一種塔機防碰撞系統免調試技術

摘要：傳統塔機的防碰撞系統參數設置復雜，易用性差，且控制精度差。提出一種免調試防碰撞系統，通過引入差分精確定位和激光雷達點云數據處理技術，自動識別塔機位置和塔機安裝尺寸，達到即插即用，立塔后免調試的目的。同時由于激光雷達的引入，該防碰撞系統的控制精度、控制性能、控制功能均得到大幅度提高。

關鍵詞：塔機；免調試防碰撞；激光雷達；RTK精確定位

基金項目：湖南省科技創新計劃項目：10000噸米級超大型塔式起重機及其關鍵技術研究與示范應用，項目編號：2021GK1060。

1 塔機放碰撞系統概述

塔式起重機（簡稱塔機）是建筑工地上廣泛使用的物料運輸機械。由于工地施工情況復雜（圖1），在多臺塔機作業的工地，可能發生塔機與塔機之間碰撞、塔機與工地建筑物之間碰撞、塔機與樹木/架空電線碰撞，以及塔機與工地其他移動施工機械碰撞的風險。

傳統塔機防碰撞系統，需要在立塔前配置塔機的各種結構參數；典型的塔機防碰撞系統需要輸入下述塔機結構參數才能正常工作，如下圖2、圖3、圖4所示。

單臺塔機需要輸入的結構參數有十多項，傳統塔機防碰撞系統不僅要輸入自身的結構參數，還要輸入周圍干涉塔機的結構參數，假設周邊有4臺干涉塔機，則合計需要輸入約50個參數，這種參數設置的復雜性使得傳統防碰撞系統的實用性和可推廣性受到限制。

如果同一工地的每臺塔機都各自輸入自身結構參數，然后通過無線通訊方式把自身結構參數發送給干涉塔機，則每臺塔機的防碰撞輸入參數就可以簡化到十多項，從而大幅度提高防碰撞系統的實用性。中聯重科的塔機防碰撞系統目前采用這種方式。

塔機自身結構參數在出廠前已知，出廠前固化到塔機控制器中即可，例如平衡臂寬度、平衡重尺寸、標準節截面尺寸、標準節高度、起重臂寬度/高度等等。但仍然有一些防碰撞系統參數是必須現場立塔后才能確定的，例如鋼絲下垂量、立塔基礎高度、塔機高度等參數，需要現場測定；塔機坐標也需要查看工地CAD圖紙獲取，如圖5所示，編號1到7的參數都需要工地立塔后才能確定。

而且現有塔機防碰撞系統只根據鄰塔坐標和結構尺寸信息進行防碰撞，沒有根據鄰塔的運行速度、貨物尺寸、起重臂實時位置等動態信息進行精確防碰撞預測的能力。

2 技術原理

本文的技術方案通過增加RTK定位和激光雷達掃描來解決上文所述防碰撞系統應用的痛點問題。該方案能夠自動測量工地立塔相關結構參數，無需人工測量和輸入；能夠實現吊鉤貨物跨越障礙物和低塔運行；能夠提高防碰撞系統的預警和停止距離精度；能夠實現吊物離地前自動預警減速；能夠識別工地上的移動施工機械等等，有著更好的智能化效果。

2.1 塔機自動組網

2022年，中聯重科通過群塔自組網和云平臺管理等數字化技術，把一臺塔機的防碰撞系統參數設置由原來需要人工輸入50多個參數，簡化到只需要人工輸入7個參數，極大地提高了群塔防碰撞系統的實用性（圖5）。該防碰撞系統的群塔自組網架構如圖6所示。

然而2022年開發的群塔防碰撞系統仍然存在如下缺點：①還有7個參數需要人工輸入（圖6）。②需要使用工地CAD圖紙，用“CAD看圖王”等軟件看圖并轉換坐標單位。③防碰撞距離識別精度較差，預警和停止點距離真正的碰撞點太遠。④無法識別吊鉤高度，無法精確跨越障礙物。⑤無法識別貨物尺寸，無法精確跨越障礙物。⑥不能識別工地上的移動機械。

2.2 塔機自動定位

本系統通過在控制系統內置RTK定位裝置實現塔機自動定位。該定位裝置同時存入塔機的編號、位置坐標、結構尺寸、運行位置、運行速度等物理參數，并通過無線通訊裝置，把塔機自身編號、位置坐標、結構尺寸、運動速度、運行位置等信息自動傳遞給相鄰塔機，使塔機作業區域被限制在安全區間，避免相互之間發生碰撞。

2.3 立塔尺寸自動識別

本系統通過增加激光雷達，實現立塔尺寸自動識別。在塔機上安裝兩個激光雷達掃描裝置（圖7），用于：①獲取塔機貨物高度。②獲取鋼絲繩下垂量。③獲取起重臂長度。④識別吊鉤高度、塔機高度、貨物輪廓，提高防碰撞系統控制精度，使防碰撞系統能跨越障礙物運行。⑤檢測貨物是否即將觸地，以便提前預警、自動減速。⑥探測闖入塔機作業區的移動障礙物并避開。

3 實驗驗證

采用本技術方案后，圖8中打紅色“×”的七個參數將由碰撞系統自動獲取，不再需要調試人員手動輸入。

激光雷達掃描的作業環境如圖9左圖，能夠從雷達點云中分割出地面和其他障礙物，識別吊鉤、鋼絲繩、起重臂、貨物等，從而自動計算相關參數。

圖9右圖顯示了塔機根據掃描到的點云，避開了場景中的其他工程機械，實現跨越障礙物運行的情況。

4 結束語

采用本文免調試技術的塔機防碰撞系統，具備下述性能：①塔機識別自身位置坐標，精確到厘米級，相關參數自動識別，無需人工輸入。②塔機通過無線通訊，把自身的編號、位置坐標、結構尺寸、運行位置、運行速度等信息廣播出去，相鄰塔機能彼此獲取上述信息，用來相互避讓，防止碰撞。③通過激光雷達掃描作業環境，實時獲取現場信息，從而跨越障礙物，提高防碰撞精度。

相比當前市場上的防碰撞系統，本技術實現的提高點在易用性和安全性方面包括：①防碰撞系統免調試；②提高防碰撞控制精度，減小避讓距離。③跨越障礙物運行。④吊鉤觸地檢測并提前減速。④能夠避讓工地常規移動機械設備。