基于极坐标系下塔式起重机的远程控制系统

虞长兴，李锋，孔佳利

（山东华宇工学院，山东 德州 253000）

0 引言

长期以来，建筑业作为国民经济的支柱性产业，有效发挥着带动经济增长与促进社会就业的作用。随着国内建筑行业的快速发展，塔吊行业也得到迅速发展。就目前的市场情况来看，塔吊行业仍存在巨大的发展潜力，国内的塔吊生产企业可以全力打造技术质量和品牌效应。塔式起重机的研发和制造对我国基础设施的建设起到很重要的作用。塔式起重机自身所具备工作效率高、起升高度高、回转半径大、安装拆卸方便等优点。所以在一些大型建设工地常通过塔式起重机群联合作业，这对于塔式起重机的安全性和操作性提出了更为苛刻的要求。

要实现塔式起重机的远程联合控制、实时监控、事故分析以及寿命预测等功能就需要开发基于现代电子技术和远程控制技术的智能化塔式起重机系统。本文通过对国内智能化塔式起重机的发展现状进行分析，知道目前塔机的工作状态监控是我国塔机急需解决又必须解决的课题，因此研发了一种基于极坐标系下塔式起重机的远程控制系统，该系统不仅能够实现对塔机工作状态的监控，还可以实现对塔机的远程控制。

1 总体设计方案

该系统对塔式起重机进行控制需要在传统塔式起重机上安装一系列传感元件和监控设备，这些设备可通过WIFI连接或者通过蓝牙连接，实现计算机终端无线远程控制。本塔机远程控制系统由距离传感模块、回转机构的角度传感模块、重量传感模块、计算机控制台、机载三维成像仪、单片机、摄像头七部分组成。采用多模块一体化设计，多项模块协调工作。

该控制系统的具体技术路线如图1所示。将全方位障碍物检测获得的施工环境三维点云数据和各模块数据汇总输入计算机并与以塔身为极点建立的极坐标系匹配，生成仿真施工环境实时动态图。然后对施工环境内物体的位置进行极坐标化处理，再将这些坐标信息无线数据传输给计算机，使其与生成的施工环境拟合出带有施工环境内所有物体极坐标数据的实时环境图像。该图像用于辅助计算机计算塔机吊钩初末位置之间的合理路径，同时提供塔机驾驶员高空视野。利用传感器模块对起重机状态进行实时监控[1]，计算机对塔机实时参数数据分析处理，提前对塔机极限状态预测，并提供给地面控制台实时影像和塔机数据参数。地面控制台从塔机的各模块接收数据，输入需要操作的指令，施工人员可采用按钮式控制面板、计算机、触摸屏或其他无线遥控设备，通过对计算机和单片机控制，调节各电机转向和转速，控制变幅小车的移动和塔机平衡臂回转、吊钩的升降，实现塔式起重机的远程控制。

图1 塔机远程控制设计图

2 系统组成

系统主要包括改造后的塔式起重机、计算机、单片机、操作手柄、测量模块、无线数据传输模块及全方位障碍物检测模块。

2.1 改造后的塔式起重机

改造后的塔式起重机概念如图2所示。为了消除驾驶员高空作业时存在的安全隐患，采用对塔式起重机进行远程控制的方式替代驾驶员高空作业。塔式起重机的远程控制原理是通过塔机上安装的各种传感元件获取的塔机吊钩位置坐标与计算机建立的极坐标环境进行匹配，实现吊钩精确定位，利用计算机数据分析生成合理的吊钩运动轨迹。所以在塔式起重机变幅小车上安装超声波测距传感器1，该传感器用于发射和接收超声波。于同一水平面上的塔机回转中心处安装反射平板2，超声波测距传感器1向反射平板2发射超声波，经过反射平板反射超声波，超声波测距传感器1接收到反射的超声波并记录从发射超声波到接受到反射波之间的时间差△t，ρ=v声△t/2从而获取变幅小车到塔机回转中心的距离。在塔机回转中心处安装无接触角度传感器6用于测量平衡臂的旋转角度，无接触角度传感器6的转子转动使磁场发生变化，变化的磁场被磁敏元件感知并通过电子仪器转换成电信号发送给上位机，上位机识别电信号转换成角度信息θ。在吊钩和变幅小车位置安装拉力传感器用于测量被吊运物料的重量F1和F2，这两个数据用于计算塔机工作状态的力矩等参数，并在塔身、平衡臂及吊钩等位置安装监控夜视摄像仪5保证塔机工作时视野充足。图中3和4均表示齿轮，构成回转机构，用来为平衡臂旋转进行传动。

图2 改造后的塔式起重机概念图

2.2 测量模块

该测量模块采用超声波测距和无接触角度传感器和拉力传感器。

超声波测距模块用于测量变幅小车到回转中心（极点）的距离。超声波测距模块安装在变幅小车上朝向塔身，超声波发射器向塔身方向发射超声波，在超声波发射时刻开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到塔身反射平板就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时（超声波在空气中的传播速度为340 m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距塔身中心反射板的距离ρ，即ρ=340t/2）。基于89C51单片机的超声波测距传感器原理如图3所示。该系统由单片机定时器、超声波传感器、接受处理电路和显示电路四部分组成。工作过程是先开机，然后单片机复位，然后编程好了的单片机发出10个40 kHz的脉冲信号给到超声波传感器，使超声波传感器发射第一个超声波，并于同时开始计时，一直到超声波传感器接收到第一个反射波脉冲瞬间计时停止[2]。根据声波在空气介质中的传播速度和时间间隔△t代入计算公式得到被测距离，被测距离电信号传输给上位机。

图3 超声波测距原理图

无接触角度传感装置用于测量回转臂与设定虚拟极坐标轴之间的夹角θ，安装在塔身回转中心。无接触角度传感器是根据磁敏原理，转动端放置一个磁路发生装置，当中心转轴转动时磁场方向发生改变，使固定在线路板上的磁敏元件被电子仪器识别的电压或电流信号传输给上位机。

由于起重机在使用的过程中需要起吊不同质量的重物，因此就需要配备一套拉力传感器系统对起吊重物进行实时监控，以便对当前工作状况作出判断，如正常起重状态、满载状态、超载状态等等。拉力传感器含有力敏器件和两个拉力传递部分，弹性元件在被调运物料的重力下产生弹性变形，使电阻应变片产生变形，由于电阻应变片变形后阻值发生变化，经过测量电路把阻值变化转换为电压或电流，从而传输给上位机。

2.3 无线数据传输模块

无线数据传输模块主要作用是将各个测量模块的数据传输到计算机。采用WIFI或者蓝牙连接进行无线开关控制。同时进行无线模拟量采集，以便于计算机将测量数据显示在建立的三维点云数据中。以WIFI连接为例，该模块需要在控制塔机运行的单片机上安装WIFI芯片，驱动芯片然后与计算机PC联入同一局域网（路由器），通过对单片机和计算机终端编写Socket程序实现计算机与单片机上WIFI芯片建立信息交流[3]。各种传感器与信号转换模块连接将收到的数据转换成二进制语言通过WiFi传输给计算机PC。

2.4 全方位障碍物检测模块

该模块需要扫描目标空间内所有的物体轮廓特征信息并作为RTF深度网络对空间内图像的所有场景进行描边检测，获得空间中障碍物（或物料）的位置信息；然后通过单线激光对获取的障碍物（或物料）区域进行深度测量并得到各位置点的极坐标，其中包括测量目标深度和获得多帧融合的深度图，将原始障碍物的平面信息与获得的深度图像进行匹配融合，并建立目标的三维点云模型[4]。随着施工场景的不断变化，进而不断的生成实时的三维点云模型，之后传输给计算机终端。

3 结语

塔式起重机作为建筑行业重要的机械设备，其安全使用的状况将直接影响工程的进度。目前我国塔机性能基本处于发达国家20世纪末的机械水平，而且采用的设计方法还是传统的许用应力法，这种方法与国外已经采用的极限状态法和近期采用的概率设计法相比，无论在设计参数取值和安全系数选取上均与实际情况有较大出入[5]。而且我国生产的塔机的零部件、元器件和整机的故障率较高，可靠性和安全性差，寿命短。面对日益残酷的市场竞争，国内塔机企业需要在科学前沿和战略高技术领域占有一席之地，才能在未来严峻的市场竞争中立于不败之地。

通过对不同类型施工现场实地考察发现传统塔式起重机高空作业方式对高空视野要求不是很高，例如大型塔吊驾驶室高度可达100 m以上，能够获取的视野不够清晰，对于视野盲区内的重物调运则全靠对讲机指挥。该系统的设计将控制仓转移至地面，能够有效保证塔吊驾驶人的安全。通过三维点云数据匹配出的仿真施工环境动态图，以及摄像头和安全预警程序三方位保证对塔机远程控制安全运行，平稳高效且安全的实现建筑塔吊的精准运行控制，保障了单个塔吊和塔吊群的施工作业安全，减小事故发生的概率。塔式起重机的远程控制与传统起重机高空作业相比，能有效地节省驾驶员与信号员之间60%的信息交流时间，消除70%因驾驶员与信号员沟通有误带来的安全隐患，有效提高20%夜间生产效率。同时，可以实现更便捷的操作，既保证操作员和建筑设备施工安全，又简化了操作工序，节省很多的时间，提高了工作效率。