大屏幕液晶塔机控制仪软件系统开发

随着建筑业的迅速发展，建筑施工规模的扩大和自动化程度的提高，塔式起重机在现代化建筑施工过程中应用越来越广，作用愈来愈大。现代建筑业施工对于塔机的依赖程度逐日剧增，为提高施工效率，塔机间交叉作业频繁，而多塔机协同作业面临的一个必须重视的问题就是干涉问题，如何避免塔机间的碰撞成为一个不能忽视的课题。本文以塔机群防碰撞问题为背景，提出了基于塔机集群实时发送并接收本身参数，研究了塔机群防碰撞算法，从而构成一个完整的塔机群安全监控软件系统。该研究具有重要的实际工程应用价值。

【关键词】塔机 防碰撞区域 无线

1 课题的背景

随着我国经济的快速发展和城市建设规模的不断加大，大型工程和群体工程越来越多，多台塔机相互配合不仅大大提高了建设速度，缩短了施工周期，而且取得了巨大的经济效益，但事故发生率也逐步走高。未来的城市建设发展趋势是塔机应用越来越多，建筑物也越来越密集，施工现场的塔机布设密度必将越来越大，但由于塔机各自独立工作，相互之问缺少联系和制约，为追求建设效率，塔吊间交叉作业频繁，建设环境复杂，无法完全避免高压线楼宇等障碍处于工作区，这使得塔吊群防碰撞技术成为当今建筑施工的必须和社会关注的焦点。

2 主要芯片的选择和性能

DSP器件是一种具有高速运算能力的单片机。从应用角度上看，DSP器件是运算密集型的，而单片机是事务密集型的。从性能上看，DSP比单片机具有更高的性能。严格的说，ARM不是单片机，是一个嵌入式的实时操作系统。但从应用角度上看，ARM是单片机的扩展，是适合于需要嵌入式操作系统的系统复杂度较大的高级产品。

单片机作为塔机监控系统远程终端的主控制器，考虑的因素很多，既要做到成本低，还要完全满足性能上的需要，从上面三种常应用于远程终端的单片机来看，前W77E58单片机和PIC18F8525单片机两种单片机性能上比AVR的要弱，并且价格上也没有优势，因此ATmega64是本文首选的远程监控终端的主控制器。

3 ICCAVR编译器和AVR Studio集成开发环境介绍

3.1 ICCAVR编译器简介

ICCAVR编译器是一种使用ANSI标准C语言来开发AVR系列MCU程序的一个很好的C编译器工具，它有以下几个主要特点：

（1）ICCAVR是一个综合了编译器和工程管理器的集成工作环境（IDE），是一个纯32 Bit的程序，能直接生成INTEL.HEX格式的烧录文件和符合AVR Studio的调试文件COFF格式。

（2）源文件全部组织到工程之中，文件的编辑和工程的构筑也在IDE的环境中完成。编制完程序后可以模拟程序过程，对编程芯片进行初始化处理，能模拟程序运行过程中I/O、定时器、中断、内存等的状态，实现程序功能再现。

3.2 AVR Studio集成开发环境介绍

AVR Studio可以在Windows 9x/Me/NT/2000/XP操作系统下运行，具有编写、编译汇编工程项目；使用STK500、JTAG或JTAG mkll下载；仿真调试AVR应用程序的嵌入式开发环境（IDE）。TMEL AVR Studio集成开发环境（IDE） ，包括了AVR Assembler编译器、AVR Studio调试功能、AVR Prog串行、并行下载功能和JTAG ICE仿真等功能。

4 系统主要模块功能与程序设计

4.1 传感器标定模块

该模块用于将传感器采集到的参数值转换成带有量纲的实际物理量。

传感器可以将被测物理量转换为相应的电信号或光信号，这些信号不具有实际物理意义。在实际检测系统中，必须建立传感器输出信号与实际被测物理量之间的变换关系，将不具有物理意义的信号转换为有量纲的数据才能进一步运算和控制。

本系统采用的各类传感器特性均为线性的，因此在标定时，利用线性标定方程y=kx+b，其中x为传感器采样值，k、b为标定系数，y为实际采样的各物理量的真实值。系统采用两点标定法来确定各传感器的标定系数。

4.2 实时数据采集模块

该模块把采集到数据存入缓冲区，供后续处理模块采用。

在塔吊防碰撞控制系统中，由于对塔吊的各个物理量采集所选用的传感器不同，在对于各个节点信号采样中，有模拟量信号，又有数字量信号。对于不同的信号，在采样中的实现方法也有所不同。

4.2.1 数字量采集处理函数

本系统中吊钩高度传感器、小车变幅幅度传感器如采用增量式旋转编码器，转角传感器采用绝对式旋转编码器，其对系统的输入均为数字量。这两种旋转编码器的计数均通过硬件实现，软件设计只需从相应的计数地址读出计数值。

4.2.2 模拟量采集处理函数

本系统采用查询方式实现模拟量信号A/D转换处理，当CS5513 芯片内部自动完成数据转换之后，将SDO引脚拉低，然后就可以在软件中读取数据，当这个管脚为低时说明数据采集完毕，然后就调用程序读数据了。

当一个转换周期结束时，转换字存放于输出寄存器中，此时若CS 为高电平，则 SDO 保持高阻状态；若CS 为低电平，则 SDO 将下降为低电平，并在 24个SCLK 脉冲周期结束后输出一个完整的 24 位转换字。当转换字读取结束后，SDO返回到高电平。当 SDO 下降为低电平后，如果用户不读取转换字，那么在下一个转换字有效之前，SDO 将上升 17 个振荡时钟周期，然后再下降为低电平以表示新的一次转换完成。

4.3 实时数据处理模块

主要包括起重重量和起重力矩监测、防碰撞控制算法等。该模块用于把缓冲区中的数据进行转化，并根据预存现场塔式起重机静态信息和实时通讯得来的其它塔式起重机数据进行力矩监测和防碰撞计算，得出控制量数值。

4.4 实时输出模块 （声光报警等）

根据实时数据处理结果，通过输出控制PLC或继电器的通断，控制电机的运行状态，实现防碰撞的目的，并用声光报警提示用户。

4.5 实时通讯模块

塔机之间的信息以及到总监控台之间有数据上的实时传输，才能避免塔机之间的碰撞，便于管理，也能实时了解相互的工作情况。所以我们选择通讯模块。相对于有线模块来说，无线的更加可靠安全。所以我们选择无线的GPRS模块。

4.6 数据存储模块

SD卡是一种容量大、性价比高、体积小、访问接口简单的存储卡，且还具有低功耗、非易失性、保存数据无需消耗能量等特点。在塔机黑匣子中，选用SD 卡用来进行数据存储。SD 卡通过SPI 总线可以方便地与单片机ATmega64 进行连接。一方面可以在系统上随时查询显示历史数据，另一方面也可以取下在计算机上进行数据回放与分析。

5 塔机群系统建模及其防碰撞运算

5.1 塔机群碰撞问题的构成（以双塔机为例）

为了进行防碰撞计算，每个塔机必须知道自己的实时数据（如塔机转角、小车变幅、高度、风速等）以及周边的其他塔机的实时参数，因此，每个塔机控制器必须实时检测自己的状态，同时同一个塔群中所有塔机必须进行实时通讯，知道所有与自己相关的塔机状态，然后，将自己信息与相关塔机信息进行交换从而进行防碰撞计算，当本塔机与其他任意一个塔机有碰撞可能时，控制系统将报警或控制本机的相关运动。

高度不同的两塔机碰撞可能只有两种：高位塔机的吊绳与低位塔机的前臂发生碰撞；高位塔机的塔机与低位塔机的塔臂发生碰撞。而高度相同的两塔机碰撞只有一种可能，即塔臂与塔臂之间的碰撞，如前臂与前臂之间的碰撞或后臂与后臂之间的碰撞。

5.2 塔机群防碰撞模型的建立（以双塔机为例）

根据上文双塔机碰撞情况的分析讨论，双塔机协同作业的防碰撞计算实际上是一个空间几何问题。因此，如何建立双塔机防碰撞系统的空间模型，是防止双塔机之间碰撞首先需要解决的问题。

5.3 防碰撞算法

根据塔机碰撞方式以及其模型特点，我们将塔机的防碰撞算法分为传统防碰撞算法和智能防碰撞算法。传统算法作为系统安全的最低保障，每当双塔机之间有发生碰撞的可能时，则立刻使一台塔机退出交叉区，直至另一台塔机完全通过交叉区为止。该方法计算简单，容易操作理解，但是效率不高，当出现塔机群协同作业时，会大大的降低施工速度，影响施工效率，从而增加了施工时间，提高了施工成本。

5.3.1 处于不同高度的塔机群防碰撞算法研究（以双塔机为例）

不同高度的运算主要是高度差与运行区域的交叉为主，所以4种情况是一样的，就以高塔机的吊绳与低塔机的前臂之间的碰撞为主要研究对象，进行分析。

结合塔机的特点，可以发现塔机吊绳投射到水平面是一个点，塔机塔臂投射到水平面上是一条线段。高塔机吊绳与低塔机前臂之间的碰撞最终可以转化为同一平面内一点到一条线段的最短距离的求值问题。

5.3.2 等高的双塔机防碰撞算法研究

等高塔机的塔臂之间的碰撞可以转化为同一平面内两点之间的最短距离的求值问题，即两塔臂端点之间的最短距离。

当塔臂1的端点投射到地面的坐标为（L1·cosα+X1，L2·sinα+Y1）塔臂2的端点投射到地面的坐标为（L2·cosβ+X2，L2·sinβ+Y2 ），则两端点之间的距离为：

d= 式（4-8）

当两端点的距离d小于其安全距离时，两塔臂之间有发生碰撞的可能。

当两端点的距离d小于其安全距离时，两塔臂之间有发生碰撞的可能。

当判断双塔机有可能发生碰撞时，为了不影响双塔机的回转运动以及施工效率，我们应采取智能算法较为合适。假定塔机2先进入作业交叉区，则应在塔机1进入作业交叉区之前控制使其停止运行，停止时间为塔机1进入作业交叉区与塔机2完全退出作业交叉区的差值，即t=T1in−T2out 。

6 防碰撞系统仿真及软件抗干扰分析

6.1 系统仿真

通过MATLAB软件来对双塔机防碰撞系统进行调试与仿真。MATLAB是矩阵实验室的简称，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级计算语言和交互式环境。

首先先确定施工地点的参考坐标系，原点坐标为（0，0），塔机1在参考坐标系中的坐标（X1，Y1）为（50，100），塔机2在参考系中的坐标（X2，Y2）为（120，100），安全距离设为2 米。

运行MATLAB软件程序，结果显示塔机1的吊绳与塔机2的前臂不存在碰撞可能性，本实验结果表明两塔机不存在作业交叉区，故不会发生碰撞。

通过以上实验数据和结果表明，该防碰撞系统可以对碰撞情况进行准确预测，提高系统运行的效率，从而加快施工速度，提高施工效率。

6.2 干扰分析及软件措施

影响监控系统的可靠性、稳定性的主要因素来自监控系统内部和外部的各种干扰。其对系统影响主要表现在以下几个方面。

（1）数据采集误差增大；

（2）输出控制信号失常；

（3）RAM内容发生变化；

（4）程序运行失常。

软件抗干扰技术是当监控系统受到干扰后，使系统恢复正常工作或输入信号受到干扰后，去伪存真的一种辅助方法。其主要内容包括两个方面，一方面是采取软件方法抑制叠加在模拟输入信号中的噪声影响，如数字滤波；另一方面，当由于干扰使监控系统运行发生混乱，导致程序乱飞或进入死循环时，采取强制措施，使程序进入正轨。

7 总结

本文在对塔机集群控制功能需求进行详细分析的基础上，提出了基于无线网络的塔机集群控制系统的总体设计方案。完成了塔机监控仪表终端的硬、软件设计。在硬件设计方面采用ATmega64作为主控制器，建立了基于嵌入式系统的监控仪表硬件系统；在软件设计方面采用模块化的的设计理念，整个系统主要由以下几个模块组成：数据采集模块、数据存储模块、数据传输模块、防碰撞计算模块及控制输出模块。通过对塔机间各种碰撞情况的分析，建立了塔机群防碰撞空间模型，在此基础上，提出了一套规范的塔机群防碰撞算法，并给出了算法流程。设计了基于GPRS 无线网络塔机群安全监控系统。最后通过仿真模拟的方式分别进行了塔机群防碰撞算法验证实验和数据采集信号处理精度实验，实验结果均达到理想效果。

参考文献

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[2]孔凡友.塔式起重机的事故原因及安全管理[J].石家庄铁道学院学报，2006， （S1）：63-65.

[3]包焕林.塔机常见事故及对安全管理的建议[J].建筑机械化， 2009（10）：18-21.

作者单位

辽宁现代服务职业技术学院 辽宁省沈阳市 110164

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