門座式起重機防碰撞系統(tǒng)研究

崔建平 鄧桂花

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-5684

摘? 要：針對門座式起重機之間距離近，主要依靠司機的操作水平和經(jīng)驗來避障，缺乏有效的防碰撞檢測方法的問題，該文提出了基于數(shù)學(xué)模型的防碰撞方法和防碰撞系統(tǒng)，從傳感器選型、信號采集和傳輸、界面設(shè)計、防碰撞策略制定、程序設(shè)計等方面進(jìn)行了詳細(xì)探討。結(jié)果表明，該系統(tǒng)以控制為核心，輔以有效檢測手段，能夠快速準(zhǔn)確地對潛在的碰撞危險進(jìn)行預(yù)警，并切斷危險方向的動作，保護(hù)人身和財產(chǎn)安全，使門座式起重機始終能夠安全穩(wěn)定地運行，提升作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：門座式起重機? 防碰撞? 控制? 策略

中圖分類號：TH21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（b）-0077-04

Research on Anti-collision System of Portal Crane

CUI Jianping1? DENG Guihua2

（1.China Railway Construction Heavy Industry Co.， Ltd.， Changsha， Hunan Province， 410000 China;

2.Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei Province， 430063? China）

Abstract： Aiming at the problem that gantry cranes are close to each other， mainly rely on the driver's operation level and experience to avoid obstacles， and lack of effective anti-collision detection method， this paper proposes an anti-collision method and anti-collision system based on mathematical model， and discusses in detail from sensor selection， signal acquisition and transmission， interface design， anti-collision strategy formulation， program design and other aspects. The results show that the system takes control as the core， supplemented by effective detection means， could warn the potential collision danger quickly and accurately and cut off the action in the dangerous direction， protect personal and property safety， make the gantry crane always be able to operate safely and stably， and improve the operation efficiency.

Key Words： Portal crane; Anti-collision; Control; Strategy

門座式起重機屬于港口常用的起重設(shè)備，是重要的貨物裝卸和搬運設(shè)備，具有起升、回轉(zhuǎn)、變幅、沿軌道行走這4個動作。通常在同一個軌道上會布置多臺門座式起重機，執(zhí)行裝卸作業(yè)時，往往是幾臺門座式起重機一同協(xié)作完成，它們之間的間距較近。所以協(xié)同作業(yè)時，門座式起重機之間會產(chǎn)生交叉作業(yè)區(qū)域。目前主要是依賴司機的經(jīng)驗來判斷運行路徑上是否有障礙物，怎么進(jìn)行避障。但是人長時間作業(yè)會產(chǎn)生疲勞和視覺誤差，而且操作經(jīng)驗因人而異，并不可靠，一旦發(fā)生碰撞將會帶來嚴(yán)重的危害，所以研究一種門座式起重機防碰撞系統(tǒng)，進(jìn)行自動防碰撞具有非常重要的意義。

1? 系統(tǒng)介紹

該文介紹了如何進(jìn)行門座式起重機的防碰撞，包含信號的獲取、傳輸、處理，防撞策略的實施?？傮w來說，門座式起重機防碰撞系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、信號采集、通信系統(tǒng)、人機交互四大部分[1]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個防碰撞系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)傳感器信息的采集處理、門座式起重機之間通信建立、防撞策略的執(zhí)行等。

以西門子PLC為控制核心。獲取本機傳感器數(shù)據(jù)后，PLC將本機數(shù)據(jù)發(fā)送給相;鄰的門座式起重機，同時接收相鄰門座式起重機的信息，達(dá)到數(shù)據(jù)交換的目的[2]。

建立在數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)上，本機PLC計算本機與相鄰門座式起重機的實時空間位置，運行防碰撞策略，判斷有沒有碰撞的可能。如果有則限制該方向上的動作[3]，直到危險解除后限制才解除。

1.2 信號采集系統(tǒng)

要實現(xiàn)門座式起重機之間的防撞，需要采集門座式起重機的回轉(zhuǎn)角度、大車間距、幅度這3個信息。

采用編碼器進(jìn)行回轉(zhuǎn)角度的采集[4]。由于存在累計誤差，所以設(shè)置回轉(zhuǎn)零位，每當(dāng)回轉(zhuǎn)經(jīng)過該點時，回轉(zhuǎn)角度就校準(zhǔn)一次。同時為了安全可靠，防止傳感器出現(xiàn)故障而帶來誤判，采用冗余設(shè)計的方式，即布置兩套傳感器，當(dāng)兩者采集的數(shù)據(jù)相差較大時，系統(tǒng)進(jìn)行報警，提醒用戶進(jìn)行檢查，防止發(fā)生故障而帶來隱患。

大車間距也是通過編碼器進(jìn)行采集。為了消除由于輪子打滑等因素所帶來的測量誤差，在沿途軌道邊上布置多個RFID進(jìn)行校準(zhǔn)[5]，確保采集的可靠性和精度。

由于門座式起重機在變幅過程中幅度變化是非線性的，所以幅度很難直接得到。采用在起重臂上安裝角度傳感器，測量起重臂與水平面的夾角，起重臂長乘以夾角的余弦即得到當(dāng)前的幅度。

1.3 通信系統(tǒng)

門座式起重機之間的數(shù)據(jù)交換是通過控制系統(tǒng)PLC與PLC之間的通信來實現(xiàn)的。PLC與PLC之間的通信方式很多，根據(jù)現(xiàn)場的具體情況選擇不同的通信方式。

西門子PLC與PLC之間的通信可以采用S7通信。S7通信簡單方便，只需要在一端組態(tài)即可。由于門座式起重機經(jīng)常會移動，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境比較惡劣，所以采用無線通信的方式[6]。

1.4 人機交互系統(tǒng)

門座式起重機之間的防碰撞是協(xié)助司機完成作業(yè)，采用可視化設(shè)計使司機更好地了解系統(tǒng)的整體狀況。人機交互界面分為3個部分：最上面顯示動作是否被限制，綠色表示未受限，紅色表示被限制;中間部分顯示門座式起重機的俯視圖，包括臂的位置、活動范圍、回轉(zhuǎn)中心區(qū)域;最下方則顯示門座式起重機的當(dāng)前狀態(tài)，包括回轉(zhuǎn)角度、幅度、大車間距、回轉(zhuǎn)速度等。主界面圖如圖2所示。

2? 防碰撞策略

為了敘述方便，該次研究的門座式起重機簡稱本機，相鄰門座式起重機簡稱它機。

防碰撞是指基于自身傳感器采集的本機的位置信息，結(jié)合它機的位置信息，計算本機與它機有無碰撞的可能[7]。若有則限制本機當(dāng)前動作，直到限制解除。防碰撞策略的實施包括以下5個步驟。

2.1 建立平面坐標(biāo)系

以本機回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點，大車軌道為X軸建立直角坐標(biāo)系。同理，其他門機均依此建立坐標(biāo)系[8]。坐標(biāo)系均是獨立的，即每臺門機均建立自己的坐標(biāo)系。

如圖3所示，x-O1-y為本機坐標(biāo)系，x-O2-y為它機坐標(biāo)系。

2.2 預(yù)測臂在減速時間內(nèi)每個時刻的位置

設(shè)本機減速時間為t1，最大轉(zhuǎn)速為Nmax，最大減速時間為Tmax，實時轉(zhuǎn)速為n1。它機減速時間為t2。

則t1=Tmax×n1/Nmax

設(shè)最大循環(huán)時間為T，

若t1≥t2，則T= t1;

若t1

設(shè)本機的回轉(zhuǎn)角度為θ1，角速度為w1，則在未來任一時刻t，本機的回轉(zhuǎn)角度：

若t≤t1，則：

α1=θ1+0.5×w1×t

若t>t1，則：

α1=θ1+0.5×w1×t1

2.3 計算臂與臂的交點

臂與臂相撞，抽象為數(shù)學(xué)模型就是兩條直線在某個時刻相交了，計算臂與臂的交點則轉(zhuǎn)化為計算直線與直線的交點[9]。在本機坐標(biāo)系下：

設(shè)本機臂的方程為：y=k1x;

它機臂的方程為：y=k2x+?;

如圖3所示，k1=Tan（θ1），|O1O2|為大車間距，設(shè)為D，|O2 b|為它機臂長，設(shè)為L，則k2= Tan（θ2），?=-d× Tan（θ2）。

所以，兩臂的交點的X坐標(biāo)x=?/（ k1- k2）=-d× Tan（θ2）/ （Tan（θ1）- Tan（θ2））。

2.4 判斷交點是否在交叉區(qū)域內(nèi)

實際上臂是有邊界的，所以前面計算的直線與直線的交點有可能在臂的延長線上。臂與臂實際相撞的條件是交點在兩臂上，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)就是兩臂交點的X坐標(biāo)分別在兩臂的臂尖X坐標(biāo)與臂尾X坐標(biāo)之間。

如圖3所示，O1a為本機臂，O1b為它機臂，兩機臂的交點在b點。兩機臂交點的X坐標(biāo)分別為O1d和O2d。兩機的臂尖的X坐標(biāo)分別為O1c和O2d，所以判斷兩臂相交的條件為：

|O1d|≤|O1c|，且|O2d|≤|O2d|

2.5 系統(tǒng)報警并參與控制

若交點在交叉區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，并且禁止當(dāng)前方向的動作，直到危險解除或朝相反的方向動作。

若交點不在交叉區(qū)域內(nèi)，則系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行判斷。

3? 程序框架

根據(jù)以上步驟，先計算本機和它機的減速時間，然后計算最大循環(huán)時間，在最大循環(huán)時間內(nèi)，循環(huán)計算回轉(zhuǎn)角度、兩直線的交點、判斷交點是否在線段上、進(jìn)而發(fā)出控制指令。

程序流程圖見圖4。

4? 結(jié)語

門座式起重機的防碰撞還可以延伸為與之結(jié)構(gòu)相似的臂架式起重機的防碰撞，兩者的防碰撞原理和策略相同。該文的成功應(yīng)用可解決目前港口門座式起重機依賴人工操作、自動化程度偏低的弊端，可有效提高操作的安全性和舒適性，對港口機械的發(fā)展有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

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