基于極坐標系下塔式起重機的遠程控制系統

虞長興，李鋒，孔佳利

（山東華宇工學院，山東 德州 253000）

0 引言

長期以來，建筑業作為國民經濟的支柱性產業，有效發揮著帶動經濟增長與促進社會就業的作用。隨著國內建筑行業的快速發展，塔吊行業也得到迅速發展。就目前的市場情況來看，塔吊行業仍存在巨大的發展潛力，國內的塔吊生產企業可以全力打造技術質量和品牌效應。塔式起重機的研發和制造對我國基礎設施的建設起到很重要的作用。塔式起重機自身所具備工作效率高、起升高度高、回轉半徑大、安裝拆卸方便等優點。所以在一些大型建設工地常通過塔式起重機群聯合作業，這對于塔式起重機的安全性和操作性提出了更為苛刻的要求。

要實現塔式起重機的遠程聯合控制、實時監控、事故分析以及壽命預測等功能就需要開發基于現代電子技術和遠程控制技術的智能化塔式起重機系統。本文通過對國內智能化塔式起重機的發展現狀進行分析，知道目前塔機的工作狀態監控是我國塔機急需解決又必須解決的課題，因此研發了一種基于極坐標系下塔式起重機的遠程控制系統，該系統不僅能夠實現對塔機工作狀態的監控，還可以實現對塔機的遠程控制。

1 總體設計方案

該系統對塔式起重機進行控制需要在傳統塔式起重機上安裝一系列傳感元件和監控設備，這些設備可通過WIFI連接或者通過藍牙連接，實現計算機終端無線遠程控制。本塔機遠程控制系統由距離傳感模塊、回轉機構的角度傳感模塊、重量傳感模塊、計算機控制臺、機載三維成像儀、單片機、攝像頭七部分組成。采用多模塊一體化設計，多項模塊協調工作。

該控制系統的具體技術路線如圖1所示。將全方位障礙物檢測獲得的施工環境三維點云數據和各模塊數據匯總輸入計算機并與以塔身為極點建立的極坐標系匹配，生成仿真施工環境實時動態圖。然后對施工環境內物體的位置進行極坐標化處理，再將這些坐標信息無線數據傳輸給計算機，使其與生成的施工環境擬合出帶有施工環境內所有物體極坐標數據的實時環境圖像。該圖像用于輔助計算機計算塔機吊鉤初末位置之間的合理路徑，同時提供塔機駕駛員高空視野。利用傳感器模塊對起重機狀態進行實時監控[1]，計算機對塔機實時參數數據分析處理，提前對塔機極限狀態預測，并提供給地面控制臺實時影像和塔機數據參數。地面控制臺從塔機的各模塊接收數據，輸入需要操作的指令，施工人員可采用按鈕式控制面板、計算機、觸摸屏或其他無線遙控設備，通過對計算機和單片機控制，調節各電機轉向和轉速，控制變幅小車的移動和塔機平衡臂回轉、吊鉤的升降，實現塔式起重機的遠程控制。

圖1 塔機遠程控制設計圖

2 系統組成

系統主要包括改造后的塔式起重機、計算機、單片機、操作手柄、測量模塊、無線數據傳輸模塊及全方位障礙物檢測模塊。

2.1 改造后的塔式起重機

改造后的塔式起重機概念如圖2所示。為了消除駕駛員高空作業時存在的安全隱患，采用對塔式起重機進行遠程控制的方式替代駕駛員高空作業。塔式起重機的遠程控制原理是通過塔機上安裝的各種傳感元件獲取的塔機吊鉤位置坐標與計算機建立的極坐標環境進行匹配，實現吊鉤精確定位，利用計算機數據分析生成合理的吊鉤運動軌跡。所以在塔式起重機變幅小車上安裝超聲波測距傳感器1，該傳感器用于發射和接收超聲波。于同一水平面上的塔機回轉中心處安裝反射平板2，超聲波測距傳感器1向反射平板2發射超聲波，經過反射平板反射超聲波，超聲波測距傳感器1接收到反射的超聲波并記錄從發射超聲波到接受到反射波之間的時間差△t，ρ=v聲△t/2從而獲取變幅小車到塔機回轉中心的距離。在塔機回轉中心處安裝無接觸角度傳感器6用于測量平衡臂的旋轉角度，無接觸角度傳感器6的轉子轉動使磁場發生變化，變化的磁場被磁敏元件感知并通過電子儀器轉換成電信號發送給上位機，上位機識別電信號轉換成角度信息θ。在吊鉤和變幅小車位置安裝拉力傳感器用于測量被吊運物料的重量F1和F2，這兩個數據用于計算塔機工作狀態的力矩等參數，并在塔身、平衡臂及吊鉤等位置安裝監控夜視攝像儀5保證塔機工作時視野充足。圖中3和4均表示齒輪，構成回轉機構，用來為平衡臂旋轉進行傳動。

圖2 改造后的塔式起重機概念圖

2.2 測量模塊

該測量模塊采用超聲波測距和無接觸角度傳感器和拉力傳感器。

超聲波測距模塊用于測量變幅小車到回轉中心（極點）的距離。超聲波測距模塊安裝在變幅小車上朝向塔身，超聲波發射器向塔身方向發射超聲波，在超聲波發射時刻開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到塔身反射平板就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時（超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距塔身中心反射板的距離ρ，即ρ=340t/2）?；?9C51單片機的超聲波測距傳感器原理如圖3所示。該系統由單片機定時器、超聲波傳感器、接受處理電路和顯示電路四部分組成。工作過程是先開機，然后單片機復位，然后編程好了的單片機發出10個40 kHz的脈沖信號給到超聲波傳感器，使超聲波傳感器發射第一個超聲波，并于同時開始計時，一直到超聲波傳感器接收到第一個反射波脈沖瞬間計時停止[2]。根據聲波在空氣介質中的傳播速度和時間間隔△t代入計算公式得到被測距離，被測距離電信號傳輸給上位機。

圖3 超聲波測距原理圖

無接觸角度傳感裝置用于測量回轉臂與設定虛擬極坐標軸之間的夾角θ，安裝在塔身回轉中心。無接觸角度傳感器是根據磁敏原理，轉動端放置一個磁路發生裝置，當中心轉軸轉動時磁場方向發生改變，使固定在線路板上的磁敏元件被電子儀器識別的電壓或電流信號傳輸給上位機。

由于起重機在使用的過程中需要起吊不同質量的重物，因此就需要配備一套拉力傳感器系統對起吊重物進行實時監控，以便對當前工作狀況作出判斷，如正常起重狀態、滿載狀態、超載狀態等等。拉力傳感器含有力敏器件和兩個拉力傳遞部分，彈性元件在被調運物料的重力下產生彈性變形，使電阻應變片產生變形，由于電阻應變片變形后阻值發生變化，經過測量電路把阻值變化轉換為電壓或電流，從而傳輸給上位機。

2.3 無線數據傳輸模塊

無線數據傳輸模塊主要作用是將各個測量模塊的數據傳輸到計算機。采用WIFI或者藍牙連接進行無線開關控制。同時進行無線模擬量采集，以便于計算機將測量數據顯示在建立的三維點云數據中。以WIFI連接為例，該模塊需要在控制塔機運行的單片機上安裝WIFI芯片，驅動芯片然后與計算機PC聯入同一局域網（路由器），通過對單片機和計算機終端編寫Socket程序實現計算機與單片機上WIFI芯片建立信息交流[3]。各種傳感器與信號轉換模塊連接將收到的數據轉換成二進制語言通過WiFi傳輸給計算機PC。

2.4 全方位障礙物檢測模塊

該模塊需要掃描目標空間內所有的物體輪廓特征信息并作為RTF深度網絡對空間內圖像的所有場景進行描邊檢測，獲得空間中障礙物（或物料）的位置信息；然后通過單線激光對獲取的障礙物（或物料）區域進行深度測量并得到各位置點的極坐標，其中包括測量目標深度和獲得多幀融合的深度圖，將原始障礙物的平面信息與獲得的深度圖像進行匹配融合，并建立目標的三維點云模型[4]。隨著施工場景的不斷變化，進而不斷的生成實時的三維點云模型，之后傳輸給計算機終端。

3 結語

塔式起重機作為建筑行業重要的機械設備，其安全使用的狀況將直接影響工程的進度。目前我國塔機性能基本處于發達國家20世紀末的機械水平，而且采用的設計方法還是傳統的許用應力法，這種方法與國外已經采用的極限狀態法和近期采用的概率設計法相比，無論在設計參數取值和安全系數選取上均與實際情況有較大出入[5]。而且我國生產的塔機的零部件、元器件和整機的故障率較高，可靠性和安全性差，壽命短。面對日益殘酷的市場競爭，國內塔機企業需要在科學前沿和戰略高技術領域占有一席之地，才能在未來嚴峻的市場競爭中立于不敗之地。

通過對不同類型施工現場實地考察發現傳統塔式起重機高空作業方式對高空視野要求不是很高，例如大型塔吊駕駛室高度可達100 m以上，能夠獲取的視野不夠清晰，對于視野盲區內的重物調運則全靠對講機指揮。該系統的設計將控制倉轉移至地面，能夠有效保證塔吊駕駛人的安全。通過三維點云數據匹配出的仿真施工環境動態圖，以及攝像頭和安全預警程序三方位保證對塔機遠程控制安全運行，平穩高效且安全的實現建筑塔吊的精準運行控制，保障了單個塔吊和塔吊群的施工作業安全，減小事故發生的概率。塔式起重機的遠程控制與傳統起重機高空作業相比，能有效地節省駕駛員與信號員之間60%的信息交流時間，消除70%因駕駛員與信號員溝通有誤帶來的安全隱患，有效提高20%夜間生產效率。同時，可以實現更便捷的操作，既保證操作員和建筑設備施工安全，又簡化了操作工序，節省很多的時間，提高了工作效率。