基于激光测距的新型仓库吊绳拉力辅助装置

文/付玉婷 王冬伟 王彦文 马磊 曹诗龙

超特高压换流站的备品备件种类繁多，很多大件的备品备件需要使用吊装设备进行搬运。但现如今国内的仓库吊装设备水平较世界的顶尖水平还存在一些差距，特别是在吊装作业安全风险防范和预控方面还存在许多的欠缺和不足。为了解决这一问题，本文将介绍一种基于激光测距的新型仓库吊绳拉力辅助监测装置，利用高精度的传感器模块对吊绳在吊装过程中的受力情况进行实时监测，实现吊装物件的实时可控性，提高仓库吊装作业的可靠性，提升仓库的安全管理水平。

1 激光测距的原理

激光的特点是高方向性、高单色性和高亮度，这一特点可实现无接触远距离测量，能够使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高。也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。

激光测距可划分为两种，第一种原理大致是光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离；第二种是以激光位移传感器原理为原理的方法的。本文运用的是用激光位移传感器原理的激光测距。按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。

如图1所示，激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。

图1：激光三角法

2 仓库吊绳拉力辅助监测装置

本文将介绍一种仓库安全智能吊装装置，该装置在不改变吊绳结构和受力的情况下，通过激光测距对吊绳在受力时的实时形变量进行精准测量，通过逻辑处理模块间接分析出吊绳的受力情况，配合无线传输在线实时获取吊绳的受力数据，同时该装置的终端设备利用无线通讯技术可实时获取吊绳上的受力信息，其内置模块能主动判别吊运过程中的安全风险并及时预警，提醒现场作业人员及时采取安全措施，减少现场作业人员反应时间，有效降低作业风险，保证人身、设备安全。

图2：仓库吊绳拉力辅助监测装置模块

图3：吊绳受力伸长示意图

图4：正常起吊l-t曲线

2.1 装置组件介绍

仓库吊绳拉力辅助监测装置主要有以下几个部分组成：激光测距模块、无线通讯模块、逻辑控制模块、声光报警模块、电池模块和终端显示设备。激光测距模块又由激光位移传感器和反光板组成。组件如图2所示。

如图2所示，反光板在吊臂与被调物件间的任意一段吊绳上，其他组件集成在距离测量模块上也一并安装吊绳上，且与反光板保持一定的距离。激光位移传感器测得的位移量与吊绳形变量相同，逻辑控制模块将吊绳形变量转换为拉力值后，一方面传输至无线通讯模块，可使终端实时显示吊绳拉力值并接受预警，另一方面逻辑控制模块将得到的拉力值与预设最大定值进行比较，若超过定值，则输出信号至所述声光报警模块，并启动声光报警，实现智能评估起吊过程中的安全风险并及时主动预警。

2.2 装置工作原理介绍

它的主要原理如图3所示。

图3为吊绳受力伸长示意图，图中黑色直线l1为吊绳（弹性系数为k1），蓝色直线l2为本设计所提的激光测距装置的初始值，该装置中配备精度极高的距离传感器，可精确测量吊绳伸长量。假设吊绳中拉力值为F1。

根据胡克定律：固体材料受力之后，材料中的应力与应变（单位变形量）之间成线性关系，满足胡克定律的材料称为线弹性或胡克型（英文Hookean）材料，即

吊绳处于拉长此时有：

式（2）中，k1,l1为固定值，l可通过激光测距传感器读取，因而可间接求得吊绳所受力F1的大小。

2.3 装置的作用

2.3.1 精准定位重心，减少试吊次数

由受力分析，正常起吊中F-t曲线应如图4所示。

由分析可知，t=t1时，吊绳中受到拉力，各吊绳合力大小小于备品重力，备品未吊起，记第i根吊绳中红外距离测量记录的l-t曲线斜率第一个转折点为

图5所示为传统试吊过程流程图与使用本装置后试吊流程对比图，由于采用受力情况分析，可避免经验带来的误差，有效提高试吊效率。

2.3.2 越限及时预警

为保证起吊平稳，起吊重心应与备品重心在同一垂线上，若起吊重心应与备品重心不在同一垂线上，备品在力矩的作用下会发生晃动，在晃动初期，晃幅较小，不易被观测，若操作人员未及时采取有效措施，备品可能因晃动幅度过大导致严重事故。

由于备品晃动可简化为往复运动，根据往复运动特性，吊绳中所受拉力将呈现周期性变化，若发现各红外测距结果开始发生周期性变化时，手持设备产生声光预警，提醒现场作业人员注意安全，可将备品起吊过程中晃动现象扼制在初期，避免事故扩大。

若起吊过程中，吊绳发生断股时，在拉力F实作用下吊绳逐渐被拉长，此时辅助测量模块测量值l实逐渐增大，此时逻辑模块监测到l实突增，迅速出口至声光报警模块，产生声光报警，警告作业人员注意安全，有效减小事故危害。

3 结论

本文所述的仓库吊绳拉力辅助测量装置可用于各类起吊作业，尤其适用于物件不规则、重心难以查找、多根吊绳起吊等复杂起吊作业。通过间接的方式测量吊装过程中的受力情况，帮助物资管理者实现仓储物流风险管控智能化。随着现代化智慧物流供应链的大力建设，企业将会越来越重视生产服务每一个环节的可视化与智能化，通过信息技术手段，让效率与可靠性均得到质的提升。未来的吊装行业，将会不断融入到整个智慧供应链中去，通过智能装置与物联网，将物品的个性化信息高效整合，提高物品运输流通环节的管控水平。