塔式起重机防碰撞系统研究与工程机械应用

张　冬　李彦明　刘成良　胡鸿彬
上海交通大学机械与动力工程学院　上海　200240

摘要：设计了一种基于ARM-STM32处理器的塔式起重机防碰撞监控系统，该系统通过初始化中建筑物的标定和系统运行过程中实时的AD采样，能监测单台塔式起重机的运行状况，从而避免其与建筑物碰撞;通过ZigBee无线通信技术，实现塔式起重机之间的信息交互，有效地预防了塔式起重机之间发生相互碰撞，对提高塔式起重机施工系统的安全性有重要的意义。

关键词：塔式起重机;ZigBee;防碰撞;监控系统

*国家863科技课题(2012AA0402803)

塔式起重机(以下简称塔机)是工程机械领域运用非常广泛的运输工具，通常用来负责高层建筑中建筑物料的水平和垂直方向的运送。在一个建筑工地中，为了提高施工效率和保证施工的质量，通常需要多台塔机协调工作。此时塔机工作系统存在2个问题:1)多台塔机工作区域存在重叠;2)塔机周围工作区域内存在固定建筑物等障碍物。因此，必须防止塔机在工作中发生系统碰撞［1－4］。

在塔机防碰撞系统的研究中，有通过GPS来实时监测塔机的具体位置来实现避障，但其精度与GPS精度有关［5，14］;有通过在塔机上安装红外线，超声波传感器来规避碰撞，但每台塔机需要多个接收和发送装置，会增加成本，且由于红外线，超声波等装置是固定的报警距离，无法动态调整报警安全值［6］;有通过ZigBee技术，利用三角形面积来计算2台塔机的最短距离，动态监测2台塔机的危险报警［7］，但缺少对塔机本体的运行分析，当塔机距离较小但反向运动时即产生错误报警信息;基于Linux防碰撞系统的设计，但只简单分析了塔臂不等高塔机的碰撞［8］，缺少对建筑物防碰撞的分析。

针对以上问题，本文设计了基于ARM-STM32 和ZigBee［9］塔机的防碰撞系统。该系统采用分布式控制方式［10］，通过对塔机角度和吊钩高度的传感器采样可以防止塔机与建筑物发生碰撞;通过ZigBee技术，塔机之间可以交互工况参数，从而计算塔机之间的危险距离，防止塔机之间的碰撞。实验表明，该系统提高塔机工作系统的安全。

1.1　分布式塔机防碰撞原理

分布式控制系统即每个监控子系统监控本台塔机的状态，群塔的监控系统则由多个独立子系统组成，其控制方式如图1所示。

对于独立子系统，处理的信息包括单台塔机的关键信息，即塔机的起重量、转角、小车幅度和吊钩高度、环境风速等信息。系统根据转角、小车幅度、吊钩高度等信息，可以预判塔机与固定建筑物的防碰撞危险程度。

图1　群塔监控系统图

对于塔机之间的碰撞，塔机通过利用ZigBee技术与其他塔机进行信息交互来判断碰撞。当某台塔机通过ZigBee得到周围存在运行干涉区域塔机的信息(包括塔机的转角、吊钩高度、机身高度、标号等信息)后，该塔机会判断与收到的塔机之间的空间距离，当距离小于安全设定值时，系统则会做出报警判断。

1.2　系统组成

该监控系统的硬件平台如图2所示。CPU是ARM-Cortex M3内核的STM32F2处理器，整个系统由电源模块、TCP/IP通信模块、人机交互模块、ZIGBEE远程通信模块、语言报警模块、AD采样模块和数据存储模块组成。

图2　硬件结构图

2.1　塔机和建筑物建模

如图3所示，塔机模型分析的主要参数有塔机旋转中心坐标、塔臂高度H、旋转角度α(正东方为旋转0°，顺时针为正方向)、小车与塔机旋转中心的距离L、吊钩与塔臂的高度h等。

对于建筑物而言，考虑的参数为建筑物的横截面和高度，且建筑物的横截面通常为不规则图形。考虑到运行安全，系统将根据建筑物截面的4个极限点坐标，定义危险横截面为扇环形，其结构如图4所示。对于阴影区域表示的建筑物1，设高度为H，其横截面的4个极限位置为A、B、C、D，由此可定义危险碰撞截面为A1、B1、C1、D1组成的扇环形。

图3　塔机模型图

图4　建筑物模型图

2.2　塔机工作空间建模

根据塔机实际工作的状况分析，建立如图5所示的工况模型。在分析中以塔机0的防碰撞系统为例，设其周围存在塔机0、1、2，建筑物0、1、2。设其高度关系为

由上可知，塔机的工作空间Q是一个圆柱形，Xx、Yx为旋转中心，Lx为臂长，Hx为塔臂高，则塔机Qx的工作空间为

对于建筑物，取建筑物1，可知建筑物的危险区域为扇环柱形。设Lb和Ld为B，D所在的半径，δ和θ为C、A的角度，此时建筑物1的空间区域为

同理可以得建筑物2、3的区域Q5和Q6。

设塔机0与其他塔机或建筑物发生碰撞的点为A，可知:A∈(Q0∩Q1)|(Q0∩Q2)|(Q0∩Q3)| (Q0∩Q4)|(Q0∩Q5)|(Q0∩Q6)，即碰撞发生在塔机0与其他物体的公共空间内。由此可知，塔机0需要防止与塔机1、2与建筑物1、2的碰撞危险，而塔机0与塔机3与建筑3不存在公共干涉区域，故不需要考虑碰撞的危险。

图5　塔机工作模型图

2.3　塔机与建筑物防碰撞策略

塔机与建筑物的碰撞主要分成2种情况:(1) H1≤H3(2)H3≤H2。

对于第一种情况，取建筑物1作为分析对象。对于塔机与建筑物的防碰撞，由于建筑物的位置无法变动，应保证塔机在转动过程中不进入建筑物1的区域。设在某一工作时刻t，塔机0和建筑物1的垂直截面如图6所示，设h为吊钩距离塔机的高度，S为安全距离。从图6可以看出，在塔机在位置1和位置2的运动过程中，保证K0和K1不进入建筑物的阴影区域即可。

图6　塔机与建筑防碰撞图

设工作时小车与旋转中心的距离为L，塔机旋转角度为φ，此时塔机发生碰撞的条件为:(H1－H3－S≤h)∩(δ≤φ≤θ+δ)∩(L1－S≤L≤L2+S)。在塔机运行过程中，系统将实时监测塔机旋转和吊钩的位置，及时产生警报信息。

同理，可以分析建筑物2的碰撞条件。

2.4　塔机与塔机防碰撞策略

塔机之间的碰撞发生在塔机的交叉空间内，其碰撞方式分为塔臂等高塔机间的碰撞和塔臂不等高塔机间的碰撞。

塔臂等高的塔机的碰撞主要指塔机塔臂间的碰撞。如图7所示，根据塔机的转速W0和W2，在碰撞区域内主要有相背运动、相对运动和同向运动等3种运动状况。

1)相背运动 2台塔机往背离对方的方向运动，可知此时塔机之间不会碰撞，系统无需采用报警处理。

2)相对运动 如图7所示，已知O0的坐标为(X0，Y0)，B点的坐标(XB，YB)为(X0+ L0cosδ，Y0+L0sinδ)，O0B直线的方程为(Y－Y0)· (X－X0)=(X0－XB)·(Y0－YB)，C点的坐标(XC，YC)为(X2+L2cosθ，Y2+L2sinθ)，由此可求C点到O0B的距离D0。同理，可求B点到O2C的距离D2。若Min(D0，D2)≤S(危险距离)，产生报警信息。

图7　塔机相对运动简图

3)同向运动如图8所示，由每台塔机的坐标和臂长可求A、D点的坐标，则可求O1A和O2D的角度。若W0≥W2，此时塔机不发生碰撞。当W0＜W2时，需比较塔机0从B点转动到A点的时间T0与塔机2从C点转动到A点的时间T2。当T0≥T2时，则在交叉区域内有碰撞可能，需要监测危险距离，并及时报警处理。

图8　塔机同向运动简图

塔臂不等高塔机间的碰撞指高位塔机的吊绳与低位塔机塔臂间的碰撞，如图9所示。当等高塔臂的碰撞条件满足时，塔机的高度满足:(L3≥14)∩(H3－H≤H4)时，2台塔机将发生碰撞危险。(www.xing528.com)

图9　不等高塔机防碰撞图

3.1　基于ZigBee的塔机防碰撞系统

ZigBee是一种短距离、低功耗、低速率的无线通信技术，满足塔机系统对数据传输的要求。在ZigBee传输网络中，每个ZigBee模块均为一个节点，节点的类型分为Coordinator和Router。Zig-Bee通讯网络的传输方式分为透明传输和点对点传输。点对点的传输方式指两个特定的ZigBee节点的通信。由于本系统设计多台塔机之间的通信，故采用透明传输，透明传输的主要特点为:Coordinator发出的数据所有Router收到;而某个Router发出的数据只有Coordinate收到，且Router可以自动加入ZigBee网络。

由前述可知，若塔机A要判断与塔机B是否会发生碰撞，必须知道塔机B的坐标，旋转角度、塔机臂长、吊钩高度，可通过ZigBee传送这些数据。在该系统中，设选取塔机0的子系统为Coordinator，而其他子系统为Router，在设置好ZigBee网络参数后，塔机会自动组网，其传输数据的格式如图10所示。

图10　ZigBee系统原理图

取上述网络中Coordinator类型塔机0，Router类型塔机1和类型Router塔机2分析数据流动过程，以实现塔机0和塔机1，塔机0和塔机2，塔机1和塔机2的相互碰撞检测，其数据传输过程如图11所示。

1)塔机1将图中信息发给塔机0，塔机0可以判断与塔机1的碰撞;

2)塔机0将塔机1的信息和自身的塔机信息发给塔机2和塔机1;

3)塔机2和塔机1接收到塔机0的信息后，塔机1可以判断和塔机0的碰撞，塔机2可以判断和塔机1和塔机0的碰撞;

4)塔机2也会将自身信息发给塔机0，同上过程，塔机0和1可以判断和塔机2的碰撞。由此完成3台塔机的防碰撞信息交互过程。同理适合多台塔机数据分析。

图11　ZogBee信息交互图

3.2　软件结构

图12为该塔机控制系统的防碰撞程序流程图。该程序通过AD采样判断与建筑物的防碰撞检测，每接收一次ZigBee数据就判断一次塔机之间的碰撞。当系统检测到塔机有危险警报时，会及时发出警报信息。

图12　程序流程图

在测试中，模拟3台塔机同时运行时的工况。首先对系统进行初始化，在初始化界面中包括建筑物的角度和高度信息。初始化完成后，从防碰撞界面可以看出塔机之间、塔机与建筑物之间的关系，从而保证塔机系统的安全。实验结果表明该塔机监控系统能高效监控塔机安全，实时显示塔机的工况信息，并在危险时产生警报信息。该监控系统能满足塔机实际工作需求，保障塔机系统施工安全。

针对建筑工地施工时群塔的防碰撞危险，文中介绍了一种基于ZigBee无线通信的塔机监控系统。通过单台塔机的AD采样和塔机之间的ZigBee无线通信，每台塔机都能监控本台塔机和建筑物的防碰撞危险和塔机之间的防碰撞危险，并对运行过程中的危险信息进行报警，这能大幅提高塔机建筑工作系统的安全。

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作者:张冬

地址:上海市闵行区东川路800号上海交通大学机动B楼213

邮编:200240

Abstract：The paper introduces an anti-collision monitoring system of the tower crane based on the ARM-STM32 processor，which can monitor the operation of a single tower crane by initializing the calibration of buildings and real-time AD sampling during the system operation to avoid any impact against buildings;with ZigBee wireless communication technology，information exchange among tower cranes is realized to effectively avoid collision between tower cranes and provide significant meaning for the safety of the construction system of the tower crane.

Keywords：tower crane;ZigBee;anti-collision;monitoring system

中图分类号：TH213.4

文献标识码：A

文章编号：1001－0785(2016)07－0047－05

收稿日期：2016－01－06