CN109052201A - 一种起重设备防碰撞预警系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重设备防碰撞预警系统及其方法。系统基于分布式模块化构架，包括分布式模块化布置的信息采集系统、信息传输系统、现场控制系统，各设备和固定障碍物置于同一坐标体系中；方法包括：采集各设备运动部件实时位置、运动方向及速度信息，经各起重设备现场初步解算后，进行相关的信息互换，计算出有碰撞可能，并预警，每0.1秒循环重复一次上述步骤。本发明构建分布式防碰撞系统架构，制定防碰撞计算规则，将起重设备间的碰撞问题分解为运动部件间的碰撞问题，采用二叉树遍历递归算法以保证碰撞现象的预测精度，再将碰撞现象进行共性化处理，编制碰撞预警算法；根据防碰撞规则和算法编制实现碰撞预警。

Description

一种起重设备防碰撞预警系统及其方法

技术领域

本发明属于机械智能控制技术领域，尤其涉及一种基于分布式模块化构架的起重设备防碰撞预警系统及其方法。

背景技术

水电站施工和现代建筑施工对门塔机的依赖程度非常大，为提高施工效率，施工单位常将多台门塔机布置在同一现场，而且经常近距离交叉作业，因此多台大型起吊设备协同作业的相互干扰在安全及作业效率等方面是常有的难题，如何避免设备间及设备与障碍物间的碰撞成为一个不能忽视的问题。

目前国内外研究机构和公司均开展了大型起吊设备防碰撞系统的开发和应用工作。针对建筑领域塔机群防碰撞系统的研究，现有技术方法对在同一工地不同型号塔机中推广应用存在兼容等不足；现有系统多用于建筑施工领域，信息传输范围小，并且多侧重于幅度限位、高度限位和角度限位等简单功能集成，防碰撞算法处理较为单一，多侧重于区域限制计算，难以全面、准确地预测塔机间碰撞的发生，无法满足水利水电工程大坝施工环境下不同类型塔机交叉作业的需要；现有系统一般采用集中式系统架构，需要服务器与所有设备进行实时通信，并且服务器上进行所有的防碰撞计算和警示信息预测，因此该系统架构通信链路数据量大，防碰撞计算处理复杂，对硬件的要求较高，难以实现模块化，不利于系统的推广与应用。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种起重设备防碰撞预警系统及其方法。本发明提供了一种基于分布式模块化构架体系设计的起重设备防撞预警系统及其方法，以降低系统硬件要求和系统成本、提高解算精度、实现模块化。

本发明通过以下技术方案实现：

一、起重设备防碰撞预警系统

起重设备防碰撞预警系统包括至少两台现场起重设备，所述系统基于分布式模块化构架，包括分布式模块化布置的信息采集系统、信息传输系统、现场控制系统；现场各起重设备和固定障碍物置于同一坐标体系中；

所述信息采集系统包括编码器，设置于各起重设备，至少获取各起重设备运动部件的位置、运动方向及速度信息；

现场控制系统基于分布式模块化构架，各起重设备均平行设置独立的现场控制系统，各起重设备的现场控制系统信息互换联通；每台起重设备的现场控制系统以自身与相关塔机或固定障碍物的信息进行防碰撞控制预警，根据碰撞是否发生和发生碰撞的距离远近发出警示；

信息传输系统包括：通过有线或无线方式将信息采集系统获取信息传输给自身起重设备的现场控制系统，各起重设备的现场控制系统通过有线或无线方式将自身和相关塔机的信息进行传输交换。

进一步所述编码器与各起重设备起升、变幅、回转机构的限位器或信息采集构件相连，获取各起重设备的位置、运动方向、速度、角度、距离信息。

所述防撞预警系统包括远程控制系统，所述远程控制系统通过无线通信与现场控制系统或服务器联接实现远程信息交换和控制。

所述现场控制系统包括PLC控制器或可编程智能处理系统。包括STM32开发板构成的控制器。

(二)、起重设备防碰撞预警方法

本发明还提供了采用上述防碰撞预警系统的防碰撞预警方法，包括以下方法：

将各起重设备和固定障碍物置于一个坐标体系中；

步骤一、布置在各起重设备上各运动部件的信息采集系统实时检测臂架、塔架和吊钩等运动部件的位置、运动方向及速度信息；

步骤二、将获取信息传输给自身起重设备的现场控制系统，各起重设备的现场控制系统解算各获取信息并进行相关的信息互换；

步骤三、现场控制系统防碰撞算法：将起重设备间碰撞分解为各设备部件之间碰撞，采用二叉树遍历递归算法计算相关运动部件的相互关系，并对所有碰撞信息进行共性化处理；若计算出有碰撞可能，以界面显示和语音提醒两种方式同时发出碰撞预警；

每0.1秒循环重复一次上述步骤。

所述远程监控系统可随时访问系统，远程控制系统用于远程观察各起重设备的运行状态，远程更新起重设备固定参数或根据施工需要远程增添或修改相关起重设备或障碍物参数，远程调取事故回放文件。

所述防碰撞算法中碰撞信息共性化处理是根据碰撞现象实质和主动设备避让原则，将碰撞现象进行三维复杂形状物体分解为多个简单形体，然后通过缩维处理，将三维形体间碰撞问题简化为平面中点线之间的距离问题，再根据碰撞实质，将所有碰撞情况归类到点-线、线-点、点碰撞固定障碍物、线碰撞固定障碍物四个共性特征进行计算识别碰撞。

所述碰撞预警是根据关联设备部件的位置、速度、运动方向结合自身设备的运动轨迹，确定潜在碰撞点，再根据自身设备的位置、运动速度、方向以及潜在碰撞点位置判断出危险范围，以剩余碰撞时间为依据分为三级预警：

一级预警：预测2秒碰撞情况，预留紧急制动距离，即2秒内需紧急制动以避免碰撞；

二级预警：预测4秒碰撞情况，预留正常制动距离，及4秒内需正常制动以避免碰撞；

三级预警：预测10秒碰撞情况，预留正常制动距离，及10秒内需正常制动以避免碰撞。

本发明将各起重设备和固定障碍物均置于一个整体坐标体系中，布置在各设备上各部件处的信息采集系统，如绝对值编码器、倾角传感器等实时检测臂架、塔架和吊钩等运动部件的位置、运动方向及速度，然后通过无线网络、无线电台或有线传输将有关信息传送给对应设备的现场控制系统进行下一步的防碰撞计算；本发明方法将碰撞分解为各设备运动部件之间碰撞，采用二叉树遍历递归算法，再对所有碰撞情况实现共性化处理。每个独立并信息互换的现场控制系统每0.1秒实时获取一次角度、钢丝绳变化长度和速度等部件位置和运动信息，并循环重复进行碰撞预警的计算。

显示界面随着各起重设备运动状态的改变实时更新，若计算检测出有碰撞可能，以界面显示和语音提醒两种方式同时发出警报。远程控制系统配备在移动电子设备，如便携式计算机上，通过与现场控制系统连接，可以远程观察各起重设备的运行状态，远程更新起重设备固定参数或根据施工需要远程增添或修改相关起重设备或障碍物参数，远程调取事故回放文件。

与现有技术相比，本发明专利具有的有益效果是：

本系统采取分布式模块化构架体系。硬件或软件组件分布在相互独立的计算机网络上，通过信息传递进行系统的协调。各设备仅需进行与其自身相关的防碰撞计算，算法更精简，降低了硬件要求；各设备硬件配置基本一致、软件实现的功能也基本相同，容易实现模块化；便于系统增加涵盖的施工设备等后期功能扩展和后续的开发及推广，适应性强。

将起重设备间碰撞分解为部件间碰撞，利用二叉树遍历递归算法，实现共性化处理，保证防碰撞系统的防碰撞预测精度，有效避免误报漏报，并可降低硬件存储和计算要求，既可提高解算精度，又可降低系统开发的难度。

通过无线网络远程监控系统，如在移动的便携式计算机上实时显示各设备位置、速度、警示、故障等信息，方便对各设备位置信息，如起重设备顶升高度、起重臂长度、吊钩倍率，以及门机塔架的高度等参数变化时的进行更新，避免了增加基站产生的选址、供电、日常维护等要求较高、较难满足实现的问题，且克服了基站与设备间的通信易受到干扰，硬件费用高，位置信息更新不方便的困难。

通过远程或现场控制系统输入固定障碍物、例如固定坝面相关位置参数，系统生成与系统涵盖设备相关的大坝已浇筑部位的轮廓，如果起重设备的运动吊罐与坝面有碰撞的可能，能够在相关起重设备的现场控制系统发出不同级别的预警。

本发明构建分布式防碰撞系统架构；制定出完备合理的起重设备群作业防碰撞计算规则；将起重设备间的碰撞问题分解为运动部件间的碰撞问题，采用二叉树遍历递归算法以保证碰撞现象的预测精度，再将碰撞现象进行共性化处理，编制碰撞预警算法；根据防碰撞规则和算法编制实现碰撞预警。

附图说明

图1是本发明系统中单台起重设备上各构件布置示意图；

图2是包含多台起重设备的整个系统布置示意图；

图3是本发明系统功能分布框图；

图4是本发明中防碰撞预警方法流程图；

图5是本发明中算法原理流程图；

图6动臂式塔机的起重臂和平臂式塔机吊钩上方钢丝绳碰撞情况缩维示意图；

图7是本发明信息采集元件回转机构与编码器安装平面示意图；

图8是本发明信息采集元件回转机构与编码器安装侧面示意图；

图9是图8剖视示意图；图中机构设置于起重机的回转运动机构处，作为门座式塔机回转机构处编码器的安装件；

图10是本发明信息采集元件在门座式塔机变幅/起升机构处编码器安装结构正面示意图；

图11是本发明信息采集元件在门座式塔机变幅/起升机构处编码器安装结构侧面示意图。

图中，1是起重设备塔身；代表起重设备的初始位置信息；2是起重设备的吊钩及悬吊物；3是起重设备的起重臂；4是进行信息转化处理的控制箱；5是进行信息分析计算的平板电脑；6是无线通讯设备；7是用于远程监控的移动便携设备；8-1是回转轴；8-2是支架；8-3是孔用卡环；8-4是轴承；8-5是齿轮；8-6是轴端挡圈；8-7是垫圈；8-8是螺栓；8-9是键；8-10是轴用卡环；9-1是限位器输出轴；9-2是一对凸台齿轮，模数为1，齿数59和120；9-3是编码器支架；9-4是编码器支架底板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

结合附图。

起重设备防撞预警系统，包括至少两台现场起重设备，系统基于分布式模块化构架，包括分布式模块化布置的信息采集系统、信息传输系统、现场控制系统；现场各起重设备和固定障碍物置于同一坐标体系中；本系统框架布置示意图如图3所示：

信息采集系统包含编码器，布置于各起重设备，至少获取各起重设备运动部件的位置、运动方向及速度信息；

现场控制系统基于分布式模块化构架，各起重设备均平行设置独立的现场控制系统，各起重设备的现场控制系统相互联通进行信息互换；每台起重设备的现场控制系统以自身与相关塔机或固定障碍物的信息进行防碰撞控制预警，根据碰撞是否发生和发生碰撞的距离远近发出警示；

信息传输系统包括：通过有线或无线方式将信息采集系统获取信息传输给自身起重设备的现场控制系统，各起重设备的现场控制系统通过无线网络将自身和相关塔机的信息进行传输交换。

防撞预警系统包括远程控制系统，所述远程控制系统通过无线通信与现场控制系统或服务器联接实现远程信息交换和控制。

编码器与各起重设备起升、变幅、回转机构的限位器或信息采集构件相连，解算后可获取各起重设备的位置、运动方向、速度、角度、距离信息。

现场控制系统包括STM32开发板或可编程智能处理系统。

本发明起重设备防撞预警方法包括以下方法：

将各起重设备和固定障碍物置于一个整体坐标体系中；

步骤一、布置在各起重设备上各运动部件的信息采集系统实时检测臂架、塔架和吊钩等运动部件的位置、运动方向及速度；

步骤二、将获取到的信息传输给自身起重设备的现场控制系统进行初步解算后，各起重设备的现场控制系统进行相关的信息互换；

步骤三、现场控制系统获取自身及对方运动信息后，调用防碰撞算法，若计算出有碰撞可能，即门塔机间可能的碰撞情况和吊罐与障碍物间可能的碰撞情况，以界面显示和语音提醒两种方式同时发出警报。防碰撞算法推演过程如下：首先将起重设备间碰撞分解为各设备部件之间碰撞，采用二叉树遍历递归算法求得所得碰撞情况，再进行共性化处理以及缩维处理，将二十几种三维形体碰撞情况解算的核心归类到四种平面点线距离的计算函数中。调用算法时依次判断各运动部件间的相互关系，选择相应的核心算法进行碰撞预警计算。

每0.1秒循环重复一次上述步骤。

每台设备碰撞预警流程图如图4所示。

本发明还可以通过远程控制系统远程观察各起重设备的运行状态，远程更新起重设备固定参数或根据施工需要远程增添或修改相关起重设备或障碍物参数，远程调取事故回放文件。

以上采用二叉树遍历递归算法计算相关运动部件的相互关系即把现场门塔机复杂形体进行合理分解，使其分解为简单形体的组合，如将塔机设备解析为起重臂、平衡臂、塔身、钢丝绳等简单形体，然后将设备间的碰撞问题合理分解为部件间碰撞问题，如在某托水电工程施工设备间存在26种碰撞现象，采用二叉树遍历递归算法对所有部件间可能的碰撞现象进行预测，既保证了碰撞现象的预测精度，也降低了计算要求，从而减轻了硬件存储负担。

以上所述算法中实现共性化处理是对三维复杂形状物体进行分解为多个简单形体处理，然后通过缩维处理，将三维形体间碰撞问题简化为平面中点线之间的距离问题，再根据碰撞现象实质和主动设备避让原则，最终所有碰撞情况归类到点碰撞线、线碰撞点、点碰撞固定障碍物、线碰撞固定障碍物等四个共性计算函数中，如此算法得到精简，进而可预测所有碰撞现象。

算法的实现，结合图5说明，以某水电工程的情况为例具体说明：将塔机设备解析为起重臂、平衡臂、塔身等简单形体后，可将设备间的碰撞问题分解为部件间碰撞问题，并采用遍历递归算法对所有碰撞现象进行预测，例如该水电站涵盖有26种碰撞现象。再根据碰撞现象实质和主动设备避让原则，将碰撞现象进行初步共性化处理，然后进行缩维处理，即把三维简单形体间碰撞问题转化成三维形体投影平面上点线之间的碰撞和高度判断辅助两部分，例如起重臂转化为平面上一条线、钢丝绳转化为平面上一个点、塔身范围转化为平面上一个矩形等等，计算核心就转移到了平面点线之间距离的计算上，再将转化之后的碰撞现象进行归类，最终确定点碰撞线、线碰撞点和点碰撞固定障碍物、线碰撞固定障碍物共四个基础计算函数。

本发明防碰撞预警方法，首先根据关联设备部件的位置、速度、运动方向结合自身设备的运动轨迹，确定潜在碰撞点，再根据自身设备的位置、运动速度、方向以及潜在碰撞点位置判断出危险范围，以剩余碰撞时间为依据分为三级预警：

一级预警：预测2秒碰撞情况，预留紧急制动距离，即2秒内需紧急制动以避免碰撞；

二级预警：预测4秒碰撞情况，预留正常制动距离，及4秒内需正常制动以避免碰撞；

三级预警：预测10秒碰撞情况，预留正常制动距离，及10秒内需正常制动以避免碰撞；

显示界面随着各起重设备运动状态的改变实时更新，若计算检测出有碰撞可能，以界面显示和语音提醒两种方式同时发出警报，如图1中下方警示灯和显示器报警两种报警方式。远程控制系统配备在移动电子设备，如便携式计算机上，通过与现场控制系统连接，可以远程观察各起重设备的运行状态，远程更新起重设备固定参数或根据施工需要远程增添或修改相关起重设备或障碍物参数，远程调取事故回放文件。

本发明系统中涵盖的各施工设备上均安装有信息采集、传输、处理装置以及安装其司机室的平板电脑(主要用于运行防碰撞软件并发出预警信息)，每台施工设备配置的硬件设施(设备)基本相同，各设备针对与自身有关的防碰撞预警计算同时展开。以系统中任意一台塔机A为例，首先，通过信息采集和信息处理装置(编码器、数据处理模块等)实时地检测出该塔机相应部件(如臂架、变幅小车及吊钩等)的位置、运动方向和速度，将以上获取的塔机A的运动状态信息通过无线网络传输给塔机A司机室的平板电脑、通过无线电台设备传给另外几台塔机的平板电脑；与此同时，塔机A的平板电脑通过网络获取了自身设备位置和速度等参数、通过电台获取了对方(相关)设备的位置和速度等参数，其后利用以上参数进行实时分析和计算，得到施工现场各设备及部件的立体位置和运动趋势；若塔机A与相关设备(及其构件)或某固定障碍物相互距离过近且塔机A将遭遇碰撞危险时，碰撞信息通过平板电脑实时显示，并提醒可能发生碰撞的相关设备操作人员采取相应的措施进行避让，避免碰撞事故的发生。

由工作原理可以知，本系统采取分布式模块化构架体系。而以往采用的集成式系统架构系统需要设置基站，基站的服务器需要与所有设备实现通信并进行全部设备间的防碰撞情况计算，对硬件要求高，系统构建和维护难度高，后续开发对程序改动量大，需增加的硬件多，适应性差。而对于分布式模块化构架体系，硬件或软件组件分布在不同的相互独立的网络计算机上，通过信息传递进行通信和系统的协调。各设备仅需进行与其自身相关设备间的防碰撞计算，算法更精简，计算量减小，降低了硬件要求；各设备硬件配置基本一致、软件实现的功能也基本相同，容易实现模块化；便于系统增加涵盖的施工设备等后期功能扩展和后续的开发及推广，适应性强。

下面对各附图进行说明。

如图1所示，为本系统中单台起重设备上各构件布置示意图；如图2所示，为包含多台起重设备的整个系统布置示意图，图中，各设备之间的箭头代表信息的流向。

系统布置如下：以某水电站为例，系统中涵盖的各施工设备上均安装有信息采集、传输、处理装置以及安装在司机室的平板电脑5，用于进行数据分析计算并发出预警信息，每台施工设备配置的硬件设施基本相同，各施工设备针对与自身有关的防碰撞预警计算同时展开。取系统中任意一台塔机A为例。首先，如图1所示，在塔机运动部件处，如塔身1、变幅小车及吊钩2、臂架3安装信息采集元件，本例采用编码器，于司机室内设置信息处理装置，数据处理模块4采用STM32开发板或可编程智能处理系统，通过信息采集和处理装置实时地检测并解算出该塔机相应部件的位置、运动方向和速度。将以上获取的塔机A的运动状态信息通过无线网络传输给塔机A司机室的平板电脑5，如图2所示，通过无线电台设备6传给另外几台塔机的平板电脑5；与此同时，塔机A的平板电脑5通过无线网络获取了自身设备以及对方(相关)设备的位置和速度等参数，其后利用以上参数进行实时分析和计算，得到施工现场各设备及部件的立体位置和运动趋势；若塔机A与相关设备(及其构件)或某固定障碍物相互距离过近且塔机A将遭遇碰撞危险时，如图1所示，碰撞信息通过平板电脑5实时显示，并语音提醒可能发生碰撞的相关设备操作人员采取措施进行避让，避免碰撞事故的发生。

如图3所示，是本发明中起重设备防碰撞预警系统功能分布框图。现场包括至少两台现场起重设备；系统基于分布式模块化构架，包括分布式模块化布置的信息采集系统、信息传输系统、现场控制系统、远程监控系统；现场各起重设备和固定障碍物置于同一坐标体系中。

信息采集系统包含若干个编码器，编码器与各起重设备起升、变幅、回转机构的限位器或信息采集构件相连，解算后可获取各起重设备的位置、运动方向、速度、角度、距离信息。

信息传输系统包括路由器和无线电台等，它将信息采集系统获取的信息传输给自身起重设备的现场控制系统，同时各起重设备的现场控制系统通过信息传输系统将自身和相关塔机的信息进行交换传输。

现场控制系统包括STM32开发板或可编程智能处理系统，基于分布式模块化构架，各起重设备均平行设置独立的现场控制系统。各起重设备的现场控制系统相互联通进行信息互换，可获取自身与相关塔机或固定障碍物的实时位置和运动信息，电脑软件界面模拟现场实时运行状态，同时进行实时防碰撞计算，根据碰撞是否发生和发生碰撞的距离远近发出警示。

远程监控系统配备于移动电子设备上，通过无线网络与现场控制系统或服务器联接实现远程信息交换和控制。可以远程观察各起重设备的运行状态，远程更新起重设备固定参数或根据施工需要远程增添或修改相关起重设备或障碍物参数，远程调取事故回放文件。

如图4所示，是本发明的防碰撞预警方法流程，首先根据关联设备部件的位置、速度、运动方向结合自身设备的运动轨迹，确定潜在碰撞点，再根据自身设备的位置、运动速度、方向以及潜在碰撞点位置判断出危险范围，以剩余碰撞时间为依据分为三级预警：

一级预警，预测2秒碰撞情况，预留紧急制动距离，即2秒内需紧急制动以避免碰撞；

二级预警，预测4秒碰撞情况，预留正常制动距离，及4秒内需正常制动以避免碰撞；

三级预警，预测10秒碰撞情况，预留正常制动距离，及10秒内需正常制动以避免碰撞。

每0.1秒为一个周期，进行一次碰撞可能性的判断。显示界面随着各起重设备运动状态的改变实时更新，若计算检测出有碰撞可能，以界面显示和语音提醒两种方式同时发出警报。

关于本发明中采用的算法原理，如图5所示。

其中，二叉树遍历递归算法计算相关运动部件的相互关系，指的是把现场门塔机复杂形体进行合理分解，使其分解为简单形体的组合，如将塔机设备解析为起重臂、平衡臂、塔身、钢丝绳等简单形体，然后将设备间的碰撞问题合理分解为部件间碰撞问题，如在某托水电工程施工设备间存在26种碰撞现象，采用二叉树遍历递归算法对所有部件间可能的碰撞现象进行预测，既保证了碰撞现象的预测精度，也降低了计算要求，从而减轻了硬件存储负担。

其中，实现共性化处理，指的是将三维复杂形状物体分解为多个简单形体后，通过缩维处理，将三维形体间碰撞问题简化为平面中点线之间的距离问题，再根据碰撞现象实质和主动设备避让原则，最终所有碰撞情况归类到点碰撞线、线碰撞点、点碰撞固定障碍物、线碰撞固定障碍物等四个共性计算函数中，如此算法得到精简，进而可预测所有碰撞现象。

算法的实现流程，则依照图5所示：将塔机设备解析为起重臂、平衡臂、塔身等简单形体后，可将设备间的碰撞问题分解为部件间碰撞问题，并采用遍历递归算法对所有碰撞现象进行预测，例如某托水电站涵盖有26种碰撞现象。再根据碰撞现象实质和主动设备避让原则，将碰撞现象进行初步共性化处理，然后进行缩维处理，即把三维简单形体间碰撞问题转化成三维形体投影平面上点线之间的碰撞和高度判断辅助两部分，例如起重臂转化为平面上一条线、钢丝绳转化为平面上一个点、塔身范围转化为平面上一个矩形等等，计算核心就转移到了平面点线之间距离的计算上，再将转化之后的碰撞现象进行归类，最终确定点碰撞线、线碰撞点和点碰撞固定障碍物、线碰撞固定障碍物共四个基础计算函数。

关于算法中某种碰撞现象的具体计算方法，以某水电站所涵盖起重设备为例说明。现场共有两台平臂式塔机和一台动臂式塔机。平臂式塔机的起重臂固定在水平位置上,变幅是通过起重臂上的运行小车来实现,它能充分利用幅度，但不能调整仰角。动臂式塔机变幅由改变起重臂的仰角来实现，它可以充分发挥起重高度。受场地限制，存在动臂式塔机的起重臂和平臂式塔机吊钩上方钢丝绳碰撞的可能，以此种情况为例进行分析，如图6所示：

图6是两台塔机在投影平面的轨迹图。右侧设备为主动设备，即有碰撞可能时需要发出警报的设备，其碰撞部件是起重臂，经过缩维处理，可简化为一条一端固定、另一端轨迹为圆的线段；左侧设备为被动设备，代表平臂式塔机，其碰撞部件为钢丝绳，经过缩维处理，可简化为一个轨迹为圆的点。两台塔机底座固定，塔身中心轴距离为L，左侧的平臂式塔机经过变幅后钢丝绳距离塔身中心轴的回转半径为R1，右侧的动臂式塔机经过变幅后起重臂最高点在投影平面上距离塔身中心轴的回转半径为R2。根据R1、R2、L的关系，在缩维后的线与点碰撞计算中，共分为四种具体情形，包括1)R1+L<R2(R1极小)；2)R1>L+R2(R2极小)；3)R1+R2<L(R1、R2均很小，轨迹无交点)；4)其他(R1、R2圆形轨迹有交点)。经过以上转化，计算核心变为平面点线之间距离的计算，精简了计算过程。

如图7至图11所示，信息采集元件——编码器的安装，以某水电站为例，本系统中分回转机构和变幅/起升机构设计了两组安装件。对于一般的变幅或起升机构，卷筒附近原先均安装有限位器，通过限位器输出轴可获取转过的角度信息，再解算出所需的运动方向、运动速度等信息。如图10和图11所示，以限位器的输出轴9-1作为编码器的信息输入轴，设计支架9-3和底板9-4承托编码器。考虑到纵向空间有限，无法直接通过联轴器将限位器输出轴和编码器输入轴相连，额外设计一对齿轮9-2起到传递角度信息、变换方向的作用。对于门座式塔机回转机构而言，如图7至图9所示，原本未安装限位器，只能通过回转机构自带大齿轮传递出角度信息，设计一小齿轮8-5与原有大齿轮啮合，小齿轮与一齿轮轴8-1固联，编码器与此齿轮轴通过联轴器相接从而获取角度信息进行下一步处理。

Claims (9)

1.一种起重设备防碰撞预警系统，包括至少两台现场起重设备，其特征在于：所述系统基于分布式模块化构架，包括分布式模块化布置的信息采集系统、信息传输系统、现场控制系统；现场各起重设备和固定障碍物置于同一坐标体系中；

所述信息采集系统包括编码器，设置于各起重设备，至少获取各起重设备运动部件的位置、运动方向及速度信息；

现场控制系统基于分布式模块化构架，各起重设备均平行设置独立的现场控制系统，各起重设备的现场控制系统信息互换联通；每台起重设备的现场控制系统以自身与相关塔机或固定障碍物的信息进行防碰撞控制预警，根据碰撞是否发生和发生碰撞的距离远近发出警示；

信息传输系统包括：通过有线或无线方式将信息采集系统获取信息传输给自身起重设备的现场控制系统，各起重设备的现场控制系统通过有线或无线方式将自身和相关塔机的信息进行传输交换。

2.根据权利要求1所述的起重设备防碰撞预警系统，其特征在于：所述编码器与各起重设备起升、变幅、回转机构的限位器或信息采集构件相连，获取各起重设备的位置、运动方向、速度、角度、距离信息。

3.根据权利要求2所述的起重设备防碰撞预警系统，其特征在于：所述防撞预警系统包括远程控制系统，所述远程控制系统通过无线通信与现场控制系统或服务器联接实现远程信息交换和控制。

4.根据权利要求1所述的起重设备防碰撞预警系统，其特征在于：所述现场控制系统包括PLC控制器或可编程智能处理系统。

5.根据权利要求4所述的起重设备防碰撞预警系统，其特征在于：所述现场控制系统包括STM32开发板构成的控制器。

6.一种起重设备防碰撞预警方法，其特征在于：所述起重设备防撞预警方法采用权利要求1至5任一项所述的起重设备防撞预警系统，包括以下方法：

将各起重设备和固定障碍物置于一个坐标体系中；

步骤一、布置在各起重设备上各运动部件的信息采集系统实时检测臂架、塔架和吊钩等运动部件的位置、运动方向及速度信息；

步骤二、将获取信息传输给自身起重设备的现场控制系统，各起重设备的现场控制系统解算各获取信息并进行相关的信息互换；

步骤三、现场控制系统防碰撞算法：将起重设备间碰撞分解为各设备部件之间碰撞，采用二叉树遍历递归算法计算相关运动部件的相互关系，并对所有碰撞信息进行共性化处理；若计算出有碰撞可能，以界面显示和语音提醒两种方式同时发出碰撞预警；

每0.1秒循环重复一次上述步骤。

7.根据权利要求6所述的起重设备防碰撞预警方法，其特征在于：所述远程监控系统可随时访问系统，远程控制系统用于远程观察各起重设备的运行状态，远程更新起重设备固定参数或根据施工需要远程增添或修改相关起重设备或障碍物参数，远程调取事故回放文件。

8.根据权利要求6所述的起重设备防碰撞预警方法，其特征在于：所述防碰撞算法中碰撞信息共性化处理是根据碰撞现象实质和主动设备避让原则，将碰撞现象进行三维复杂形状物体分解为多个简单形体，然后通过缩维处理，将三维形体间碰撞问题简化为平面中点线之间的距离问题，再根据碰撞实质，将所有碰撞情况归类到点-线、线-点、点碰撞固定障碍物、线碰撞固定障碍物四个共性特征进行计算识别碰撞。

9.根据权利要求6所述的起重设备防碰撞预警方法，其特征在于：所述碰撞预警是根据关联设备部件的位置、速度、运动方向结合自身设备的运动轨迹，确定潜在碰撞点，再根据自身设备的位置、运动速度、方向以及潜在碰撞点位置判断出危险范围，以剩余碰撞时间为依据分为三级预警：

一级预警：预测2秒碰撞情况，预留紧急制动距离，即2秒内需紧急制动以避免碰撞；

二级预警：预测4秒碰撞情况，预留正常制动距离，及4秒内需正常制动以避免碰撞；

三级预警：预测10秒碰撞情况，预留正常制动距离，及10秒内需正常制动以避免碰撞。