塔機防碰撞控制算法研究

章 紅 ，梅 健 ，盧 揚 ，高鈺敏

(1．江漢大學物理與信息工程學院，湖北武漢430056;2．宜昌市微特電子設備有限責任公司，湖北宜昌443000)

0 引 言

隨著經濟的飛速發展、城鎮一體化進程的不斷加快，各式各樣現代建筑層出不窮。塔式起重設備(以下簡稱塔機)在現代化建筑施工過程中的作用越來越明顯，已經成為施工企業裝備水平的標志性重要裝備之一。為了提高工作效率，塔機日益向大型化、高速化、智能一體化方向發展［1-2］。但是由于塔機自身原因和多臺塔機協調工作問題，易造成安全事故。據統計，全國每年發生塔機傾翻碰撞事故近百起，并且近年來重大事故逐年攀升，給國家和人們帶來了重大損失。在許多發達國家，塔吊安全防碰撞系統裝置已普遍使用，塔群監控管理技術已經較為成熟［3］。在國內，塔吊群防碰撞系統日益受到施工單位以及學術界的重點關注。目前從事塔機防碰撞算法研究的企業主要是西安建筑科技大學、中國建筑科學院、南京航空航天大學、浙江工業大學、武漢大學等。這些研究單位提出的設計方案主要是基于單臺塔機的監控系統研究［4］，基于Linux 的塔機監控數據采集與無線通信研究［5-6］，浙江工業大學提出的塔機群防避讓算法［7］，武漢大學利用GPS 定位塔機，從而得知塔機的具體工作位置，整個塔機群通過無線組網完成信息的收集和處理，進而做出避讓控制策略［8］。但是，這些設計基本上都是給出了算法設計的思路，在算法實現方面并沒有給出具體設計流程。

本次研究以一臺塔機終端為核心，采用坐標定位思想，通過無線通信方式確定塔機之間的相互位置關系，最終確定防碰撞算法設計思想并采用模塊化設計，塔機操作人員在監控界面上能夠清楚地看到當前塔機的工作狀態、以及塔機之間的相對位置狀態，當塔機進入危險區域時，能及時給出報警信息，并緊急制動。

1 塔機防碰撞算法的設計思路

以一臺塔機為中心，在塔機工作過程中可能出現的碰撞情況主要有兩大類:一類是塔機與周圍障礙物之間的碰撞，另一類是塔機之間的碰撞。所謂障礙物就是指在施工現場周圍的建筑物、街道、高壓電網等。對于塔機和障礙物之間的碰撞，可以采用區域設定的方式，用多邊形表示禁止工作區間，在塔機工作過程中禁止其進入這些區域，避免與障礙物發生碰撞，造成巨大的財產損失［9-11］。這種設定在塔機工作之初，根據施工現場情況就可以確定，因此在實時算法中只需要判定是否超越極限位置就可以避免這種碰撞發生;塔機之間的碰撞，就需要根據塔機操作的實時狀態進行計算和分析判斷，最終確定是否有碰撞的趨勢，而給出操作警告。塔機之間的碰撞可分為塔機臂之間的碰撞、塔機臂與吊繩之間的碰撞、塔機臂與標準節之間的碰撞。下面就塔機之間的防碰撞設計做具體闡述。

1．1 塔機定位的參數設定和兩臺塔機相對位置分析

防碰撞算法的設計從兩臺塔機碰撞的情況入手，設A、B 為兩臺塔機，其自身參數設置如圖1 所示。

圖1 塔機自身參數示意圖

對兩臺塔機之間的相對位置從垂直方向分析有如圖2 所示的4 種情況，水平方向分析最終可簡化為圖3 所示的5 種情況。

圖2 兩塔機相對位置示意圖(以高度分類)

圖3 兩塔機在水平位置的相對關系

1．2 塔機出現碰撞的各種情況分析

本研究根據圖3 所示的兩塔機在水平方向的相對位置關系，將判斷兩塔機是否會發生碰撞的問題轉化為判斷兩塔機標準節之間的距離和前后臂長度以及它們組合之間的關系的大小問題。

水平方向根據前后臂長組合有以下4 種分類:

兩臺塔機標準節之間的距離為:

如圖3 所示，圖3(a)顯示兩塔機分離，屬于不會出現兩塔機相碰撞的情況;圖3(b)中兩塔機標準節間的距離小于兩塔機前臂長度之和，但大于兩塔機前、后臂之和，在這種情況下僅會出現兩塔機前臂相碰撞的情況;圖3(c)中兩塔機標準節間的距離大于兩后臂長之和，但小于兩塔機前后臂長之和，因此在這種情況下可能出現兩臺塔機前臂之間、前臂與后臂之間碰撞的情況;圖3(d)中兩臺塔機標準節間的距離小于其中一臺塔機的前臂長度，且前臂長的塔機前臂長度小于該塔機后臂與另一臺塔機前臂之和，這時不僅可能出現圖3(c)的情況，還可能出現長前臂塔機與另一臺塔機的標準節碰撞的情況;圖3(e)中兩臺塔機標準節間的距離小于其中一臺塔機的前臂長度，且前臂長的塔機前臂長度大于該塔機后臂與另一臺塔機前臂之和，這時會出現長前臂的塔機的前臂與另外一臺塔機的前臂或者后臂出現碰撞的情況。

2 塔機防碰撞算法的軟件實現

防碰撞算法的軟件設計總體流程如圖4 所示。該流程主要包括塔機監控系統的啟動和初始化工作，即主要完成本塔機相關參數的輸入和工作區域位置信息的獲取等。

圖4 防碰撞算法的軟件設計總體流程

在完成上述工作的基礎上重點就是設計塔機的防碰撞算法部分。這部分工作大致可以分為3 個步驟:第一，判斷是否會出現碰撞;第二，在有可能出現碰撞的情況下，確定塔機之間出現碰撞的極限位置;第三，實時檢測塔機的工作狀態，當其中一臺塔機進入極限位置則給出防碰撞預警信息。其中，防碰撞的判斷依據是兩臺塔機標準節間的距離與兩塔機前臂之和的關系;兩塔機碰撞極限位置的計算則是依據先水平方向后垂直方向的原則進行極限位置的計算;最后通過實時監測塔機的位置變化，與極限位置進行比較，給出防碰撞預警信號。

水平方向碰撞類型判斷與極限位置求取流程和按塔機高度原則判斷的防碰撞控制流程如圖5、圖6所示。

圖5 水平方向碰撞類型判斷與極限位置求取流程圖

圖6 按塔機高度原則判斷的防碰撞控制流程

依據上述設計思路，本研究采用C 語言以模塊化的設計思想進行防碰撞算法的設計，整個程序主要包括塔機相對位置判定、塔機水平方向類型判定，塔機垂直方向類型判定、塔機碰撞區域極限角度的求取、塔機碰撞情況檢測以及塔機防碰撞制動響應等模塊。該設計采用一套統一的入口參數設置模式，方便其他用戶調用該算法。

3 防碰撞算法測試實驗及結果分析

程序的測試分兩個部分，首先在VC 環境下，對各個模塊子程序進行測試，均能達到設計的要求，然后將防碰撞算法嵌入塔機監控系統進行測試。測試實驗結果說明，該防碰撞算法可以對兩臺塔機之間的可能出現的碰撞情況做出準確判斷，并能及時給出預警和緊急制動。

3．1 基于各個模塊子程序的測試

3．1．1 塔機群水平類型判定的調試

程序功能說明:判斷所屬的可能出現的碰撞類型。

輸入:主塔機A 坐標(x1，y1)，從塔機B 坐標(x2，y2);

主塔機前臂長度或后臂長度，從塔機前臂長度或后臂長度;

輸出:水平方向長度類型Length;

參數值:主塔機坐標A(10 m，20 m)，前臂長L1_A=8，后臂長L2_A=3 m，主塔機坐標B(13 m，29 m)前臂長L1_B=7 m，后臂長L2_B=2 m;

兩臺塔機位置關系滿足圖3(c)，測試結果顯示符合長度類型為Length=4，與預期分析結果一致。

3．1．2 前臂與前臂防碰撞極限角度區域調試

程序功能說明:根據當前位置計算兩塔機前臂可能出現碰撞的臨界值。

輸入:主塔機A 坐標(x1，y1)，從塔機B 坐標(x2，y2);

主塔機前臂長度或后臂長度，從塔機前臂長度或后臂長度;

輸出:全局變量角度極限angle_min_1 和angle_max_1;

參數值:主塔機坐標A(10 m，20 m)，前臂長L1_A=8 m，后臂長L2_A =3 m，從塔機坐標B(13 m，29 m)，前臂長L1_B=7 m，后臂長L2_B=2 m;

期望值:∠EAD =72°，∠EAC =24°，∠EAH =119°得到的實際值結果為:

∠EAC=24．015 09°，∠EAH=119．118 408°

說明實際值與期望值基本吻合，能達到預期效果。

3．1．3 主塔機(高吊)與從塔機碰撞判定函數調試

程序功能:進行防碰撞判斷，并給出碰撞情況標記。

輸入:主塔機A 坐標(x1，y1)，從塔機B 坐標(x2，y2);塔機A 和塔機B 的高度H1和H2以及塔吊A 下放高度H3;塔吊A 的旋轉角度angle;

輸出:碰撞標志位flag，∠ABC 以及d;

參數值:如圖5 所示，主塔機坐標A(10 m，20 m)，前臂長L1_A=8 m，后臂長L2_A=3 m;

主塔機坐標B(13 m，29 m)，

前臂長L1_B=7 m，后臂長L2_B=2 m;

塔機A 和塔機B 的高度H1和H2以及塔吊A

下放高度H3:H1=40 m，H2=30m，H3=20m;

塔吊A 的實時旋轉角度angle =45°，A 塔吊小車從標準節行走的水平距離L3=1．5，程序判斷結果與實際情況一致。

3．2 嵌入監控系統的測試

該算法設計的目的就是希望在塔機監控系統中能及時準確確定塔機的位置，并通過防碰撞算法及時給出碰撞預警信息，適當的時候能對塔機進行緊急制動避免嚴重碰撞事故的發生。防碰撞監控系統監控界面如圖7 所示。通過測試證明該算法能對塔機碰撞情況做出準確的判斷。

圖7 防碰撞監控系統監控界面

4 結束語

該算法是以一臺塔機為中心，通過分析其他工作塔機與它的相對位置關系來判斷塔機碰撞出現的可能性，并及時進行預警。在防碰撞算法設計過程中，首先全面分析相鄰塔機與中心塔機的相對位置關系，再逐步簡化，最終綜合得到5 種塔機相對位置關系，在此基礎上設計算法程序對各種碰撞區域進行分析判斷，設計監控界面方便操作員和遠程管理者實時了解施工現場的塔機工作情況，為起重設備的安全工作提供良好的保障。

隨著現代工業技術的不斷發展和現代化建設的需要，未來的施工現場會出現多臺塔機協同工作情況，針對塔機群體的任務調度和群防群控，以及模擬運行將是主要的研究方向。本研究為塔機相對位置關系的計算提供了方法，為后期建立塔機群體的任務調度策略提供了依據，同時監控界面的設計為塔機群體協調工作的仿真設計做了良好的嘗試，從而奠定了進一步研究的基礎。

致 謝

感謝宜昌微特電子設備責任有限公司為塔機防碰撞算法研究提供良好的設計與調試平臺，并在技術和現場測試方面給予的大力支持。

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