张玉凤，吴云霞，窦耀，张静宇

（江苏师范大学科文学院，江苏 徐州 221132）

轮式起重机在进行起重作业时，操作人员要时刻关注吊重物的实时位置，又需要对力限器参数及其他作业参数进行实时监控，如吊重量、角度、幅度、力矩百分比等。这些参数通常由安放在操纵室前的仪表台进行指示，而被吊物体通常由低处吊至高处，当被吊物体在高处时，操作者要反复抬头看被吊物体，低头看显示器，目光要在被吊物体和显示器之间来回切换，容易造成操作者作业疲劳，同时在抬头期间作业参数不能实施监控，会遗漏掉监控参数，存在安全风险。因此对吊装过程重要信息的显示方式进行优化是非常有必要的。抬头显示系统（Head Up Display，平视显示器）作为一种安全、高效的驾驶辅助系统已被广泛应用于航空及汽车领域。将抬头显示系统应用于轮式起重机，将吊装过程的重要参数信息投射到操纵室前玻璃上，并根据吊重物的实时位置，进行自动跟随显示可以有效地解决上述问题，提升吊装过程的舒适性和安全性。

1 系统总体构架

为了实现自动跟随的抬头显示功能，本系统设计由传感器部分、控制器部分、抬头显示部分构成，如图1所示。其中传感器部分主要是对起重机和吊装物的状态进行采集，包括当前伸臂长度、伸臂角度、钢丝绳的长度。控制器部分将根据算法对当前吊重物的位置进行计算，并根据吊重物的位置给出当前抬头显示的位置信息。抬头显示部分能够将起重机的重要参数在前挡风窗进行显示，同时能够根据控制器给出的位置信息，调整投射显示的角度，确保参数的显示在吊重物的同一位置，使操作人员可以同时看到显示的信息和吊重物。

图1 系统总体构架

汽车上通常有悬挂式和仪表台式；悬挂式优势在于适配性强，直接安装在遮阳板上。仪表台式：优势在于可视角度略低于视线的平视，对驾驶干扰较小，同时安装成本也很低，本设计为了能够实现跟随显示的功能，采用悬挂式方案：在操纵室上方预留合适的位置安装光机，利用前挡风玻璃进行显示，光机照射的角度，课通过控制电机进行实时调整，抬头显示部分采用CAN通讯与主屏幕进行通信。抬头显示采用应用广泛的DLP技术，选用TI公司为抬头显示系统专门设计的DLP3000-Q1芯片组。

2 传感器模块设计

传感器模块主要是检测目前起重机吊装作业，通能通过传感器的信息反映出当前吊重物所在位置，为HUD投射角度α计算做准备,其中α为HUD安装位置与吊钩连线与水平面的夹角。根据对吊重物位置的计算需求，本传感器模块所需要的传感器包含以下3种，如图2所示。

图2 所需传感器

伸臂长度传感器：用于检测伸臂长度L；伸臂角度传感器：用于检测伸臂方向与水平面的夹角β；卷扬编码器：用于检测卷扬旋转圈数，从而计算出钢丝绳总共放出的长度S。

3 控制器部分

控制器主要是采集上述三种传感器信号，并由控制器进行几何计算，得到HUD投射角度α。根据钢丝绳总共放出的长度S、臂长L、吊臂角度β及倍率N,计算角度α，如图3所示。

图3 起重机简图

L1为伸臂臂头到吊钩的垂直距离，计算公式为L1=(S-L)/N。

L3为吊钩到HUD安装位置水平面的垂直距离，L3=L·sinβ-L1。

L2为吊臂长度L在水平面的投影距离，L2=L·cosβ。

根据三角几何关系得到HUD投射角度α，α=arctan（L3/L2）。

4 HUD抬头显示部分

起重机操纵室内的显示信息主要包括3类：起重机运行状态、力限器信息、报警预警信息。起重机运行状态主要包括当前的起重机的主要状态的指示信息，包括发动机转速，伸臂长度、变幅的角度、主泵压力等；力限器信息主要是有力矩限制控制器实时计算的吊装信息，其中包括：当前的实际吊重量、额定吊重量、力矩百分比等；报警预警信息是起重机作业过程中的一些警示和预警信息，包括由车身各控制器给的错误代码和关键零部件故障的报警信息。

起重机在执行吊装作业时，最重要的信息就是力限器信息，HUD抬头显示部分包含固定支架，旋转电机，HUD显示主机三个部分,如图4所示。根据计算得到的HUD投射角度α，设定旋转电机的旋转角度，控制器控制旋转电机带动HUD主机进行旋转，使HUD投射方向朝向吊钩方向，从而使得投射玻璃上的信息可以跟随吊重物体进行调整，操作者可以实时监控作业参数，避免了低头过程。

图4 HUD抬头显示部分

5 结语

本文针对轮式起重机人机交互系统中，引入HUD抬头显示系统，并根据重物的实际位置，设计了HUD显示跟随系统，既解决了起重机操作人员低头查看显示器的安全隐患及疲劳痛点，又提升了起重机产品的人机交互系统及控制系统的智能化，在实际应用中有非常深远的意义。