基于ZigBee技術的塔機群防碰撞控制系統

楊 輝，周文海，劉海龍

（1. 華東交通大學 電氣與電子工程學院，南昌 330013；2. 江西省先進控制與優化重點實驗室，南昌 330013）

0 引言

隨著建筑業的快速發展，建筑施工機械——塔式起重機（簡稱塔機）的應用越來越廣泛。同時，為提高作業效率，在同一建筑施工現場經常需要同時布置多臺塔機近距離交叉作業[1]，這樣塔機與塔機之間、塔機與周圍固定障礙物之間就有可能發生碰撞，這給塔機的安全、高效運行帶來種種隱患，因此對塔機群防碰撞控制系統的研究具有重要意義。

針對塔機群防碰撞系統設計，文獻[2]提出了通過比較兩臺塔機吊重到各自中心距離之和與兩臺塔機回轉中心之間距離的關系來判斷塔機是否有碰撞危險。實際上當高位塔機吊重到其中心的距離與低位塔機吊臂之和大于兩臺塔機回轉中心之間的距離時塔機就有碰撞危險。文獻[3]提出的基于超聲傳感器和Kalman濾波的塔機群防碰撞算法，然而超聲波測距適用于在塔機相距比較近時，塔機相距遠了誤差就會比較大。且在塔機吊臂上布置傳感器時，會出現重疊區或盲區，降低了數據的有效性及實時性，進入盲區后塔機有可能發生碰撞。

ZigBee作為一種短距離的雙向無線通信技術，具有低功耗、低復雜度及低成本等特點。基于此，本文采用無線通訊ZigBee技術實現塔機群狀態信息的交互，建立塔機群控模型和防碰撞運行控制算法，實現了主動防碰撞。采用自主進入與自主退出技術，滿足了大型建筑工程塔機群協同交叉作業的需要，提高了塔機的工作效率和安全性。

1 系統方案設計和硬件平臺搭建

本系統采用分布式控制模式，每臺塔機控制器都是一個獨立的監控子系統，各個監控子系統無主從之分。每個監控子系統分別獲取自身塔機的幾何參數包括塔機機型、塔身高度、坐標位置，再根據本塔機周圍障礙物的幾何參數和本塔機的運行狀態信息，就可設計本塔機與固定障礙物的防碰撞算法。通過無線通訊網絡可獲取相關塔機的幾何參數和實時運行信息，并建立塔機群控模型，就可設計塔機與塔機之間的防碰撞運行控制算法，得到塔機的控制決策。塔機群防碰撞控制系統的分布式結構如圖1所示。

圖1 塔機群防碰撞系統的分布式結構圖

在這種分布式結構中，整個系統的防碰撞任務被分散到各個塔機監控子系統中，各個監控子系統選擇有利于自己局部利益的控制決策，決策的制定和任務的執行表現出并行的特點，這種并行處理機制大大提高了問題求解效率[4]。由于在分布式結構中每個監控子系統都需要進行數據交互、邏輯分析與控制，這樣不僅計算量巨大，而且影響了系統的實時性。因此，在程序初始化時將那些彼此不會發生干涉的塔機、障礙物排除在計算循環之外，這樣可以大大提高系統運行效率。

監控子系統硬件平臺以ARM9微處理器為核心，由信號采集處理模塊、無線通訊ZigBee模塊、報警系統、數據存儲模塊、輸出控制模塊和人機交互模塊[5]組成，如圖2所示。

圖2 防碰撞監控子系統硬件框圖

本系統主要是采集塔機吊重高度、回轉、幅度等參數，然后進行A/D轉換、數據處理、信息交互、防碰撞運算、輸出預警等操作，實現對各塔機的在線監測。

2 無線通訊ZigBee技術組網通訊

2.1 ZigBee協議棧

ZigBee協議棧包括IEEE802.15.4和ZigBee聯盟定義，如圖3所示。

圖3 ZigBee協議棧

IEEE802.15.4是IEEE確定的低速率無線個人局域網標準。這個標準定義了物理層(Physical layer)和介質訪問控制層(Medium Access Control layer)[6]。物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務。介質訪問控制層負責處理所有的物理無線信道訪問，并產生網絡信號和同步信號；支持PAN連接和分離，提供兩個對等MAC實體之間可靠地鏈路。

ZigBee聯盟定義了網絡安全層和應用層。網絡安全層主要用于WPAN的組網連接、數據管理以及網絡安全等；應用層主要為實際應用提供一些應用框架模型等，以便對其進行開發應用。

2.2 無線通訊ZigBee模塊組網方式

塔機群防碰撞無線通訊網絡組網采用的是動態路由結合網狀拓撲結構。動態路由就是指網絡中數據傳輸的路徑并不是預先設定的，而是傳輸數據前通過對網絡當時可利用的所有路徑進行搜索，系統會自動選擇一個最方便最快速的方案來完成網絡數據信息的傳輸。ZigBee網絡節點組網方式采用點對點網絡拓撲結構，如圖4所示，每個ZigBee網絡至少需要一個FFD實現網絡協調功能，終端設備可以是RFD用來降低系統成本。

圖4 點對點網狀拓撲結構圖

每個塔機監控子系統都是一個獨立的網絡節點，各個監控子系統根據約定好的協議向無線網絡中發送含自身塔機編號、吊重高度、幅度、回轉、吊臂長、坐標、塔身高度等防碰撞所需信息。同時各個塔機監控子系統會接收無線網絡中的信息，并判斷是不是傳送給自己的信息，若是的話就可以進行信息的接收。由于塔機現場作業時擺放順序具有隨機性，且數量有增減，所以在配置ZigBee模塊時采用路由設備類型和廣播發送模式，當系統中任意一個塔機節點失效、移動位置或增減塔機數量，無線通訊網絡能自動愈合重新組網[7]。

2.3 無線通訊ZigBee收發數據

無線通訊ZigBee模塊實際就相當于一個無線串口，為了提高運行效率，系統采用多線程同步方式，有效避免多線程阻塞及沖突問題。在實驗里用串口調試助手模擬兩個模塊的通訊狀態如圖5所示。由于串口收發是以十六進制的形式進行，而實際過程中塔機的運行參數有些會精確到小數點后面，所以我們一律將要傳送的塔機運行參數乘以100，再轉換成十六進制發送。我們以接收到的一組數據進行分析：FF FF 02 01 13 88 26 48 27 10 27 10 05 9B 09 2A 5C 0F 00。其中FF FF是起始碼，后面的分別表示自身塔機ID是02號，發送方塔機ID是01號，塔機1的塔身高度為50，臂長98，坐標為（100，100），吊重高度14.35，實時幅度23.46，回轉角度235.67。

圖5 實驗室里模擬兩個模塊的通訊狀態

3 塔機群建模和防碰撞算法設計

根據現場實際情況，選取最佳位置的一臺塔機作為參考原點，建立直角坐標系，確保所有塔機均在第一象限內，各塔機中心相對于參考原點的X，Y軸距離即為該塔機的坐標。選取塔臂為高度的參考零點，這樣在塔身往上加標準節時程序中就不用修改高度的參考零點了。一般以正北方向為角度的基準零度，小車在最小幅度時為幅度零點。這樣建立的坐標系就可將系統中需要計算的距離所涉及到的點、線、面轉化到了二維坐標系中。

在塔機運行過程中，實際工況可能比較復雜，特別是當同一施工工地有多臺塔機同時交叉作業時，避免塔機可能發生的碰撞就顯得尤為重要。塔機可能發生的碰撞主要分兩種：第一種類型是防止塔機與塔機之間的相互碰撞，第二種類型是防止塔機與周圍固定障礙物的碰撞。

第一種類型是防止塔機與塔機之間的碰撞，如圖6中塔機1和塔機2在交叉區域可能發生的碰撞。主要包括兩個方面：塔機高度相同時起重臂之間的碰撞、塔機高度不同時高位塔機的起升繩或吊鉤與低位塔機起重臂之間的碰撞。塔機與塔機之間防碰撞算法設計分四部分：1）是對交叉區域的圈定。如圖6所示兩塔機的吊臂臂長分別為r1和r2。根據兩臺塔機的坐標，可以求出塔機中心的距離d和q1，根據余弦定理可求出q2，這樣就可以得到兩個夾逼角度q1-q2和q1＋q2，當塔機1的角度大于q1-q2小于q1＋q2時就說明塔機1進入了交叉區域。2）是兩塔機高度幅度方向上的防碰撞。如圖7所示TC1是高位塔機，TC2是低位塔機，若滿足L1+r2>d且h1

圖6 塔機群中任意兩臺塔機運行俯視示意圖

圖7 高低位塔機在高度幅度方向上的防碰撞

根據式(1)可求出三角形BCD的面積S，由式(2)可求出TC1吊臂頂點B到TC2吊臂CD的垂直距離。用同樣的方法可求出TC2吊臂頂點到TC1吊臂的垂直距離，取小者為兩塔機相距的最小垂直距離。4)就是比較一下這個最小垂直距離和設定的塔機群防碰撞安全距離的關系。當兩塔機都進入交叉區域且高度幅度方向上標記危險了，這時當兩塔機相距的最小垂直距離小于塔機防碰撞安全距離時就認為有發生碰撞的可能，并輸出相應控制決策。反之，則認為塔機運行安全，具體流程如圖8(a)。

圖8 塔機防碰撞流程圖

第二種類型是防止塔機與周圍固定障礙物的碰撞，如圖6中塔機1和固定障礙物之間可能發生的碰撞。塔機與周圍固定障礙物的防碰撞算法設計首先要對固定障礙物進行一定程度的簡化，在其周圍加上一定的裕量后等效為方型結構。根據(x3, y3)， (x4, y4)可求出固定障礙物的區域?，在現場還可以量出固定障礙物所占變幅L1和L2。當障礙物高度高于塔機高度時，進入固定障礙物的區域?就有碰撞危險了。當障礙物高度低于塔機高度時，塔機同時滿足進入固定障礙物的區域?、幅度在L1和L2之間、吊重高度小于障礙物高度時才有碰撞危險。其它情況都能安全運行，具體流程如圖8(b)所示。

4 現場測試結果

我們在某工地安裝了三臺塔機群防碰撞監控子系統，工地現場如圖9所示，三臺塔機近距離矗立， 彼此都有交叉區域，周圍還有固定障礙物。監控子系統界面如圖10所示，三角扇形為交叉區域弧形扇形為障礙物區域，當塔機有碰撞危險時，都能及時報警處理。經過現場測試，跟其它的防碰撞系統相比本系統的優勢就是最大限度的加大了群塔近距離交叉作業的區域。本系統計算了相關兩塔機吊臂對地運動后在同一平面上的垂直距離，當該距離大于防碰撞安全距離且無碰撞可能時塔機都能安全運行，使塔機運行更加靈活，提高了塔機的工作效率和安全性。

圖9 某工地三臺塔機交叉作業實際工況圖

圖10 塔機群防碰撞監控子系統界面

5 結束語

本文針對在同一建筑施工現場的多臺塔機近距離交叉作業時可能發生的碰撞，設計開發了一種基于ZigBee技術的塔機群防碰撞控制系統。通過塔機群運行狀態信息的交互，建立了塔機群控模型和防碰撞運行控制算法。現場測試表明該系統能有效的防止塔機與塔機之間和塔機與周圍障礙物之間的碰撞，在確保塔機安全運行的同時，有效的提高了塔機群的工作效率，具有良好的市場前景。

[1] 楊清泉, 劉春林. 塔機防碰撞及工作區域限制技術[J]. 建筑機械, 2004, (07): 78-80.

[2] 劉曉勝, 周進. 塔機運行的關鍵控制算法研究[J]. 科學技術與工程, 2010, 10 (24): 5889-5895.

[3] 張亞磊, 段志善. 基于超聲傳感器和Kalman濾波的塔式起重機防碰撞研究[J]. 起重運輸機械, 2010, (10): 31-34.

[4] 陳幫, 張洪濤. 基于嵌入式Linux的塔機群防碰撞控制系統[J].機電工程, 2011, (3): 346-348.

[5] 楊輝, 劉海龍, 高子潔. 基于ARM9及WinCE6.0的塔機安全監控系統[J]. 計算機測量與控制, 2012, (1): 78-80.

[6] 楊福寶. 基于ZigBee無線傳感器網絡節點的研究[J]. 制造業自動化, 2011, 33 (10): 85-88.

[7] 鄭夕健, 宋爭艷, 謝正義, 費燁. 基于ZigBee的塔機群控無線通信系統實驗研究[J]. 機械工程與自動化, 2010,(5): 1-3.