基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞在线监测预警系统及方法.pdf

本发明公开了一种基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞预警系统及方法，采用多超声传感器融合技术进行塔机周边障碍物的监测，通过障碍物定位与识别、轨迹预测以及已有超声地图数据防碰撞模型计算，获取塔机碰撞预警信息，将可能碰撞状态及时通知塔机司机。系统包括主控制器模块和超声监测点模块，两者之间通过无线网络形式进行通信，超声监测点模块采用超声波传感器对塔机周边障碍物进行监测。该系统和方法解决了塔机主动式防碰撞监测这一难题，具有抗干扰能力强、实时性好、简单易用的特点，有效降低塔机司机劳动强度，提高塔机防碰撞监测水平，降低塔机碰撞事故的发生，使塔机安全、高效运行。

1、  一种基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞在线监测预警系统，其特征在于，该系统包括：
一个主控制器模块，用于完成超声监测点探测的障碍物特征信息的实时数据融合计算，创建超声地图并实时更新，对障碍物进行定位及轨迹预测，与防碰撞模型匹配并进行碰撞评价，结果存储并将可能碰撞通过人机接口通知塔机司机及时采取有效预防措施；
一个以上监测点模块，分别布置在塔机平衡臂和起重臂若干位置，用于完成对周边障碍物进行监测，对障碍物信息进行计算，获取障碍物的特征信息，将结果实时上传主控制器模块；
主控制器模块以无线网络方式与监测点模块进行通信。

2、  如权利要求1所述的基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞在线监测预警系统，其特征在于，所述主控制器模块包括：CPU处理单元、存储单元、无线通信单元、人机接口单元和电源；主控制器模块的CPU处理单元通过无线通信单元实时收集系统监测点探测的障碍物特征信息，进行实时数据融合计算，输入防碰撞模型计算得出塔机未来安全状态量值，将其结果存储并通过人机接口通知塔机司机。

3、  如权利要求1所述的基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞在线监测预警系统，其特征在于，所述监测点模块包括：CPU处理单元、存储单元、无线通信单元、超声传感单元、补偿单元和电源；监测点模块通过主动发射超声信号进行周边障碍物感知，计算并获取所监测到障碍物的特征信息，并将该信息实时上传主控制器模块。

4、  权利要求1所述的基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞在线监测预警系统的监测方法，其特征在于，该方法采用设置主控制器模块、多个监测点模块实现对塔机周边障碍物的识别与定位，进而获取塔机可能碰撞信息将可能碰撞状态及时通知塔机司机，具体包括如下步骤：
a、主控制器模块、多个监测点模块在塔式起重机开机立即初始化；
b、主控制器模块启动无线通信单元，处于等待状态；监测点模块实时将障碍物监测结果上传主控制器模块；
c、主控制器模块实时融合计算各监测点模块数据，获取塔机周边环境完整信息，创建超声地图并实时更新；进行障碍物定位并进行轨迹预测；
d、主控制器模块将障碍物实时信息及预测信息与防碰撞模型匹配并进行碰撞评价。
e、将可能碰撞信息存储并通过主控制器模块上的人机接口通知塔机司机。

基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞在线监测预警系统及方法
技术领域
本发明涉及一种塔式起重机安全监测系统，尤其涉及一种基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞在线监测预警系统以及采用该系统在线监测预警的方法。
背景技术
塔式起重机(以下简称塔机)是建筑行业工作空间最大的起重机，起吊高度高、工作幅度大，属于高空作业，是目前建筑工地上普遍使用的水平和垂直吊装起重运输机械设备。随着我国经济的持续快速发展，建筑行业规模不断扩大，塔机创造了很好的经济效益和社会效益。
随着城市基本建设规模的扩大，城市建筑密度不断增加。新施工工地的塔机作业将受到周边已有建筑或其他障碍物的影响，运行中存在着较多的碰撞隐患。因此，对周边建筑密集的建筑工地，保证塔机施工中的运行安全，减少安全事故，同时又尽可能地满足施工需要是塔机防碰撞系统需要解决的重要问题。
通过对现有专利文献检索，中国发明专利“塔吊群交叉作业的安全防护智能测控仪器”，专利号200610041832.3，该发明专利公开了一种塔吊群交叉作业的安全防护智能检测仪器，该仪器有多套终端设备和一台地面控制器构成，终端设备设置在每台作业塔吊上，对塔吊群之间的可能碰撞进行报警；中国实用新型专利“塔机防撞及区域保护装置”，专利号01206182.4，该实用新型专利公开了一种塔机防碰撞及区域保护装置。上述发明和实用新型专利都是采用电子控制，由塔机小车机构、回转部件处安装的传感器、通信网络及司机室显示屏等组成，通过实时监测每台塔机水平臂的对地运动后计算出塔机间的相对位置，实现防碰撞功能。这种方法存在诸多不足：首先工程建筑场地的情况是时刻不断变化的，塔机的工作允许区域与工作限制区域是会随情况相互转换的，工作允许区域会变成工作限制区域，限制区域也会变成允许区域，而且有时这种变化是较快的。电子控制系统在应对这种变化，特别是突发事件的发生时存在不足之处，灵活性欠缺。其次电子控制防碰撞系统中塔机工作人员往往只得按照事先划分工作区域与限制区域的参数工作，如果想要对允许区域与限制区域作适当的改变则需重新计算划分设定参数，耗时耗力，限制了塔机操作人员的主观能动性。这些困难主要是由于防碰撞系统选用的工作原理造成的。其防碰撞原理采用的是一种被动式防碰撞安全模型，系统只是监测自身的运动状态而对周边障碍物的情况缺乏感知。塔机碰撞主要发生在塔臂与周边障碍物(包括周边塔机)的接触点和接触面，由于塔臂长度较大，周边障碍物形式多种多样，采用主动式碰撞监测成为防碰撞系统研发的难点。
由于超声传感器的非接触式监测方式以及优良的传感特性，它已成功应用于汽车倒车防撞系统和机器人导航系统中。由于塔机工作方式及环境与前两者系统具有很大的不同，无法将其监测技术直接引入塔机的塔机碰撞监测中来，需要改进其监测技术使之用于塔机碰撞监测预警信息的获取。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供一种基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞在线监测预警系统以及采用该系统在线监测预警的方法，以实现对周边障碍物进行识别与定位，从而解决上述主动式防碰撞系统的瓶颈问题。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术方案：
一种基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞在线监测预警系统，其特征在于，该系统包括：
一个主控制器模块，用于完成超声监测点探测的障碍物特征信息的实时数据融合计算，创建超声地图并实时更新，对障碍物进行定位及轨迹预测，与防碰撞模型匹配并进行碰撞评价，结果存储并将可能碰撞通过人机接口通知塔机司机及时采取有效预防措施；
一个以上监测点模块，分别布置在塔机平衡臂和起重臂若干位置，用于完成对周边障碍物进行监测，对障碍物信息进行计算，获取障碍物的特征信息，将结果实时上传主控制器模块；
主控制器模块以无线网络方式与监测点模块进行通信。
所述主控制器模块包括：CPU处理单元、存储单元、无线通信单元、人机接口单元和电源等。主控制器模块的CPU处理单元通过无线通信单元实时收集系统监测点探测的障碍物特征信息，进行实时数据融合计算，输入防碰撞模型计算得出塔机未来安全状态量值，将其结果存储并通过人机接口通知塔机司机。
所述监测点模块包括：CPU处理单元、存储单元、无线通信单元、超声传感单元、补偿单元和电源等。监测点模块通过主动发射超声信号进行周边障碍物感知，计算并获取所监测到障碍物的特征信息(形状、距离)，并将该信息实时上传主控制器模块。
上述基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞在线监测预警系统的监测方法，其特征在于，该方法采用设置主控制器模块、多个监测点模块实现对塔机周边障碍物的识别与定位，进而获取塔机可能碰撞信息将可能碰撞状态及时通知塔机司机，具体包括如下步骤：
a、主控制器模块、多个监测点模块在塔式起重机开机立即初始化；
b、主控制器模块启动无线通信单元，处于等待状态；监测点模块实时将障碍物监测结果上传主控制器模块；
c、主控制器模块实时融合计算各监测点模块数据，获取塔机周边环境完整信息，创建超声地图并实时更新；进行障碍物定位并进行轨迹预测；
d、主控制器模块将障碍物实时信息及预测信息与防碰撞模型匹配并进行碰撞评价。
e、将可能碰撞信息存储并通过主控制器模块上的人机接口通知塔机司机。
本发明的基于超声传感网络的塔机防碰撞预警系统，具有抗干扰能力强、实时性好、简单易用的特点。本发明的有益效果是：有效降低塔机司机劳动强度，提高塔机碰撞监测水平，降低塔机碰撞事故的发生，使塔机安全、高效运行。
附图说明
图1为本发明的在线监测系统组成框图；
图2为本发明的塔机防碰撞监测工作流程；
图3为本发明的超声监测点布置示意图；
图4本发明的主控制器模块组成框图；
图5为本发明的监测点模块组成框图；
图6为本发明的主控制器模块软件结构图；
图7为本发明的主控制器模块系统管理程序工作流程；
图8为本发明的监测点模块工作流程。
下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞在线监测预警系统由主控制器模块和多个监测点模块两部分组成。
主控制器模块位于塔机驾驶室，主要完成系统监测点探测的障碍物特征信息的实时数据融合计算，创建超声地图并实时更新，进行障碍物定位以及轨迹预测，与防碰撞模型匹配并进行碰撞评价，结果存储并将可能碰撞通过人机接口通知塔机司机。
监测点模块分别布置在塔机平衡臂和起重臂若干监测点上，完成周边障碍物的监测，对监测到的障碍物信息进行计算获取障碍物的特征信息(形状、距离)，将该信息实时上传主控制器模块。
主控制器模块和各监测点模块都分别设置有无线通信单元，它们之间的控制指令、数据信息等通过无线网络方式进行传递。
如图2所示，本发明的塔机防碰撞监测工作流程如下：监测点模块利用超声波传感器实时监测前方情况，若障碍物出现在监测区域，超声监测点模块进行障碍物信息特征提取，获取障碍物的形状和距离特征数据，将数据上传至主控制器模块。主控制器模块针对上传数据进行实时数据融合，创建周边环境的超声地图或者更新地图；另外根据融合结果，在大尺度上进行障碍物再次识别与定位并进行障碍物轨迹预测。将超声地图、障碍物实时信息和预测信息输入防碰撞模型计算，获得塔机安全状态量值，将可能碰撞预警信息按照危险等级通过人机接口告知塔机司机，采取有效预防措施。
图3给出本发明的一个具体实施例，在实施例中，本发明的监测点模块在起重臂上的布局如图所示。图中xoy设为对地绝对坐标系，x′oy′设为相对坐标系，选取塔臂回转中心为坐标原点，塔臂为Ox′轴。障碍物有可能落入单个传感器的波束角θ内，也有可能落入两个或多个传感器的波束角θ内，即重叠区内，在此时刻，主控制器模块进行障碍物空间维度多传感器融合。当塔臂以角速度ω回转，传感器i在t时刻探测障碍物P的距离为S_i(t)，在(t+1)时刻探测到障碍物P的距离为S_i(t+1)，主控制器模块进行障碍物定位时间维度多传感器融合。
图4给出本发明的一个具体实施例，在实施例中，本发明的主控制器模块核心处理器采用ARM920T系列的S3C2440处理器，ARM920T具有全性能的MMU、指令和数据Cache以及高速AMBA总线接口。作为S3C2440芯片的CPU芯核，16/32位ARM920T RISC微处理器采用0.13um CMOS标准单元结构，具有独立的16kB指今缓存和16kB数据缓存。外围扩展存储器采用64M的NAND Flash，用来存储引导程序、内核程序、文件系统和应用程序。键盘显示模块采用触摸式LCD显示器，进行系统参数设置显示以及塔机周边环境超声地图实时显示。USB接口通过接入移动闪存盘存储塔机碰撞监测数据。无线通信单元采用具有802.15.4通信协议的cc2480芯片，与其他无线通信单元组成Mesh网，该单元通过串口与处理器连接。音频输出模块用来输出塔机可能碰撞危险信息，提醒塔机司机安全操作。JTAG接口用来非侵入式调试主控制器模块。
图5给出本发明的一个具体实施例，在实施例中，本发明的监测点模块由CPU处理单元、Flash存储单元、无线通信模块、超声传感模块、温度补偿模块、JTAG接口和电源等组成。CPU处理单元选用C8051F330处理器，该处理器具有CIP-51微控制器内核，CIP-51与MCS-51指令集完全兼容，C8051F330器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，C8051F330单片机片内资源丰富，包括1个全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)，10位200ksps的16通道单端/差分ADC，带模拟多路器，10位电流输出DAC，高精度可编程的25MHz内部振荡器，8KB可在系统编程的Flash存储器，768字节片内RAM，硬件实现的SMBus/I²C、增强型UART和增强型SPI串行接口，17个端口I/O(容许5V输入)。JTAG接口以非侵入式调试超声监测点模块程序。无线通信单元采用具有802.15.4通信协议的cc2480芯片，并与其他无线通信单元组成Mesh网。Flash存储器用来保存超声监测点模块工作参数。超声传感模块由超声波传感器(防水收发一体型)、功率驱动电路、放大电路和滤波电路组成，用来实时接收监测点的超声波距离信号。温度检测模块由温度传感器、调理电路组成，监测环境温度，进行超声距离测量精度补偿。超声监测点模块通过超声传感模块实时发送和接收超声脉冲队列进行周边障碍物感知，利用反射超声信号处理获取障碍物的外形及距离数据，并通过无线通信单元上传主控制器模块。
图6给出本发明的一个具体实施例，在实施例中，主控制器模块软件结构分为三层，底层为驱动程序层，包括串口驱动程序、USB驱动程序、LCD驱动程序、音频驱动程序、触摸屏驱动程序和Flash驱动程序，这些驱动程序为系统应用软件提供对应底层硬件操作接口。中间层为嵌入式Linux操作系统，本实施例中，选用了裁剪过Linux 2.6.13内核，去掉不需要的功能模块，有效减小系统规模，提供系统的实时性。最上层是应用软件层，包括系统管理程序、防碰撞模型程序、系统校准程序、无线网络传输程序和yaffs文件系统。系统管理程序是塔机防碰撞系统的主程序，完成系统总体管理工作，主要包括系统工作参数管理、系统校准管理、碰撞监测管理、障碍物超声地图显示、数据存储管理等；防碰撞模型程序负责碰撞预警计算，输出可能碰撞事件的碰撞点、碰撞时间数据，并进行危险等级排序，将可能碰撞预警信息按通过语音形式告知塔机司机；系统校准程序负责系统工作精度的校准工作；无线网络传输程序通过串口驱动完成与无线通信的连接，负责系统自定义数据通信解析；yaffs文件系统负责对系统的逻辑文件进行管理，包括对逻辑文件的复制、删除、修改等操作，该文件系统通过Flash驱动实现移动闪存的文件操作，实现系统工作数据保存和备份。
图7给出本发明的一个具体实施例，在实施例中，主控制器模块系统管理程序工作流程如下：操作人员通过触摸屏选择启动主控制器模块系统管理程序，系统首先进入自检状态，巡检自身状态和各超声监测点模块状态，如果发现故障则通过LCD显示器图像文字显示和通过音频方式提醒操作者进行故障检查及排除，若故障排除，管理程序重新进行系统自检，若自检通过，进入系统功能选择界面，主要包括设定系统参数、系统校准、启动碰撞监测和关闭系统。若选择设定系统参数，系统进入工作参数设定界面，设置相关系统参数，先进行主控制器参数设定，然后依次通过无线网络启动并设定各超声监测点模块参数，保存系统工作参数，收到各超声监测点返回的停机确认信息后返回系统功能选择界面；若选择系统校准功能，进行系统校准，在各硬件模块准备就绪后，启动系统校准程序，完成各超声监测点模块距离测量精度校准，校准完成后返回；若选择启动碰撞监测功能，启动各超声参考点模块，循环监测是否收到监测点的障碍物数据，若收到一组障碍物数据则进行数据融合计算，在大尺度上进行障碍物识别与定位，将其结果创建或更新超声地图，并进行障碍物轨迹预测计算。将预测结果、当前数据以及已有超声地图数据输入防碰撞模型程序计算得出可能碰撞事件的碰撞点、碰撞时间，并进行危险等级排序，按照系统安全距离设定参数，判定是否存在碰撞风险。若存在可能碰撞，启动语音提醒报警；若不存在碰撞风险，则只通过LCD显示器图像文字显示，并将本次结果保存，然后进行再次循环监测，直至系统关闭退出；若管理程序收到关闭系统指令，首先保存工作参数，然后向各超声监测点模块发送停机指令，在收到各超声监测点模块停机确认信息后退出关闭管理程序。
图8给出本发明的一个具体实施例，在实施例中，各超声监测点模块工作流程如下：超声监测点模块主程序在收到主控制器模块发送的启动指令后，进行模块功能初始化后进入工作模式选择状态，等待主控制器模块发送工作指令。若选择系统设定模式，主程序接收工作参数进行保存并更改当前工作参数，随后进入停机模式。若选择停机模式，则首先上传本模块停机确认信号告知主控制器模块，然后停机，即进入模块低功耗状态。若选择系统监测模式，首先发射经过伪随机码调制的超声信号，然后等待接收并对接收的信号进行自相关解调，判断在系统设定的监测范围内是否有障碍物，若无，则再次启动超声发射循环监测；若监测到障碍物，则通过波形分析进行外形识别计算，通过温度补偿后进行距离计算。将本监测点的监测到的障碍物数据上传主控制器模块后，查询是否要求停机，若不停机，则返回超声发射点准备下一次监测；若要求停机，则返回到停机模式。
以上列举仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例给出的结构形式和硬件型号，还可以有许多变形(型)。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到所有变形(型)，均应认为是本发明的保护范围。