CN108706469A - 基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统，包括：第一毫米波雷达，其安装于起重机的大车上，用于采集大车与位于其纵向运行轨道上的障碍物之间的纵向距离信息；第二毫米波雷达，其安装于起重机的小车上，用于采集小车与位于其横向运行轨道上的障碍物之间的横向距离信息；第三毫米波雷达，其安装于起重机的吊钩上，用于采集吊钩与位于其同一水平面上的障碍物之间的水平距离信息；防撞控制器，其用于接收第一毫米波雷达采集到的纵向距离信息、第二毫米波雷达采集到的横向距离信息和第三毫米波雷达采集到的水平距离信息。本发明可以实现同层或不同层运行起重机的防撞预警和控制，保护负载和轨道周围工作人员和设备的安全。
Description
技术领域
本发明属于起重机安全控制技术领域，具体涉及一种基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统。
背景技术
桥式起重机作为一种重要的物料运输工具，广泛应用于冶金、码头、生产车间等场所。传统的起重机作业过程中，采用警示方法进行警示，如写有“起重机工作空间内严禁停留”的安全标示等，或起重机工作过程中警示灯闪烁及声音提示等。然而由于起重机工作空间情况比较复杂，需要起重机操作人员高度警惕，这样就增加了起重机操作的困难性。在起重机工作过程中，操作人员在控制起重机作业过程中，由于起重机缺少主动的避障预警和控制策略，极易因为只关注运输的货物而导致起重机与周围工作人员或设备发生碰撞。现代工厂中通常在同层导轨上布置多台起重机，同时为了合理利用工厂车间竖直方向空间，将起重机按照导轨高低进行分层布置。因此起重机的作业过程将包括单台作业、同层多台同时独立和协同作业、不同层起重机同时作业等，因此起重机操作人员在作业过程中需要考虑周围工作人员和设备的安全，存在极大的安全隐患。
现有防撞技术主要利用接触传感器和非接触传感器两种方式实现。
接触传感器方式为终点限位控制，通过将接触传感器障碍物前方一定距离，控制起重机提前减速来实现起重机的防撞。接触传感器防撞控制方式实现简单，成本低，但是其只能运动方向上已知固定障碍物的防撞，是一种被动防撞方式，极大的限制了起重机的自动化和高速化。
非接触传感器方式通过实时检测起重机与障碍物之间的距离，通过设定运行安全距离实行起重机的减速运行控制来实现起重机的主动避障。目前在起重机上应用的非接触传感器包括红外、激光、超声波等。其中红外测距传感器制作简单，成本低，易受光线影响，适用于光线较暗的工作环境，但测量距离近，最小测量距离大。激光测距传感器方向性强，响应速度快，测量精度高，但价格昂贵，且起重机防撞中应用的激光测距传感器多为激光光束，测量范围小，光学系统清洁维护困难。超声波测距传感器方向性强，成本低，但测量精度低，由于声速传输速率慢，因此不适宜长距离测量。
发明内容
针对现有技术中防撞控制系统存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统，它可以实现同层或不同层运行起重机的防撞预警和控制，保护负载和轨道周围工作人员和设备的安全。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统，该系统包括：
第一毫米波雷达，其安装于起重机的大车上，用于采集大车与位于其纵向运行轨道上的障碍物之间的纵向距离信息；
第二毫米波雷达，其安装于起重机的小车上，用于采集小车与位于其横向运行轨道上的障碍物之间的横向距离信息；
第三毫米波雷达，其安装于起重机的吊钩上，用于采集吊钩与位于其同一水平面上的障碍物之间的水平距离信息；
防撞控制器，其用于接收第一毫米波雷达采集到的纵向距离信息、第二毫米波雷达采集到的横向距离信息和第三毫米波雷达采集到的水平距离信息，所述防撞控制器内预设有大车的纵向安全距离、小车的横向安全距离和吊钩的水平安全距离；
所述防撞控制器在大车与位于其纵向运行轨道上的障碍物之间的纵向距离小于纵向安全距离时控制大车减速至停止，在小车与位于其横向运行轨道上的障碍物之间的横向距离小于横向安全距离时控制小车减速至停止，在吊钩与其周围障碍物之间的水平距离小于水平安全距离时控制大车或小车减速至停止。
按上述技术方案，当起重机布置在不同高度层时，该系统还包括安装于起重机的起升机构卷筒上的编码器，其用于采集吊绳的竖直长度信息并发送给防撞控制器；
所述防撞控制器在上层起重机的吊绳的竖直长度大于上层起重机与下层起重机之间的高度，且上层起重机的吊钩与其周围障碍物之间的水平距离小于水平安全距离时，控制上层起重机的起升机构起升，直至上层起重机的吊绳的竖直长度小于上层起重机与下层起重机之间的高度，同时控制上层起重机和/或下层起重机的大车或小车减速至停止。
按上述技术方案，该系统还包括与所述防撞控制器连接的报警器，所述报警器用于在大车与位于其纵向运行轨道上的障碍物之间的纵向距离小于纵向安全距离、或小车与位于其横向运行轨道上的障碍物之间的横向距离小于横向安全距离或者吊钩与其周围障碍物之间的水平距离小于水平安全距离时进行报警。
按上述技术方案，所述报警器为声光报警器。
按上述技术方案，该系统还包括与所述防撞控制器连接的显示器，所述显示器用于实时显示第一毫米波雷达采集到的纵向距离信息、第二毫米波雷达采集到的横向距离信息和第三毫米波雷达采集到的水平距离信息。
按上述技术方案，所述第一毫米波雷达、第二毫米波雷达和第三毫米波雷达与防撞控制器之间采用无线通信方式连接。
按上述技术方案，所述编码器、大车、小车和起升机构与防撞控制器之间采用工业现场总线通信方式。
按上述技术方案，所述第一毫米波雷达、第二毫米波雷达和第三毫米波雷达均包括毫米波雷达A和毫米波雷达B，所述毫米波雷达A用于实时测量大车、小车和吊钩与位于其周边的障碍物之间的距离，所述毫米波雷达B用于实时测量大车、小车和吊钩与位于其各自对应的安全距离内的障碍物之间的距离，所述防撞控制器在毫米波雷达B采集的距离信息小于对应的安全距离且起重机无减速运行时，控制大车或小车减速并对毫米波雷达A进行故障报警。
本发明产生的有益效果是：本发明利用毫米波雷达的测距功能，可以实现最近目标距离小于设定值式的起重机减速控制，实现起重机工作空间范围内已知障碍物和随机障碍物的防撞控制；同时，为保护轨道周围工作人员和设备的安全，利用毫米波雷达的速度测量功能，可以实现目标物体距离和速度的测量以及多目标物体的识别；另外，基于毫米波较强的穿透性，可以有效避免灰尘等的干扰。
本发明基于毫米波雷达实现起重机全方位、多层次的智能防撞，有效提高了起重机操作的安全性、稳定性和工作效率，且其结构简单、穿透性强、稳定性强，可以全天候全天时工作，可有效提高起重机的自动化和智能化水平，有利于推动无人车间和智能工厂建设。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例的结构示意框图；
图2为本发明实施例中第一毫米波雷达的结构示意图；
图3为本发明实施例中第一毫米波雷达的多目标分辨示意图；
图4为本发明应用于同一高度层起重机的示意图；
图5为本发明实施例中小车的位置示意图；
图6为本发明应用于不同高度层起重机的示意图。
图中：1-第一毫米波雷达，2-第二毫米波雷达，4-第一大车，5-第二大车，6-第三大车，7-第一小车，8-第二小车，9-第一负载，10-第三负载。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统，包括：
第一毫米波雷达，其安装于起重机的大车上，用于采集大车与位于其纵向运行轨道上的障碍物之间的纵向距离信息；
第二毫米波雷达，其安装于起重机的小车上，用于采集小车与位于其横向运行轨道上的障碍物之间的横向距离信息；
第三毫米波雷达，其安装于起重机的吊钩上，用于采集吊钩与位于其同一水平面上的障碍物之间的水平距离信息；
防撞控制器，其用于接收第一毫米波雷达采集到的纵向距离信息、第二毫米波雷达采集到的横向距离信息和第三毫米波雷达采集到的水平距离信息，防撞控制器内预设有大车的纵向安全距离、小车的横向安全距离和吊钩的水平安全距离；
防撞控制器在大车与位于其纵向运行轨道上的障碍物之间的纵向距离小于纵向安全距离时控制大车减速至停止，在小车与位于其横向运行轨道上的障碍物之间的横向距离小于横向安全距离时控制小车减速至停止，在吊钩与其周围障碍物之间的水平距离小于水平安全距离时控制大车或小车减速至停止。
在本发明的优选实施例中，如图1、图6所示,当起重机布置在不同高度层时，该系统还包括安装于起重机的起升机构卷筒上的编码器，其用于采集吊绳的竖直长度信息并发送给防撞控制器；防撞控制器在上层起重机的吊绳的竖直长度大于上层起重机与下层起重机之间的高度，且上层起重机的吊钩与其周围障碍物之间的水平距离小于水平安全距离时，控制上层起重机的起升机构起升，直至上层起重机的吊绳的竖直长度小于上层起重机与下层起重机之间的高度，同时控制上层起重机和/或下层起重机的大车或小车减速至停止。本发明利用毫米波雷达测量距离和编码器测量起吊绳长长度，通过数据分析计算，可以实现不同层起重机的防撞控制，从而显著提高了起重机的工作效率、操作安全性和稳定性。
在本发明的优选实施例中，如图1所示,该系统还包括与防撞控制器连接的报警器，报警器用于在大车与位于其纵向运行轨道上的障碍物之间的纵向距离小于纵向安全距离、或小车与位于其横向运行轨道上的障碍物之间的横向距离小于横向安全距离或者吊钩与其周围障碍物之间的水平距离小于水平安全距离时进行报警，其中，报警器可选用声光报警器。
在本发明的优选实施例中，如图1所示,该系统还包括与防撞控制器连接的显示器，显示器用于实时显示第一毫米波雷达采集到的纵向距离信息、第二毫米波雷达采集到的横向距离信息和第三毫米波雷达采集到的水平距离信息。
为实现数据的稳定可靠传输，在本发明的优选实施例中，第一毫米波雷达、第二毫米波雷达和第三毫米波雷达与防撞控制器之间采用无线通信方式连接，编码器、大车、小车、显示器和起升机构与防撞控制器之间采用工业现场总线通信方式。
为了提高毫米波雷达的可靠性，在本发明的优选实施例中，如图2所示，第一毫米波雷达、第二毫米波雷达和第三毫米波雷达均包括毫米波雷达A和毫米波雷达B，毫米波雷达A用于实时测量大车、小车和吊钩与位于其周边的障碍物之间的距离，毫米波雷达B用于实时测量大车、小车和吊钩与位于其各自对应的安全距离内的障碍物之间的距离，防撞控制器在毫米波雷达B采集的距离信息小于对应的安全距离且起重机无减速运行时，控制大车或小车减速并对毫米波雷达A进行故障报警。
如图4-图6所示，第一毫米波雷达的发射端沿大车轨道方向安装在大车两端，其反射端安装在大车轨道的两端，第二毫米波雷达的发射端沿小车轨道方向安装在小车的两端，其反射端安装在小车轨道的两端，其中大车、小车和起升运行机构均由变频器、电机和机械结构构成。
本发明的工作原理为：
1、设水平安全距离为s，起吊负载最大尺寸为m，不同层起重机之间的高度为h；
2、针对同层运行起重机的防撞，如图4、图5所示，同层上有第一大车4、第二大车5、第一小车7和第二小车8，每个大车上都安装有第一毫米雷达1，每个小车上都安装有第二毫米雷达2，每个吊钩上都安装有第三毫米雷达，在起重机运行过程中，第三毫米雷达波实时测量吊钩与最近障碍物之间的水平距离，采集到的水平距离小于水平安全距离s时，防撞控制器控制大车或小车减速运行，实现同层运行起重机的智能防撞警示和控制；
3、针对不同层运行起重机的防撞，如图6所示，上层布置有第一大车4，上层起重机起吊第一负载9，下层布置有第三大车6，下层起重机起吊第三负载10，每个大车上都安装有第一毫米雷达，每个吊钩上都安装有第三毫米雷达，根据毫米波传感器测量距离，可知，第一大车运行方向上第一大车的坐标根据编码器测得第一负载起吊绳长为l1，同理得第三大车的坐标xⅢ，若在第三大车运行导轨方向上第三大车的长度为r；
当r/2>m/2时，若第三大车静止或与第一大车相向运动，且同时满足时，防撞控制器控制第一大车减速运行，同时控制上层起重机的起升机构起升，起升高度为l1-h，若第三大车与第一大车对向运动，且同时满足时，防撞控制器控制第一大车和第三大车减速运行，同时控制第一起升机构起升，起升高度为l1-h；
当r/2≤m/2时，若第三大车静止或与第一大车相向运动，且同时满足时，防撞控制器控制第一大车减速运行，同时控制上层起重机的起升机构起升，起升高度为l1-h，若第三大车与第一大车对向运动，且同时满足时，防撞控制器控制第一大车和第三大车减速运行，同时控制上层起重机的起升机构起升，起升高度为l1-h。
本发明中，防撞控制器可以接收数据，并通过数据分析和处理，智能识别目标物体，并根据起重机运行机构运动特性，计算得到起重机运行机构控制参数。
本发明的多目标识别工作过程为：当毫米波雷达测量轨道周围障碍物时，利用毫米波雷达的精确测量距离和多目标辨识功能，实现最近目标距离的测量和负载或运行轨道周围工作人员和设备的识别，从而实现避免起重机碰撞的发生，保护轨道周围工作人员和设备的安全。其具体测量原理为：基于毫米波雷达的速度测量功能，如图3所示，在起重机大小车运动过程中，轨道A点相对毫米波雷达距离不变，也即相对静止，则有测量速率为零，而当测量随机障碍物时，B点或C点的速率实时改变，从而可得目标物体距离，则有可以实现轨道周围工作人员和设备的防撞控制。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统，其特征在于，该系统包括：
第一毫米波雷达，其安装于起重机的大车上，用于采集大车与位于其纵向运行轨道上的障碍物之间的纵向距离信息；
第二毫米波雷达，其安装于起重机的小车上，用于采集小车与位于其横向运行轨道上的障碍物之间的横向距离信息；
第三毫米波雷达，其安装于起重机的吊钩上，用于采集吊钩与位于其同一水平面上的障碍物之间的水平距离信息；
防撞控制器，其用于接收第一毫米波雷达采集到的纵向距离信息、第二毫米波雷达采集到的横向距离信息和第三毫米波雷达采集到的水平距离信息，所述防撞控制器内预设有大车的纵向安全距离、小车的横向安全距离和吊钩的水平安全距离；
所述防撞控制器在大车与位于其纵向运行轨道上的障碍物之间的纵向距离小于纵向安全距离时控制大车减速至停止，在小车与位于其横向运行轨道上的障碍物之间的横向距离小于横向安全距离时控制小车减速至停止，在吊钩与其周围障碍物之间的水平距离小于水平安全距离时控制大车或小车减速至停止。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统，其特征在于，当起重机布置在不同高度层时，该系统还包括安装于起重机的起升机构卷筒上的编码器，其用于采集吊绳的竖直长度信息并发送给防撞控制器；
所述防撞控制器在上层起重机的吊绳的竖直长度大于上层起重机与下层起重机之间的高度，且上层起重机的吊钩与其周围障碍物之间的水平距离小于水平安全距离时，控制上层起重机的起升机构起升，直至上层起重机的吊绳的竖直长度小于上层起重机与下层起重机之间的高度，同时控制上层起重机和/或下层起重机的大车或小车减速至停止。
3.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统，其特征在于，该系统还包括与所述防撞控制器连接的报警器，所述报警器用于在大车与位于其纵向运行轨道上的障碍物之间的纵向距离小于纵向安全距离、或小车与位于其横向运行轨道上的障碍物之间的横向距离小于横向安全距离或者吊钩与其周围障碍物之间的水平距离小于水平安全距离时进行报警。
4.根据权利要求3所述的基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统，其特征在于，所述报警器为声光报警器。
5.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统，其特征在于，该系统还包括与所述防撞控制器连接的显示器，所述显示器用于实时显示第一毫米波雷达采集到的纵向距离信息、第二毫米波雷达采集到的横向距离信息和第三毫米波雷达采集到的水平距离信息。
6.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统，其特征在于，所述第一毫米波雷达、第二毫米波雷达和第三毫米波雷达与防撞控制器之间采用无线通信方式连接。
7.根据权利要求2所述的基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统，其特征在于，所述编码器、大车、小车和起升机构与防撞控制器之间采用工业现场总线通信方式。
8.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的起重机智能防撞系统，其特征在于，所述第一毫米波雷达、第二毫米波雷达和第三毫米波雷达均包括毫米波雷达A和毫米波雷达B，所述毫米波雷达A用于实时测量大车、小车和吊钩与位于其周边的障碍物之间的距离，所述毫米波雷达B用于实时测量大车、小车和吊钩与位于其各自对应的安全距离内的障碍物之间的距离，所述防撞控制器在毫米波雷达B采集的距离信息小于对应的安全距离且起重机无减速运行时，控制大车或小车减速并对毫米波雷达A进行故障报警。
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