一種自動跟隨顯示系統在輪式起重機上的應用

張玉鳳，吳云霞，竇耀，張靜宇

（江蘇師范大學科文學院，江蘇 徐州 221132）

輪式起重機在進行起重作業時，操作人員要時刻關注吊重物的實時位置，又需要對力限器參數及其他作業參數進行實時監控，如吊重量、角度、幅度、力矩百分比等。這些參數通常由安放在操縱室前的儀表臺進行指示，而被吊物體通常由低處吊至高處，當被吊物體在高處時，操作者要反復抬頭看被吊物體，低頭看顯示器，目光要在被吊物體和顯示器之間來回切換，容易造成操作者作業疲勞，同時在抬頭期間作業參數不能實施監控，會遺漏掉監控參數，存在安全風險。因此對吊裝過程重要信息的顯示方式進行優化是非常有必要的。抬頭顯示系統（Head Up Display，平視顯示器）作為一種安全、高效的駕駛輔助系統已被廣泛應用于航空及汽車領域。將抬頭顯示系統應用于輪式起重機，將吊裝過程的重要參數信息投射到操縱室前玻璃上，并根據吊重物的實時位置，進行自動跟隨顯示可以有效地解決上述問題，提升吊裝過程的舒適性和安全性。

1 系統總體構架

為了實現自動跟隨的抬頭顯示功能，本系統設計由傳感器部分、控制器部分、抬頭顯示部分構成，如圖1所示。其中傳感器部分主要是對起重機和吊裝物的狀態進行采集，包括當前伸臂長度、伸臂角度、鋼絲繩的長度。控制器部分將根據算法對當前吊重物的位置進行計算，并根據吊重物的位置給出當前抬頭顯示的位置信息。抬頭顯示部分能夠將起重機的重要參數在前擋風窗進行顯示，同時能夠根據控制器給出的位置信息，調整投射顯示的角度，確保參數的顯示在吊重物的同一位置，使操作人員可以同時看到顯示的信息和吊重物。

圖1 系統總體構架

汽車上通常有懸掛式和儀表臺式；懸掛式優勢在于適配性強，直接安裝在遮陽板上。儀表臺式：優勢在于可視角度略低于視線的平視，對駕駛干擾較小，同時安裝成本也很低，本設計為了能夠實現跟隨顯示的功能，采用懸掛式方案：在操縱室上方預留合適的位置安裝光機，利用前擋風玻璃進行顯示，光機照射的角度，課通過控制電機進行實時調整，抬頭顯示部分采用CAN通訊與主屏幕進行通信。抬頭顯示采用應用廣泛的DLP技術，選用TI公司為抬頭顯示系統專門設計的DLP3000-Q1芯片組。

2 傳感器模塊設計

傳感器模塊主要是檢測目前起重機吊裝作業，通能通過傳感器的信息反映出當前吊重物所在位置，為HUD投射角度α計算做準備,其中α為HUD安裝位置與吊鉤連線與水平面的夾角。根據對吊重物位置的計算需求，本傳感器模塊所需要的傳感器包含以下3種，如圖2所示。

圖2 所需傳感器

伸臂長度傳感器：用于檢測伸臂長度L；伸臂角度傳感器：用于檢測伸臂方向與水平面的夾角β；卷揚編碼器：用于檢測卷揚旋轉圈數，從而計算出鋼絲繩總共放出的長度S。

3 控制器部分

控制器主要是采集上述三種傳感器信號，并由控制器進行幾何計算，得到HUD投射角度α。根據鋼絲繩總共放出的長度S、臂長L、吊臂角度β及倍率N,計算角度α，如圖3所示。

圖3 起重機簡圖

L1為伸臂臂頭到吊鉤的垂直距離，計算公式為L1=(S-L)/N。

L3為吊鉤到HUD安裝位置水平面的垂直距離，L3=L·sinβ-L1。

L2為吊臂長度L在水平面的投影距離，L2=L·cosβ。

根據三角幾何關系得到HUD投射角度α，α=arctan（L3/L2）。

4 HUD抬頭顯示部分

起重機操縱室內的顯示信息主要包括3類：起重機運行狀態、力限器信息、報警預警信息。起重機運行狀態主要包括當前的起重機的主要狀態的指示信息，包括發動機轉速，伸臂長度、變幅的角度、主泵壓力等；力限器信息主要是有力矩限制控制器實時計算的吊裝信息，其中包括：當前的實際吊重量、額定吊重量、力矩百分比等；報警預警信息是起重機作業過程中的一些警示和預警信息，包括由車身各控制器給的錯誤代碼和關鍵零部件故障的報警信息。

起重機在執行吊裝作業時，最重要的信息就是力限器信息，HUD抬頭顯示部分包含固定支架，旋轉電機，HUD顯示主機三個部分,如圖4所示。根據計算得到的HUD投射角度α，設定旋轉電機的旋轉角度，控制器控制旋轉電機帶動HUD主機進行旋轉，使HUD投射方向朝向吊鉤方向，從而使得投射玻璃上的信息可以跟隨吊重物體進行調整，操作者可以實時監控作業參數，避免了低頭過程。

圖4 HUD抬頭顯示部分

5 結語

本文針對輪式起重機人機交互系統中，引入HUD抬頭顯示系統，并根據重物的實際位置，設計了HUD顯示跟隨系統，既解決了起重機操作人員低頭查看顯示器的安全隱患及疲勞痛點，又提升了起重機產品的人機交互系統及控制系統的智能化，在實際應用中有非常深遠的意義。