西安智慧工地之超聲波在塔機(jī)防碰撞中的應(yīng)用

 新聞資訊     |      2024-08-16 10:00
塔臂節(jié)點(diǎn)探測(cè)器設(shè)計(jì)
       探測(cè)器終端是將超聲波傳感器矩陣和一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，組成一個(gè)可以探 測(cè)周圍障礙物的具體位置的探測(cè)系統(tǒng)。如果在塔機(jī)大臂上安裝探測(cè)節(jié)點(diǎn)，就 可以探測(cè)到塔吊臂周圍的障礙物，在塔機(jī)吊臂周圍形成線性保護(hù)區(qū)。當(dāng)有障 礙物進(jìn)入吊臂周圍時(shí)，超聲波傳感器矩陣?yán)贸暡y(cè)距的方法檢測(cè)障礙物 的距離，單片機(jī)系統(tǒng)采集每個(gè)傳感器的測(cè)試信息。并通過(guò)無(wú)線通信模塊傳給 主控器。當(dāng)障礙物到塔吊臂的距離小于安全距離時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以使工作 人員及時(shí)的進(jìn)行變幅、回轉(zhuǎn)、停機(jī)等避障措施，防止碰撞的發(fā)生。 塔吊臂作業(yè)空間寬闊，需要在 360°范圍內(nèi)檢測(cè)障礙物。塔機(jī)吊臂剖面呈 等邊三角形，左右兩側(cè)最容易發(fā)生碰撞，每個(gè)探測(cè)器的范圍在 120°左右，超聲波傳感器的覆蓋范圍有限，所以探測(cè)器是由多個(gè)超聲波傳感器按矩陣排列 得到。由一個(gè) CC2430 模塊控制左右兩個(gè)探測(cè)器，圖 2-13 表示終端節(jié)點(diǎn)的結(jié) 構(gòu)圖，左右探測(cè)器與 CC2430 模塊通過(guò)接口連接。

超聲波模塊
       塔機(jī)吊臂上安裝的探測(cè)節(jié)點(diǎn)，在塔機(jī)吊臂周圍可以形成線性保護(hù)區(qū)。超聲波傳感器方便安裝，并且超聲波抗干擾能力強(qiáng)，所以用超聲波測(cè)距方法進(jìn)行塔吊防碰撞系統(tǒng)的研究有良好的發(fā)展前景。超聲波傳感器可以接收和發(fā)出超聲波，傳感器的探測(cè)范圍如圖2-14所示，超聲波呈圓錐形向外發(fā)出，根據(jù)不同的傳感器型號(hào)，探測(cè)距離不同；當(dāng)物體進(jìn)入超聲波探測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，傳感器能檢測(cè)到前方或旁邊的物體。本設(shè)計(jì)傳感器選擇大禹公司DYA-35-10A，傳感器探測(cè)范圍為10m，精度達(dá)到0.6m，超聲波感應(yīng)角度為32°要使用超聲波傳感器進(jìn)行防碰撞保護(hù)，必須加寬其檢測(cè)范圍。

       超聲波是一種利用回波測(cè)距的檢測(cè)裝置。傳感器分為接收和發(fā)出超聲波兩個(gè)部分，超聲波發(fā)射電路發(fā)出超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)碰到障礙物后反射回來(lái)，由超聲波接收電路接收。超聲波發(fā)射電路如圖2-15所示，接收電路如圖2-16所示。



        超聲波測(cè)得的距離是指二倍的傳感器到障礙物之間的長(zhǎng)度，測(cè)距原理是指從發(fā)出超聲波到接到超聲波所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，再乘以超聲波的傳播速度。即超聲波傳感器的測(cè)距公式其中c為空氣中超聲波傳播速度；k為近似為 0.5 的系數(shù)：T為時(shí)間。
D=kcT
探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于超聲波傳感器方向性強(qiáng)，形成了波束角，一般在30°左右。為了有效拓寬檢測(cè)范圍，可以將超聲波傳感器布置成陣列的形式，在“傳感器數(shù)量少，檢測(cè)范圍寬”的原則下，對(duì)傳感器檢測(cè)范圍進(jìn)行組合，形成一種探測(cè)器的結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的探測(cè)器是一種弧形十字支架結(jié)構(gòu)，在支架的四端和中間交叉點(diǎn)分別布置5個(gè)超聲波傳感器，如圖2-17中a)所示。
 
探測(cè)器的布置
       若想以塔機(jī)吊臂為中心創(chuàng)建一個(gè)10m的線性立體保護(hù)區(qū)，可以將探測(cè)器安裝在塔臂左右兩側(cè)。根據(jù)超聲波的特性，不可避免的出現(xiàn)超聲波重復(fù)覆蓋和未覆蓋區(qū)域，如果有障礙物進(jìn)入這兩個(gè)區(qū)域，會(huì)給影響系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。所以，在對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布置時(shí)，應(yīng)盡量縮小重疊區(qū)，避免盲區(qū)。圖2-18為節(jié)點(diǎn)在塔機(jī)吊臂的橫截面的布置。
 
       對(duì)于探測(cè)器在塔吊臂上的布置，要保證兩個(gè)探測(cè)器之間可以形成封閉的檢測(cè)區(qū)域，對(duì)塔吊臂進(jìn)行保護(hù)，如圖2-19，為兩個(gè)相鄰探測(cè)器之間的長(zhǎng)度，c為交點(diǎn)至超聲波傳感器的有效距離，h為交點(diǎn)距塔吊臂的垂直高度，得到a的計(jì)算公式為式(2-5)。
 
       改變安裝間距ai或探測(cè)區(qū)間錐角y的大小，相應(yīng)地改變高度h。塔吊安全規(guī)程中有要求，相鄰兩塔機(jī)的一臺(tái)吊臂頂端距另一臺(tái)的塔吊基身至少保持兩米的安全距離。所以應(yīng)保證h £ 2米。
設(shè)塔吊臂長(zhǎng)為F，那么在整個(gè)吊臂內(nèi)所要安裝的防碰撞節(jié)點(diǎn)數(shù)目n為式其中ROUND 為四舍五入取整函數(shù)。
若塔機(jī)大臂長(zhǎng)45m，平衡臂長(zhǎng)12m。對(duì)于探測(cè)器的布置在平衡臂和或者大臂應(yīng)該遵循相同的原則，應(yīng)該在吊臂上設(shè)置5個(gè)布置點(diǎn)，間距為9.6m。探測(cè)器終端節(jié)點(diǎn)的分布如圖2-20所示。
 
       塔機(jī)作業(yè)時(shí)，可以將超聲波探測(cè)器由大臂的一側(cè)向控制室方向布置，以塔機(jī)大臂作為回轉(zhuǎn)半徑，離中心越近的位置，越不容易發(fā)生碰撞。其中陰影部分為超聲波覆蓋的重復(fù)區(qū)域。按照該方式進(jìn)行吊臂上傳感器的布置，在完成布置任務(wù)的同時(shí)又達(dá)到前傳感器之間的重疊區(qū)和盲區(qū)最小的技術(shù)要求。
 
吊臂上探測(cè)器的仿真
本文所選塔吊型號(hào)為QTZ63，起重臂長(zhǎng)45m，要在塔臂上布置超聲波探測(cè)器，構(gòu)成三維空間的保護(hù)區(qū)。探測(cè)器選擇的超聲波傳感器型號(hào)是DYA-35-5A，發(fā)散角為32°，該傳感器最大探測(cè)范圍5m，傳感器直徑為65mm。采用Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算仿真。按照本文所設(shè)計(jì)的由5個(gè)傳感器構(gòu)成的探測(cè)器，測(cè)量范圍108°。在QTZ63塔吊臂上需要布置8個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)。超聲波覆蓋區(qū)域如圖 2-21(a)所示圖2-21(b)是相應(yīng)的剖面圖，保護(hù)區(qū)域從-18°到198°。另外，可以增加探測(cè)器的探測(cè)區(qū)間使探測(cè)范圍達(dá)到了146°。這時(shí)只需5個(gè)節(jié)點(diǎn)即可覆蓋整個(gè)吊臂，如圖2-21(c)，并且h只有1.38m。圖2-21(d)是相應(yīng)的剖面圖，其作用區(qū)域從-56°到236°從以上分析可以看出，如果探測(cè)器所用傳感器數(shù)量少，那么其作用范圍窄，而在整個(gè)塔吊臂上需要布置更多的節(jié)點(diǎn)。而如果要增加探測(cè)器作用范圍，那么就需要更多的傳感器，這樣所需要布置的節(jié)點(diǎn)相對(duì)減少。這需要在工程實(shí)踐中根據(jù)具體情況靈活掌握。
 
定位障礙物
       在塔機(jī)的施工區(qū)域內(nèi)有建筑物，高壓電線，學(xué)校，馬路等作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域，依照這些物體的特點(diǎn)，將障礙物大致分為角、線、面三類，使障礙物距離和位置更容易確定。隨著塔機(jī)的運(yùn)動(dòng)，障礙物與塔機(jī)的位置逐漸改變。建筑物與塔機(jī)大臂的位置關(guān)系包括2種情況。
1．在塔機(jī)回轉(zhuǎn)半徑之外，如圖2-22中位置1和位置2的障礙物。無(wú)論該塔機(jī)如何運(yùn)轉(zhuǎn)都不會(huì)有碰撞發(fā)生。但是探測(cè)器仍然探測(cè)到障礙物，可能啟動(dòng)預(yù)警，故在塔吊防碰撞系統(tǒng)中應(yīng)排除這種情況。
2．在塔臂的回轉(zhuǎn)半徑之內(nèi)檢測(cè)到障礙物，如圖2-22中，障礙物3、4、5的位置。塔吊有碰撞的可能，防碰撞的報(bào)警系統(tǒng)開始工作，提醒操作人員采取相應(yīng)的措施，防止碰撞發(fā)生。當(dāng)障礙物進(jìn)入重疊區(qū)域時(shí)，將探測(cè)器測(cè)得多余的信息進(jìn)行處理，方便障礙物進(jìn)行定位。
 
       當(dāng)障礙物4進(jìn)入測(cè)量區(qū)域，探測(cè)器測(cè)得的距離可能不是塔吊臂到障礙物的垂直距離，系統(tǒng)需要對(duì)探測(cè)器測(cè)得的距離信息進(jìn)行處理，得到垂直距離。
本文總結(jié)
       本文對(duì)塔吊防碰撞系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，首先對(duì)整個(gè)防碰撞系統(tǒng)的主控部分進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)。包括中央處理器的設(shè)計(jì)，采集模塊、顯示模塊、預(yù)警模塊、電源設(shè)備等外圍的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。接下來(lái)進(jìn)行了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，為整個(gè)防碰撞系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。最后設(shè)計(jì)了一種基于超聲波的探測(cè)器，并將探測(cè)器終端合理安裝在塔吊臂上，使超聲波信號(hào)在塔吊臂周圍形成線性保護(hù)區(qū)，并對(duì)探測(cè)器的檢測(cè)范圍做了實(shí)驗(yàn)仿真，探測(cè)器可以精確的定位塔吊臂和障礙物的位置，防止碰撞發(fā)生。
 
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