜落報警裝置設計

采集各傳感器數(shù)據(jù)后，選擇在腰部增添了警報支撐裝置，通過分析姿態(tài)數(shù)據(jù)優(yōu)化算法后整合可用數(shù)據(jù)，超出正常范圍閾量時發(fā)出提前做出意外警報提示，發(fā)出強烈聲光反應，并及時完成一系列停駐預期動作。

2.3 調(diào)配方式

安裝并調(diào)節(jié)外設采集的數(shù)據(jù)信息調(diào)試好通信及各項閾值的設定，形成完整的安全防墜系統(tǒng)，整合人體姿態(tài)參數(shù)提高佩戴舒適度。

1）以現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)為基礎，由人員穿戴后靠角度傳感器模擬采集人體后仰或下墜角度；2）記錄分析各人體姿態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建發(fā)力結(jié)構(gòu)數(shù)學模型。3）完善動力裝置對機械結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)運作，采集反饋裝配后的人體姿態(tài)數(shù)據(jù)，調(diào)整后執(zhí)行精準快速的動作，協(xié)調(diào)完善。4）通過調(diào)節(jié)其他各個傳感器的功能和通信，并將各個模塊和執(zhí)行機構(gòu)整合起來，大量采集人體數(shù)據(jù)，保證穿戴舒適性實現(xiàn)整體系統(tǒng)協(xié)調(diào)性與性能可靠性的進一步提升。

除優(yōu)化設備性能外，本設備的機械結(jié)構(gòu)會在與人體接觸的主要部位，在保證牢固的情況下加裝了多種有彈性的裕量充足的帶扣，增加腰部安全防護，大量的軟性彈性裝置在保證穩(wěn)定性的同時還大大減少了工作人員肌肉拉傷的風險，起到降低損傷的作用。可以適用于不同體型的工作人員的穿戴。

2.4 結(jié)構(gòu)方面

解決整體機械性能的可靠性問題，并在此基礎上換用性能更加可靠的新材料，增強設備的強度與抗干擾能力。應用新型高強度材料作為機械本體構(gòu)造，增強了結(jié)構(gòu)的強度并進一步降低整體的重量，降低使用過程中的能耗。同時采用數(shù)個抗干擾能力強和有一完整驅(qū)動設備電機構(gòu)成制動伸縮環(huán)節(jié)，保證整體設備的穩(wěn)定性和靈活性。本設計的外部輔助爬桿裝置提高了安全系數(shù)降低了風險，尤其腰部警報支撐裝置可以及時地在工作人員分心或者其他意外產(chǎn)生時，立刻做出反應，保護人員安全。

3 結(jié)束語

設計整體控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)靈活方便，安全系數(shù)高，采取應用廣泛的攀爬設備和防墜措施結(jié)合，精準快速動作。調(diào)節(jié)軟件程序?qū)崿F(xiàn)使stm32c8t6作為主控處理，解析人體姿態(tài)數(shù)據(jù)，提前預測下一步動作反應，優(yōu)化可用數(shù)據(jù)，并采集壓力傳感器數(shù)字信息，主控處理后發(fā)出預警信息驅(qū)動裝置帶動腰部裝置收縮，使人體停駐，進一步跟蹤反饋信息，完成預期防墜落的目標動作。