基于编码技术的塔吊防碰撞系统设计

摘 要：现代建筑工地环境复杂、规模庞大、机械化程度日益增高。建筑塔吊的普遍、高密度使用日显广泛，塔吊的安全越显重要。然而在塔吊防碰撞仍主要依靠司机的人工操作，不仅影响了施工效率，更难以保证塔吊的安全运行。针对上述问题，这里研究了塔吊防碰撞的原理，并采用数字传感、嵌入式处理、远程监控等技术设计一种塔吊防碰撞系统，该系统能够对塔吊之间的碰撞及塔吊与建筑物之间的碰撞进行预警。

关键词：塔吊群；防碰撞；禁行区；建筑工地

中图分类号：TP274 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1605104

Application of Encoder Technique in Anticollision of Tower Crane

PENG Wancang.1,WANG Shuibo.2,WANG Quanzhou.3

(1.Xi′an Construction Engineering Supervisory Center for Quality and Safety,Xi′an,710014,China;

2.Xi′an Zhimin Measurement & Control Science Technology Co.Ltd.,Xi′an,710049,China;

3.Nothwest Normal University,Lanzhou,730070,China)

Abstract：The modern construction site is complex,large-scale,and more and more mechanize，tower cranes are universal highdensity used.The safety of the tower crane appears more important.However,it still relies mainly on manual to keep the tower cranes from collision.It not only affected the efficiency of construction,but also difficult to guarantee the safety of tower crane.Aiming at the abovementioned problems,this paper studies the tower cranecollision theory and designs a tower crane anticollision system with digital sensing,embedded processing,such as remote monitoring technology,which can early warning of collision between tower cranes or between tower crane and structures.

Keywords：crane group； anticollision；forbidden area;construction site

1 防碰原理简介

现代建筑业施工环境非常复杂，由此导致了处在这种复杂作业环境下的塔吊防碰问题也多样复杂。总的来说，塔吊防碰问题有2类，如图1所示：首先是塔机互碰类。处在同一相互干扰区的塔吊群有吊臂、小车、吊钩、塔身的碰撞可能；其次是本机防碰类。当塔吊临近施工现场存在的各类限制区和障碍物时有碰撞可能。比如，道路是一个无高度限制的内部禁性区，塔吊吊臂和小车不能在道路上方运行；楼宇所在区域是有高度限制的内部禁行区，当小车高度低于楼宇高度时，不能在楼宇所在区域运行。施工现场有时还会规定某个特殊工作区域，要求塔吊只能在区域内部工作。此外，即使处在开阔施工环境，塔吊小车在高速变幅时也有碰撞吊臂顶端和塔吊基座的问题。

下面以最典型的高塔吊小车碰低塔吊吊臂问题为例，简单介绍防碰算法。

如图2(a)所示，当2个高低塔吊存在交叉作业区（两塔吊连心距小于两塔吊吊臂长度之和），并且只有双方塔吊吊臂都工作在交叉区的时候才有碰撞可能。

如图2(b)所示，当同处交叉区的高塔吊小车垂直高度上接近低塔吊吊臂时（高度差h接近某一预设值）碰撞可能进一步加大。

如图2(c)所示，这部分是对满足了图2(b)条件的吊臂小车做水平面内碰撞可能性分析。由于惯性的存在，处在回转过程中的吊臂最终停止的角度位置与制动开始位置存在惯性偏移角β，必须在防碰算法中考虑这个惯性偏移角度。也就是说，实际上代入防碰算法中的角度信息是预估的角度信息，只有这样才能保证最后停止运动的小车吊臂不互相碰撞，这也是风险预估技术的一个体现。出于安全保护的考虑，将塔臂外扩一个半宽r的矩形保护带（图中灰色部分），将小车外扩一个半径r的圆形保护带(图中灰色部分)。当小车到塔臂的距离d小于矩形保护带和圆形保护带距离之和（R+r）时，即有真正的碰撞可能发生。

防碰决策的依据是破坏这种临界碰撞条件，也就是使高度距离h和水平距离d不要在朝危险的方向变化。针对图2(c)的情况，通过切断低塔吊右转，高塔吊小车下绳，小车出运动回路来破坏碰撞条件。

通过分析这种典型的碰撞情况，发现单独一个高度、位移、转角条件的不满足并不是引起碰撞的充分条件，只有他们组合成某种特定关系的时候才会引起碰撞。本塔吊防碰算法充分注意到高度、位移、转角之间的内在联系，从干涉区分析开始，一步步逼近临界碰撞条件，尽可能在碰撞真正即将开始时才进行防碰决策。这样的设计有效的减少了频繁误报警所带来的电机损耗和施工效率降低。由于考虑了惯性因素，所以本塔吊防碰系统在高效性的同时可靠性也得到了保证。

2 防碰系统实施方案

安装在每台塔吊传动机构上的编码器和接近开关将本机塔吊塔臂回转、小车运动、吊钩提升的绝对位置信息、塔臂回转及小车运动的位置矫正信息，经过输入采集单元的信号调理、数字量化、光电隔离，输入终端控制器。其他塔吊的实时状态数据通过无线通信模块接收，并由RS 232接口输入至终端控制器。结合由现场施工人员通过终端控制器的键盘输入设定的模型参数，对本机的12种独立运动方式进行通断判定。决策结果通过光电隔离、继电器控制转化为控制动作，对串入到电机回路的断路器进行控制，以完成塔吊群交叉作业的安全防护工作。同时对塔吊群的实时状态信息及终端控制器的执行动作在屏幕上进行图形化显示，对于临界碰撞风险及时进行声光示警。塔吊群的实时状态信息通过无线通信模块输入到地面控制台的计算机中，完成塔吊群运转情况的地面监测。地面调度人员也能通过虚拟仪器界面对塔吊群的模型参数进行设定，以及对塔吊群进行人工调度。如图3所示。

3 数据采集单元设计

在塔吊的传动系统中，通过电机带动齿轮实现塔吊吊臂回转、小车变幅、吊钩提升功能。为了采集回转角度、小车位移、吊钩高度等参数，必须要能实时检测到齿轮的转向及齿轮转速与位移角度的关系。在塔吊防碰撞系统中必须实时监测塔吊运动状态，这使得数据采集速度和精度都必须跟上塔吊的高速运动状态。

增量式编码器是一种用于测量电机转向和转速的常用传感器器件，它具有分辨率高、响应速度快和输出稳定等特点。这些特点使它非常适合于塔吊数据采集。

增量式编码器发出的2路脉冲是正交的，即2路脉冲为相位差为90.o的方波。通过判断2路脉冲的相位关系，就可以获得电机的旋转方向。

编码器的解码方法主要有2种：硬件解码和软件解码。前一种是通过专门的解码芯片来实现，由解码芯片完成鉴相及计数，但是大多数高速解码芯片价格昂贵，不适合产品使用，后一可以通过一定的解码算法实现。由图4增量式光电编码器输出波形可以得出如表1，表2所示的转向状态表。

由状态表可知，在AB两相脉冲在一个周期内都有4种状态00，01，10，11。将前次位置左移两位再或上目前位置计算发现，在一个周期内，如果电机正转则ABAB合成位置01H；反转则ABAB合成位置02H。利用这个特点可实现非常简洁的软件解码。该解码的限制只有采样率一个，CPU采样率愈高，编码器的转速可愈快。

编码器的AB相信号经过光电隔离直接连接在处理器上相邻连个I/O口，根据系统的定时中断以高于4倍频的采样率定期读取I/O值。这样的电路设计充分利用了处理器自有功能，无须外扩任何芯片，符合嵌入式系统集成化、体积小的设计要求。

在本系统设计中采样率为500 Hz，每2 ms产生1个定时中断。由于操作系统的时钟节拍已经设置为1 ms调度1次，为了不使频繁的定时器中断影响系统任务的正常调度，故设置相当于2个时钟节拍的定时中断。基于这个采样率，系统支持的编码器线速必须在125 Hz以下。

此外，由于编码器价格昂贵系统的数据采集也可以通过价格较为便宜的接近开关来完成，其数据采集原理与编码器完全一致。接近开关安装时应保证90°的相位差，并且产生的方波周期应至少8 ms。

整个数据采集过程由定时器中断服务子程序和数据采集任务共同完成，如图5所示。

实时操作系统要求中断服务程序子程序尽可能的短，因此定时器中断服务只做到写计数器，接着由采集任务读计数器值更新采集量。在这里更新的是一个相对增量，所以计数器读完之后要清零。中断与任务共享一个资源，且分别进行读写操作，因此必须对这个共享资源进行保护。此外由于该中断和任务有联系，所以还必须采用同步机制。中断和任务通信，并且需要保护只能采取全局变量的形式。开关中断是最简单，最快的共享资源保护方法。在任务里，读全局变量前先关中断，保证无中断服务子程序写全局变量，清零之后再打开中断。采集量在通信任务、塔吊防碰计算任务和采集任务中也会被同时访问或改写，因此也需要被保护。这里采用互斥信号量来实现。

4 软件设计分析

本塔吊防碰撞系统采用实时动态监测和风险预估技术。为了实现这项技术，对防碰系统的功能作了详细的分析，在硬件支持的条件下设计了如图6所示的应用程序流程图。

由图6可知应用程序的操作并没有一个明确的顺序执行的结构，这在系统建立通信之后得到最明显的体现。系统的数据采集、数据交换、防碰计算都是对实时性要求很高的任务。他们之间无法判断出谁先执行，谁后执行，而且他们在程序运行过程中必须反复执行，要求他们必须是个死循环函数。再者，系统的防碰算法非常复杂，尤其当需同时计算多个塔吊，多种类型的防碰算法时，会占用大量的CPU时间。如果它顺序执行必然严重影响其他任务的实时性。因此，传统的基于前/后台系统的顺序设计程序的方法在这里行不通。系统必须采用由操作系统自动调度的多任务设计方法。

为了使操作员方便的对塔吊防碰系统的操作，系统提供了多个界面用于人机交互。界面功能和说明如表3所示。

本着设计人性化界面原则，对每个界面需要显示的内容、形式、布局作了充分的考虑。以最典型的参数菜单设计为例详细介绍该设计原则。

(1) 塔吊输入参数种类繁多、数目巨大，因此考虑将他们分类显示。菜单式的设计可以充分实现这一点。

(2) 对于属于某个大类的量多参数，需要分级显示，同时告诉操作员参数数目，提示进入下级菜单。通过“？”和反色显示提示操作员此参数正在被设定，设定完恢复正常显示。

(3) 各栏大小布局合理，字体选用美观。

5 远程监控单元设计

塔吊防碰系统远程监控单元主要有2部分功能：

(1) 塔吊参数远程设定。塔吊安装时进行塔吊固定参数（坐标位置，塔高，桥长等）地面设定并上传至安装在塔吊上的终端设备。由于在塔吊安装初期这类参数时常变动，操作员频繁上下塔吊既增加劳动强度也有一定的危险性，所以远程设定功能大大方便和保护了塔吊操作员。

(2) 塔吊运行状态监测。操作员可以自由选择对某塔吊群的全局监测和对某一塔吊的个体监测。监测内容包括：工地塔吊群的布局、各塔吊及小车的实时状态，是否有碰撞可能等。通过图表和数字的形式直观再现工地情况，地面监测员一目了然，方便进行工地塔吊的人工调度。

6 系统创新设计

本塔吊防碰撞系统充分考虑施工现场的环境复杂性，从提高系统运行可靠性，可操作性方面实现了以下创新设计。

(1) 故障诊断功能

输入参数越界错误诊断 对于输入参数的明显错误比如小车位移大于臂长、小车高度大于塔高、塔吊标号大于网内塔吊个数等判进行判断，并作出错误提示。

通信故障诊断 当连续1 s接收不到数据时即认为网内通信故障，立即切断所有控制回路，保护塔吊。

非正常关机错误诊断 当系统非正常关机（掉电或未按退出键）时，系统最后运行参数没有保存，下次开机出现参数保存错误提示。

(2) 可靠性设计

定制塔吊群安全模型 为了适用于各种复杂的作业现场，系统向用户开放了绝大多数的系统参数，关键参数如保护距离等为连续可调参数。在塔吊群作业过程中，用户可针对实际需求，权衡作业效率与系统安全的关系，进行各参数的设置，完成塔吊群安全模型的定制。这种灵活的设置方式保证了塔吊防碰系统贴合实际，运行可靠。

动态分区参数存储 为了防止多次擦写存储芯片某一区而使芯片损坏，系统根据存储时间动态更换存储区，大大降低了芯片损坏概率，保证存储可靠。

(3) 人性化设计

直观示警提示 按不同危险级别，声光电组合的方式方便快捷的通知操作工人进行人为干预。尤其是形象化分布的各自由度控制回路指示灯，让操作员一目了然塔吊保护状态。

多功能键盘 键盘设计包含数字键,上下翻页键，确认删除键，以及符合塔吊操作要求的一系列功能键。键位设计合理，方便操作员一键式操作。

参 考 文 献

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作者简介 彭万仓 男，1958年出生，陕西岐山人，西安市建设工程质量安全监督站安全管理科从事安全管理及研究工作。

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