崔建平 邓桂花

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-5684

摘  要：针对门座式起重机之间距离近，主要依靠司机的操作水平和经验来避障，缺乏有效的防碰撞检测方法的问题，该文提出了基于数学模型的防碰撞方法和防碰撞系统，从传感器选型、信号采集和传输、界面设计、防碰撞策略制定、程序设计等方面进行了详细探讨。结果表明，该系统以控制为核心，辅以有效检测手段，能夠快速准确地对潜在的碰撞危险进行预警，并切断危险方向的动作，保护人身和财产安全，使门座式起重机始终能够安全稳定地运行，提升作业效率。

关键词：门座式起重机  防碰撞  控制  策略

中图分类号：TH21                            文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）03（b）-0077-04

Research on Anti-collision System of Portal Crane

CUI Jianping1  DENG Guihua2

（1.China Railway Construction Heavy Industry Co.， Ltd.， Changsha， Hunan Province， 410000 China;

2.Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei Province， 430063  China）

Abstract： Aiming at the problem that gantry cranes are close to each other， mainly rely on the driver's operation level and experience to avoid obstacles， and lack of effective anti-collision detection method， this paper proposes an anti-collision method and anti-collision system based on mathematical model， and discusses in detail from sensor selection， signal acquisition and transmission， interface design， anti-collision strategy formulation， program design and other aspects. The results show that the system takes control as the core， supplemented by effective detection means， could warn the potential collision danger quickly and accurately and cut off the action in the dangerous direction， protect personal and property safety， make the gantry crane always be able to operate safely and stably， and improve the operation efficiency.

Key Words： Portal crane; Anti-collision; Control; Strategy

门座式起重机属于港口常用的起重设备，是重要的货物装卸和搬运设备，具有起升、回转、变幅、沿轨道行走这4个动作。通常在同一个轨道上会布置多台门座式起重机，执行装卸作业时，往往是几台门座式起重机一同协作完成，它们之间的间距较近。所以协同作业时，门座式起重机之间会产生交叉作业区域。目前主要是依赖司机的经验来判断运行路径上是否有障碍物，怎么进行避障。但是人长时间作业会产生疲劳和视觉误差，而且操作经验因人而异，并不可靠，一旦发生碰撞将会带来严重的危害，所以研究一种门座式起重机防碰撞系统，进行自动防碰撞具有非常重要的意义。

1  系统介绍

该文介绍了如何进行门座式起重机的防碰撞，包含信号的获取、传输、处理，防撞策略的实施。总体来说，门座式起重机防碰撞系统包括控制系统、信号采集、通信系统、人机交互四大部分[1]，系统结构图如图1所示。

1.1 控制系统

控制系统是整个防碰撞系统的核心，负责传感器信息的采集处理、门座式起重机之间通信建立、防撞策略的执行等。

以西门子PLC为控制核心。获取本机传感器数据后，PLC将本机数据发送给相;邻的门座式起重机，同时接收相邻门座式起重机的信息，达到数据交换的目的[2]。

建立在数据共享的基础上，本机PLC计算本机与相邻门座式起重机的实时空间位置，运行防碰撞策略，判断有没有碰撞的可能。如果有则限制该方向上的动作[3]，直到危险解除后限制才解除。

1.2 信号采集系统

要实现门座式起重机之间的防撞，需要采集门座式起重机的回转角度、大车间距、幅度这3个信息。

采用编码器进行回转角度的采集[4]。由于存在累计误差，所以设置回转零位，每当回转经过该点时，回转角度就校准一次。同时为了安全可靠，防止传感器出现故障而带来误判，采用冗余设计的方式，即布置两套传感器，当两者采集的数据相差较大时，系统进行报警，提醒用户进行检查，防止发生故障而带来隐患。

大车间距也是通过编码器进行采集。为了消除由于轮子打滑等因素所带来的测量误差，在沿途轨道边上布置多个RFID进行校准[5]，确保采集的可靠性和精度。

由于门座式起重机在变幅过程中幅度变化是非线性的，所以幅度很难直接得到。采用在起重臂上安装角度传感器，测量起重臂与水平面的夹角，起重臂长乘以夹角的余弦即得到当前的幅度。

1.3 通信系统

门座式起重机之间的数据交换是通过控制系统PLC与PLC之间的通信来实现的。PLC与PLC之间的通信方式很多，根据现场的具体情况选择不同的通信方式。

西门子PLC与PLC之间的通信可以采用S7通信。S7通信简单方便，只需要在一端组态即可。由于门座式起重机经常会移动，现场作业环境比较恶劣，所以采用无线通信的方式[6]。

1.4 人机交互系统

门座式起重机之间的防碰撞是协助司机完成作业，采用可视化设计使司机更好地了解系统的整体状况。人机交互界面分为3个部分：最上面显示动作是否被限制，绿色表示未受限，红色表示被限制;中间部分显示门座式起重机的俯视图，包括臂的位置、活动范围、回转中心区域;最下方则显示门座式起重机的当前状态，包括回转角度、幅度、大车间距、回转速度等。主界面图如图2所示。

2  防碰撞策略

为了叙述方便，该次研究的门座式起重机简称本机，相邻门座式起重机简称它机。

防碰撞是指基于自身传感器采集的本机的位置信息，结合它机的位置信息，计算本机与它机有无碰撞的可能[7]。若有则限制本机当前动作，直到限制解除。防碰撞策略的实施包括以下5个步骤。

2.1 建立平面坐标系

以本机回转中心为坐标原点，大车轨道为X轴建立直角坐标系。同理，其他门机均依此建立坐标系[8]。坐标系均是独立的，即每台门机均建立自己的坐标系。

如图3所示，x-O1-y为本机坐标系，x-O2-y为它机坐标系。

2.2 预测臂在减速时间内每个时刻的位置

设本机减速时间为t1，最大转速为Nmax，最大减速时间为Tmax，实时转速为n1。它机减速时间为t2。

则t1=Tmax×n1/Nmax

设最大循环时间为T，

若t1≥t2，则T= t1;

若t1

设本机的回转角度为θ1，角速度为w1，则在未来任一时刻t，本机的回转角度：

若t≤t1，则：

α1=θ1+0.5×w1×t

若t>t1，则：

α1=θ1+0.5×w1×t1

2.3 计算臂与臂的交点

臂与臂相撞，抽象为数学模型就是两条直线在某个时刻相交了，计算臂与臂的交点则转化为计算直线与直线的交点[9]。在本机坐标系下：

设本机臂的方程为：y=k1x;

它机臂的方程为：y=k2x+?;

如图3所示，k1=Tan（θ1），|O1O2|为大车间距，设为D，|O2 b|为它机臂长，设为L，则k2= Tan（θ2），?=-d× Tan（θ2）。

所以，两臂的交点的X坐标x=?/（ k1- k2）=-d× Tan（θ2）/ （Tan（θ1）- Tan（θ2））。

2.4 判断交点是否在交叉区域内

实际上臂是有边界的，所以前面计算的直线与直线的交点有可能在臂的延长线上。臂与臂实际相撞的条件是交点在两臂上，用数学表达式表达就是两臂交点的X坐标分别在两臂的臂尖X坐标与臂尾X坐标之间。

如图3所示，O1a为本机臂，O1b为它机臂，两机臂的交点在b点。两机臂交点的X坐标分别为O1d和O2d。两机的臂尖的X坐标分别为O1c和O2d，所以判断两臂相交的条件为：

|O1d|≤|O1c|，且|O2d|≤|O2d|

2.5 系统报警并参与控制

若交点在交叉区域内，系统发出声光报警，并且禁止当前方向的动作，直到危险解除或朝相反的方向动作。

若交点不在交叉区域内，则系统继续进行判断。

3  程序框架

根据以上步骤，先计算本机和它机的减速时间，然后计算最大循环时间，在最大循环时間内，循环计算回转角度、两直线的交点、判断交点是否在线段上、进而发出控制指令。

程序流程图见图4。

4  结语

门座式起重机的防碰撞还可以延伸为与之结构相似的臂架式起重机的防碰撞，两者的防碰撞原理和策略相同。该文的成功应用可解决目前港口门座式起重机依赖人工操作、自动化程度偏低的弊端，可有效提高操作的安全性和舒适性，对港口机械的发展有着重要意义。

参考文献

[1] 彭敏林，赵健，罗莉莉.起重机空间防撞系统设计与研究[J].中国重型装备，2020（2）：17-19.

[2] 方线伟，袁秀峰，杨灿兴，等.基于PLC控制的多台起重机区域保护方案的设计[J].起重运输机械，2019（4）：63-66.

[3] 曹鹏.起重机吊装防碰撞技术的研究[J].工程技术：引文版，2016（5）：261.

[4] 任建，赵伟，冯忠彬.门式起重机防碰撞装置设计[J].质量管理，2018（19）：132-133.

[5] 王志轩.基于RFID系统的防碰撞技术研究[D].燕山大学，2020.

[6] 李劼人，徐莉，徐青山，等.无线定位技术在移动式起重机中的应用[J].中国机械工程，2019，30（6）：716-721.

[7] 王飞.起重机吊装防碰撞技术的研究[D].长安大学，2014.

[8] 张琪.基于动态预测的塔机防碰撞系统研究[D].大连理工大学，2018.

[9] 师梦梦.基于空间姿态的起重机群防碰撞技术研究[D].大连理工大学，2014.