CN109775572A - 一种基于uwb的非同轨道起重防撞保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置及方法，包括UWB基站、UWB标签和防撞控制模块，控制电路密封箱内设有电连接的供电模块和防撞控制模块，UWB标签安装在一台起重机械上，UWB基站设在起重机械两侧的防撞点或另一台起重机械上，防撞控制模块包括主控器以及分别与主控器电连接的信号显示电路、RS422通讯电路、声光报警电路、防撞控制电路和远程输出电路。本发明提供的一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置及方法，采取不同级别报警和起重机械电机减速、制动方式，实现起重机械防撞安全工作。

Description

一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置及方法

技术领域

本发明属于起重机控制保护装置技术领域，具体涉及一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置及方法。

背景技术

工业控制中，起重机防撞装置是对起重机械的安全操作提供保护的重要设备。目前国内外投入使用的起重机械防撞装置的主要特点是：只能在同轨道起重机上安装保护装置；多数起重机械防撞仪采用光电开关或激光、红外测距传感器作为防撞保护的信号产生单元，报警距离设定复杂而且误差很大，且要定期清洁发射和接收装置，安装维护繁琐。部分起重机械防撞仪使用微波技术，通过微波检测起重机械与障碍物的距离，这类起重机防撞仪采用非接触方式实现距离的检测，能避免因长期使用而带来的误差，但长距离微波防撞传感器价格昂贵且多为进口成套产品，维护周期长，性价比不高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置及方法，能够实现不同轨道或同轨道不同高度起重机械之间的防撞，包括但不限于港口起重机等吊臂之间的防碰撞。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置，包括UWB基站、UWB标签和控制电路密封箱，所述控制电路密封箱内设有电连接的供电模块和防撞控制模块，通过供电模块进行供电，UWB标签安装在一台起重机械上，UWB基站设在起重机械两侧的防撞点或另一台起重机械上，UWB基站与UWB标签进行连接通讯，防撞控制模块包括主控器、信号显示电路、RS422UWB通讯电路、声光报警电路、防撞控制电路和远程输出电路，主控器输入端与RS422 UWB通讯电路电连接，UWB标签通过RS422 UWB通讯电路与主控器连接，每两个UWB基站和一个UWB标签之间进行窄脉冲传输数据通讯，通过UWB标签解析UWB基站发送数据的时间戳计算出UWB标签和UWB基站之间的距离，主控器输出端与防撞控制电路电连接，防撞控制电路与外接起重机械电机电连接，主控器通过防撞控制电路的减速继电器或制动继电器控制起重机械电机减速或刹车，用于实现不同轨道或同轨道不同高度起重机械之间的防撞保护，主控器还与信号显示电路、声光报警电路和远程输出电路电连接，主控器通过信号显示电路与外接显示大屏电连接，进行实时显示，通过主控器控制防撞控制电路输出一、二级报警信号，主控器通过声光报警电路与喇叭和报警灯连接，用于启动发声和亮灯报警的一、二级报警模式，远程输出电路包括4～20mA跟踪输出电路及RS485通讯两部分，用于将距离信号转换成模拟量信号或数字量信号传输给PLC设备，RS485通讯支持MODBUS通讯协议，主控器通过远程输出电路与外接PLC设备电连接，用于将当前的测试距离和状态传送给PLC设备，还可通过PLC设备发送指令至主控器进行处理，实现对起重机械运行位置和状态的实时监控。

进一步的，所述控制电路密封箱表面设有电源按钮和四个菜单设置按钮，电源按钮与供电模块相连，通过供电模块为装置各电路供电，UWB标签通过RS422 UWB通讯电路与防撞控制电路连接，报警灯可变换为红、黄和绿三种颜色。

进一步的，所述电源按钮的防水等级为IP65，防撞控制模块还包括与菜单设置按钮电连接的按键设置电路。

进一步的，所述主控器为STM32F103ZET6单片机，所述主控器设有512K字节的系统内可编程Flash，相关参数存放在Flash中，保证掉电开机后仍可正常工作。

进一步的，所述控制电路密封箱四周设有若干个防水电缆接头，用于外接各种电路，包括外接显示大屏、PLC设备和起重机械电机。

进一步的，包括以下步骤：

先通过按键设置电路预设好一、二级报警时的安全保护距离阈值；

每两个UWB基站和一个UWB标签之间进行窄脉冲传输数据通讯，通过UWB标签解析UWB基站发送数据的时间戳计算出UWB标签和UWB基站防撞点之间的距离，得到起重机械相对距离；

当起重机械运动时，通过起重机械上的UWB标签实时监测与UWB基站之间的实时距离，该实时距离数据信号通过RS422 UWB通讯电路经由RS422总线接入主控器，通过主控器进行运算和分析处理，主控器将处理得到的实际距离数据通过信号显示电路显示在外接显示大屏上，主控器通过对实际距离和安全保护距离阈值对比，判断是否超过一、二级报警时的距离阈值，从而通过主控器控制声光报警电路进行相应的一级或二级报警信号，当一级报警时，减速继电器吸合，输出控制起重机械电机减速信号，二级报警时，减速继电器和制动继电器同时吸合，输出控制起重机械电机制动信号，避免起重机械碰撞，当起重机械工作时，该装置能够通过远程输出电路与PLC设备进行交互式通讯，可由PLC设备传输指令至主控器进行处理，完成对起重机械运行数据和状态的实时监控。

进一步的，一级报警时亮黄灯，二级报警时亮红灯，通过主控器触发喇叭发声报警，通过调整喇叭报警声的频率进行一级或二级报警，当UWB标签485总线数据故障时，外接显示大屏会显示“ERRO”字样，报警灯的红、黄、绿灯闪烁报警。

进一步的，设置起重机械一、二级报警时的安全保护距离阈值分别为10m和5m，当起重机械相对距离小于10m且大于5m时，主控器驱动声光报警电路进行一级报警，亮黄灯，并间歇式发声报警，主控器通过防撞控制电路的减速继电器控制起重机械电机减速，当距离接近二级报警的安全保护距离阈值时喇叭发声频率越高，当起重机械相对距离小于5m时，亮红灯报警，同时主控器发出指令控制防撞控制电路运转，减速继电器和制动继电器吸合，控制起重机械电机刹车，最终确保起重机械之间的相对距离大于安全保护距离阈值。

进一步的，所述主控器通过去除最大最小值方式去毛刺、加权平均平滑滤波等方式处理UWB标签采集的数据并在外接显示大屏等显示设备上显示实际距离，主控器通过对实际距离和安全保护距离阈值对比，判断是否超过一、二级报警时的距离阈值，当起重机械工作时，该装置能够通过远程输出电路与PLC设备进行交互式通讯，可由PLC设备传输指令完成对起重机械运行数据和状态的实时监控。

进一步的，利用一个UWB标签和两个UWB基站的窄脉冲传输数据通讯，通过解析发送数据加载的时间标签计算UWB标签和UWB基站防撞点之间的距离，所述UWB标签和UWB基站工作在双向测距方式，有效测距能达到80m，响应时间2ms，测量精通为10cm，增加8段测距值曲线校准功能，其中采用8段测距值曲线校准主要是由于UWB实际测量输出量并非按照一个固定比例系数输出的，导致控制组件在信号采集计算中也不能简单的按照一个固定比例系数去计算显示距离，不然会使实际值与显示值有偏差，在出现误差过大时，通过菜单进入校验功能，输入实际测量的距离并确认，此时系统不但会保存这个测试信号对应显示的距离数据量，而且会同步将UWB测距值曲线分割成若干段，每一段曲线斜率会重新计算自动调整，这样使得测量值更加符合实际值。

进一步的，所述菜单设置按钮数量为4个，实现测距初始值设定、多级距离阈值设定、校验值设定、信号通道跟踪输出选择、MODBUS交互式通讯设定，通过如此设置，能够方便快捷的完成装置的初始设置。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1、UWB标签和UWB基站功耗低、抗多径效果好， UWB不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号，UWB标签和UWB基站直接用脉冲小型激励天线，不需要功用放大器与混频器，安全性高、系统复杂度低，性价比高；

2、通过在装置中设置包括4～20mA跟踪输出电路及RS485通讯的远程输出，能够实现装置与远端PLC设备的交互式通讯，通过远端PLC设备传输指令完成对起重机械运行位置的实时监控；

3、根据单片机程序，利用解析UWB测距数据对距离过近的危险情况进行分析判定，针对不同情况采取不同的报警方式和起重机械电机减速、制动方式；

4、增加8段测距值曲线校准功能，其中采用8段测距值曲线校准主要是由于UWB实际测量输出量并非按照一个固定比例系数输出的，导致控制组件在信号采集计算中也不能简单的按照一个固定比例系数去计算显示距离，不然会使实际值与显示值有偏差，在出现误差过大时，通过菜单进入校验功能，输入实际测量的距离并确认，此时系统不但会保存这个测试信号对应显示的距离数据量，而且会同步将UWB测距值曲线分割成若干段，每一段曲线斜率会重新计算自动调整，这样使得测量值更加符合实际值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电路连接示意图；

图3为本发明的防撞控制模块的电路连接示意图；

其中：1、控制电路密封箱；2、UWB基站；3、UWB标签；4、供电模块；5、防撞控制模块；6、电缆防水接头；7、电源按钮；8、菜单设置按钮；9、主控器；10、按键设置电路；11、信号显示电路；12、RS422 UWB通讯电路；13、声光报警电路；14、防撞控制电路；15、远程输出电路；16、外接显示大屏；17、喇叭；18、报警灯；19、起重机械电机；20、PLC设备。

具体实施方式

下面结合附图将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-3所示，一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置，包括控制电路密封箱1、UWB基站2、UWB标签3和供电模块4，UWB标签3安装在起重机械上，UWB基站2安装在起重机械的两侧防撞点或另一台起重机械上，UWB基站2与UWB标签3进行连接通讯，控制电路密封箱1内设有电连接的供电模块4和防撞控制模块5，通过供电模块4为装置各电路供电，控制电路密封箱1四周设有若干个电缆防水接头6，用于外接线路，包括外接显示大屏16、起重机械电机19和PLC设备20，控制电路密封箱1表面设有电源按钮7和四个菜单设置按钮8，电源按钮7与供电模块4连接，电源按钮7的防水等级为IP65，防撞控制模块5包括主控器9以及分别与主控器9电连接的按键设置电路10、信号显示电路11、RS422 UWB通讯电路12、声光报警电路13、防撞控制电路14和远程输出电路15，供电模块4与主控器9电连接并为其供电，主控器9为STM32F103ZET6单片机，主控器9设有512K字节的系统内可编程Flash，菜单设置按钮8电连接按键设置电路10，主控器9输入端与RS422 UWB通讯电路12电连接，UWB标签3通过RS422 UWB通讯电路12与主控器9连接，每两个UWB基站2和一个UWB标签3之间进行窄脉冲传输数据通讯，通过UWB标签3解析UWB基站2发送数据的时间戳计算出UWB标签3和UWB基站2之间的距离，主控器9输出端与防撞控制电路14电连接，通过主控器9控制防撞控制电路14输出一、二级报警信号，防撞控制电路14与外接起重机械电机19电连接，外接起重机械电机19通过防撞控制电路14与主控器9连接并受主控器9的控制，主控器9通过防撞控制电路14的减速继电器或制动继电器控制起重机械电机19减速或刹车，用于实现不同轨道或同轨道不同高度起重机械之间的防撞保护，主控器9通过信号显示电路11与外接显示大屏16电连接，测距信号通过RS422总线连接到主控器9，主控器9通过声光报警电路13与喇叭17和报警灯18连接，用于启动发声和亮灯报警的一、二级报警模式，主控器9通过远程输出电路15与外接PLC设备20电连接，用于将当前的测试距离和状态传送给PLC设备20，还可通过PLC设备20发送指令至主控器9进行处理，实现对起重机械运行位置和状态的实时监控，远程输出电路15包括4～20mA跟踪输出电路及RS485通讯两部分，用于将距离信号转换成模拟量信号或数字量信号传输给PLC设备20，RS485通讯支持MODBUS通讯协议，报警灯18可变换红、绿、黄3种颜色。

四个菜单设置按钮8能够完成系统的测距初始值设定、一二级报警值设定、校验值设定、信号通道跟踪输出选择和MODBUS交互式通讯设定等。

一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置的控制方法，包括以下步骤：

先通过按键设置电路10预设好一、二级报警时的安全保护距离阈值；

每两个UWB基站2和一个UWB标签3之间进行窄脉冲传输数据通讯，通过UWB标签3解析UWB基站2发送数据的时间戳计算出UWB标签3和UWB基站2（其为防撞点）之间的距离，得到起重机械相对距离；

当起重机械运动时，通过起重机械上的UWB标签3实时监测与UWB基站2之间的实时距离，该实时距离数据信号通过RS422 UWB通讯电路12经由RS422总线接入主控器9，通过主控器9进行运算和分析处理，主控器9将处理得到的实际距离数据通过信号显示电路11显示在外接显示大屏16上，主控器9通过对实际距离和安全保护距离阈值对比，判断是否超过一、二级报警时的距离阈值，从而通过主控器9控制声光报警电路13进行相应的一级或二级报警，当一级报警时，减速继电器吸合，输出控制起重机械电机19减速信号，二级报警时，减速继电器和制动继电器同时吸合，输出控制起重机械电机19制动信号，避免起重机械碰撞，当起重机械工作时，该装置能够通过远程输出电路15与PLC设备20进行交互式通讯，可由PLC设备20传输指令至主控器9进行处理，完成对起重机械运行数据和状态的实时监控。

一级报警时亮黄灯，二级报警时亮红灯，通过主控器9触发喇叭17发声报警，通过调整喇叭17的报警声的频率进行一级或二级报警，当UWB标签3的485总线数据故障时，外接显示大屏16会显示“ERRO”字样，报警灯18的红、黄、绿灯闪烁报警。

本发明的工作原理：

装置使用时，设置起重机械一、二级报警时的安全保护距离阈值分别为10m和5m，当起重机械相对距离小于10m且大于5m时，主控器9驱动声光报警电路13进行一级报警，车辆开始亮黄灯报警，并间歇式发出声音报警，主控器9通过防撞控制电路14的减速继电器控制起重机械电机19减速，当距离接近二级报警的安全保护距离阈值时，喇叭17发声频率越高，当相对距离接近二级报警距离阈值，报警声音更急促，当起重机械相对距离小于5m时，车辆开始亮红灯报警，同时主控器9发出指令控制防撞控制电路14运转，减速继电器和制动继电器吸合，控制起重机械电机19刹车，最终确保起重机械的相对距离大于安全距离阈值。该装置还能通过远程输出电路15与外接PLC设备20连接，直接通过PLC设备20发送指令，实现对起重机械运行位置和状态的实时监控。

以上仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置，其特征在于，包括UWB基站、UWB标签和控制电路密封箱，所述控制电路密封箱内设有电连接的供电模块和防撞控制模块，通过供电模块进行供电，UWB标签安装在一台起重机械上，UWB基站设在起重机械两侧的防撞点或另一台起重机械上，UWB基站与UWB标签进行连接通讯，防撞控制模块包括主控器、信号显示电路、RS422 UWB通讯电路、声光报警电路、防撞控制电路和远程输出电路，主控器输入端与RS422 UWB通讯电路电连接，UWB标签通过RS422 UWB通讯电路与主控器连接，每两个UWB基站和一个UWB标签之间进行窄脉冲传输数据通讯，通过UWB标签解析UWB基站发送数据的时间戳计算出UWB标签和UWB基站之间的距离，主控器输出端与防撞控制电路电连接，防撞控制电路与外接起重机械电机电连接，主控器通过防撞控制电路的减速继电器或制动继电器控制起重机械电机减速或刹车，用于实现不同轨道或同轨道不同高度起重机械之间的防撞保护，主控器还与信号显示电路、声光报警电路和远程输出电路电连接，主控器通过信号显示电路与外接显示大屏电连接，进行实时显示，通过主控器控制防撞控制电路输出一、二级报警信号，主控器通过声光报警电路与喇叭和报警灯连接，用于启动发声和亮灯报警的一、二级报警模式，远程输出电路包括4～20mA跟踪输出电路及RS485通讯两部分，用于将距离信号转换成模拟量信号或数字量信号传输给PLC设备，RS485通讯支持MODBUS通讯协议，主控器通过远程输出电路与外接PLC设备电连接，用于将当前的测试距离和状态传送给PLC设备，还可通过PLC设备发送指令至主控器进行处理，实现对起重机械运行位置和状态的实时监控。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置，其特征在于，所述控制电路密封箱表面设有电源按钮和四个菜单设置按钮，电源按钮与供电模块相连，通过供电模块为装置各电路供电，报警灯可变换为红、黄和绿三种颜色。

3.根据权利要求2所述的一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置，其特征在于，所述电源按钮的防水等级为IP65，防撞控制模块还包括与菜单设置按钮电连接的按键设置电路。

4.根据权利要求1所述的一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置，其特征在于，所述主控器为STM32F103ZET6单片机，主控器内设有512K字节的系统内可编程Flash。

5.根据权利要求1所述的一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置，其特征在于，所述控制电路密封箱四周设有若干个防水电缆接头，用于外接各种电路，包括外接显示大屏、PLC设备和起重机械电机。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

先通过按键设置电路预设好一、二级报警时的安全保护距离阈值；

每两个UWB基站和一个UWB标签之间进行窄脉冲传输数据通讯，通过UWB标签解析UWB基站发送数据的时间戳计算出UWB标签和UWB基站防撞点之间的距离，得到起重机械相对距离；

当起重机械运动时，通过起重机械上的UWB标签实时监测与UWB基站之间的实时距离，该实时距离数据信号通过RS422 UWB通讯电路经由RS422总线接入主控器，通过主控器进行运算和分析处理，主控器将处理得到的实际距离数据通过信号显示电路显示在外接显示大屏上，主控器通过对实际距离和安全保护距离阈值对比，判断是否超过一、二级报警时的距离阈值，从而通过主控器控制声光报警电路进行相应的一级或二级报警，当一级报警时，减速继电器吸合，输出控制起重机械电机减速信号，二级报警时，减速继电器和制动继电器同时吸合，输出控制起重机械电机制动信号，避免起重机械碰撞，当起重机械工作时，该装置能够通过远程输出电路与PLC设备进行交互式通讯，可由PLC设备传输指令至主控器进行处理，完成对起重机械运行数据和状态的实时监控。

7.根据权利要求6所述的一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置的方法，其特征在于，一级报警时亮黄灯，二级报警时亮红灯，通过主控器触发喇叭发声报警，通过调整喇叭报警声的频率进行一级或二级报警，当UWB标签485总线数据故障时，外接显示大屏会显示“ERRO”字样，报警灯的红、黄、绿灯闪烁报警。

8.根据权利要求6所述的一种基于UWB的非同轨道起重防撞保护装置的方法，其特征在于，设置起重机械一、二级报警时的安全保护距离阈值分别为10m和5m，当起重机械相对距离小于10m且大于5m时，主控器驱动声光报警电路进行一级报警，亮黄灯，并间歇式发声报警，主控器通过防撞控制电路的减速继电器控制起重机械电机减速，当距离接近二级报警的安全保护距离阈值时喇叭发声频率越高，当起重机械相对距离小于5m时，亮红灯报警，同时主控器发出指令控制防撞控制电路运转，减速继电器和制动继电器吸合，控制起重机械电机刹车，最终确保起重机械之间的相对距离大于安全保护距离阈值。