摘要：起重机在建筑与运输行业被广泛使用，但涉及起重机吊装作业过程的工业事故却频发。为减少因操作不当造成的起重机事故，人们从技术层面做了不懈努力。为防止起吊过载，在起重机上安装力矩限制器，当起吊重量超过额定负荷时，起重机告警并采取相应保护措施。为防止在吊装过程中起重机与作业区的物体发生碰撞，人们从吊装过程中的实时控制进行了研究。本文分析了虚拟墙的汽车起重机吊装防碰撞技术。
关键词：虚拟墙；汽车起重机吊装；防碰撞技术；
起重机械作为特种设备的重要组成部分之一，被广泛应用在工业场所。在一些大型的船厂、港口等场所，起重机更是被密集的使用。在许多使用场合，同层多台吊车作业比较普遍，也有上下两层、甚至上下三层吊车作业的场所。这些设备在使用的过程中相互交替作业，而司机往往专注于被吊重物的运行，故起重机之间的安全距离很难得到有效的保证。
一、起重机防撞系统的结构
放射型，由发射器、接收器、控制器和反射板组成。发射器、接收器、控制器安装在同一轨道的一台起重机上，反射板安装在相邻的另一台起重机上。发射器发出检测波，经反射板反射给接收器，经过比较分析，把相应的数据传送给控制器进行计算，然后输出相应的功能。直射型，检测信号不经过反射板反射的统称为直射型。主要有以下三种：一是接收式。这种型式的接收器和控制器安装在防碰主体上，特制的光源或者发射器安装在防碰客体上。当防碰主体运行到规定距离时，就会接收到防碰客体上发出的信号，从而使防碰主体实施规定的防碰功能。二是能动反射式。这种型式的发射接收器同时安装在防碰主体和防碰客体上。安装在防碰客体上的称为能动反射器，其结构与安装在防碰主体上的发射接收器有所不同。发射接收器定期发出检测波，能动反射器在规定距离接收到检测波后，立即发回应答信号，发射接收器收到应答信号进行处理后，送控制器对防碰主体实施保护。三是互控式。这种型式的构成与能动反射式相同，只是在能动反射器上增加了控制防碰客体的输出回路，在规定距离能同时执行两台吊车的防碰功能。
二、虚拟墙的汽车起重机吊装防碰撞技术
1.建立吊装作业虚拟墙。为避免在吊装作业过程中吊臂与障碍物发生碰撞，就需要得到吊臂在当前状态下可活动（伸缩臂、左右回转、上下变幅）空间的边界值，虚拟墙体，即吊臂只要在这些虚拟墙体所限定区域内活动，就能避免与障碍物发生碰撞。一是吊臂伸臂虚拟墙。吊臂在不同转角与仰角的位置下，可伸臂的最大长度是不同的，因此，需要确定吊臂在某一位置下可伸最大臂长。设吊臂当前位置的仰角，转角，臂末端距回转中心O 距离为m，车身高度为n。说明臂头在此位置可以活动，判断下一个位置，直到该条件不成立或运算结束。吊臂在不同转角与仰角下的最大可伸臂长，形成转角、仰角与最大可伸臂长。二是吊臂回转虚拟墙。吊臂回转时，通常臂长与仰角保持不变。设吊臂当前状态下转角、仰角、臂长，左回转，则下一个回转角，为回转步进角，仰角与最大可伸臂长数据表，得到在转角、仰角下的最大可伸臂长。同理令右回转的下一个转角就可得到可右回转的范围。三是吊臂变幅虚拟墙。吊臂变幅时，通常臂长与转角保持不变。设吊臂当前状态转角、仰角、臂长，若上变幅，设下一个仰角查最大可伸臂长数据表，得到在转角，臂长状态下可上变幅范围。
2.防碰装置。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆超声波防碰装置是利用回波原理，测出起重机之间或起重机与止挡之间的距离，当起重机进入规定范围时，发出停止信号，切断运行电源，使起重机停止前进，以实现安全保护。该装置由防撞检测器、控制盒及反射板等组成。检测器一般安装在一台起重机上，反射板安装在另一台起重机（或止挡）的相应位置上。控制盒安装在操作室内检测器由两个内置的陶瓷换能器构成，其中一个发射超声波脉冲，另一个接收被反射回来的超声波脉冲。当反射体进入离超声波换能器以内，就能检测出该物体。这种装置同样可以用于防止不同层起重机运行碰撞。不同层起重机并不是在所有的情况下都需防撞，只有当起重机进入危险区时才需要防碰撞。每台起重机需备用两套装置，即超声波发射器和反射器。发射波和反射波采用不同的频率，避免发生器接收到自己信号的反射波。报警距离为8m ～12m，制动距离为6m～8m。建立起重机圆柱坐标系，将作业区分成不同的扇区与扇格，可准确记录作业区环境数据，并依此数据可生成吊臂伸缩、变幅与回转三维虚拟墙。一台起重机工作时，因本身既有发射器又有接收器，而相邻的起重机已装配了反射板，故只需开启工作的那台起重机的防碰装置，即可获得良好的效果。
3.吊装作业实时防碰撞策略。依据吊臂当前运动轨迹，对下一时刻吊臂运动趋势和位置做出预测，根据预测值执行相应的防碰撞控制策略。为了既能防止吊臂与障碍物发生碰撞，又能保证控制过程柔性平滑，将控制区分为正常区、减速警告区、微动控制区与禁止区。一是吊臂运动趋势预测模型。将吊臂动作分为伸臂、缩臂、上变幅、下变幅、左回转、右回转与静止七种状态。循环记录吊臂最近20个时刻（间隔时间为0.2 s）的位置信息，由于吊臂运动惯性，采用加权线性回归模型来预测吊臂动作。例如对20 个臂长数据进行拟合，通过拟合直线的斜率判断吊臂伸缩臂动作，并预测下一时刻臂长。同理通过数据可判断左右回转动作及下一时刻的回转角度，通过数据可判断上下变幅动作及下一时刻变幅角度。若三个预测值都变化微小时，说明吊臂处于静止状态。二是吊臂运动控制策略。当前时刻吊臂位置参数为转角、仰角与臂长，若吊臂运动趋势预测模型预测吊臂为伸臂动作则查询转角、仰角与最大可伸臂长三维虚拟墙数据，不向吊装控制器发送任何指令。向吊装控制器发送限速50%指令，操作显示屏进行慢闪图像告警。吊装控制器收到该指令后，把控制手柄上控制电流减少一半送伸缩主泵变量控制阀。若为减速警告区，向吊装控制器发送限速25%指令，操作显示屏进行快闪图像告警。控制器收到该指令后，把控制手柄上控制电流减少四分之三送伸缩主泵变量控制阀。若2m 为微动控制区，向吊装控制器发送限速10%指令，操作显示屏进行快闪图像告警，并伴随声音告警。控制器收到该指令后，把控制手柄上控制电流减少到十分之一送伸缩主泵变量控制阀。若为禁止控制区，由于伸缩主泵存在惯性，向吊装控制器发送停止伸臂指令，操作显示屏进行快闪图像告警，并伴随急促声音告警。控制器收到该指令后，切断送往伸缩主泵变量控制阀电流。如果预测为缩臂动作，则按用户操作的缩臂速度进行缩臂，不向控制器发送任何指令。同理，如果预测出是变幅或回转动作，分别查询上下变幅或左右回转三维虚拟墙数据表，采用不同阈值，进行正常区、减速警告区、微动区与禁止区的控制。如果是复合动作，则分别依次按上述控制原理进行控制即可。
建立障碍物分类模型，采用起重机吊臂臂头自主探测学习的方式，可以准确采集作业区障碍物外形与位置信息，不增加起重机成本。实际作业环境下的功能测试表明，所开发的系统能有效防止吊臂与作业区障碍物发生碰撞。
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论文作者:张鹤
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/4
标签：吊臂论文; 起重机论文; 仰角论文; 反射论文; 控制器论文; 转角论文; 接收器论文; 《基层建设》2017年第36期论文;