移動作業(yè)車防撞預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)

引言

目前移動機械作業(yè)平臺在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。該類機械作業(yè)大部分通過車輛為載體,安裝了可多向轉(zhuǎn)動、具備伸縮功能的作業(yè)臂,避免了以往需要架設(shè)支架、人工攀爬等危險性較高、費時耗力的作業(yè)模式存在的弊端。例如,混凝土泵車通過伸縮臂,將混凝土漿精準灌注在預(yù)設(shè)位置:高空作業(yè)車也類似,通過伸縮臂將載人作業(yè)籃抬升至任意位置,方便作業(yè)人員在高處作業(yè)。上述移動作業(yè)車均具有伸縮作業(yè)臂的特點,改變了原有作業(yè)模式,提升了作業(yè)效率。然而,作業(yè)臂的運用需要人工進行操作,作業(yè)臂在伸展過程中,在操作位置易出現(xiàn)視覺差,難以準確掌握作業(yè)臂當前的位置情況。尤其在作業(yè)空間受限,作業(yè)場地周圍存在帶電運行電線,特殊作業(yè)天氣等情況下,存在較大的安全事故風險。

本文設(shè)計了一套適用于絕大部分移動作業(yè)車的防撞預(yù)警系統(tǒng),通過磁性吸附方式將各監(jiān)測點安置在移動作業(yè)車的伸縮作業(yè)臂上。同時,各監(jiān)測點具有測距與無線通信功能,將測量到的距離信息通過2.4G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控主機,在任意一個監(jiān)測節(jié)點出現(xiàn)距離過近情況時,及時發(fā)出聲光告警,提醒作業(yè)人員及時進行調(diào)整,以避免伸縮作業(yè)臂與障礙物發(fā)生碰撞。

1移動作業(yè)車預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

移動作業(yè)車防撞預(yù)警功能通過"分散監(jiān)測、集中監(jiān)控"的預(yù)警模式實現(xiàn)。各個分散監(jiān)測點集電源、距離測量模塊,無線數(shù)據(jù)通信模塊于一體,通過已編號的距離測量模塊獲取所處位置與障礙物的距離信息,并通過無線通信模塊將測量的距離信息發(fā)送至集中監(jiān)控主機。無線監(jiān)控主機設(shè)置在作業(yè)車操作人員便于觀察的位置,通過無線通信模塊接收各已編號測距模塊的距離信息。監(jiān)控主機還具備顯示屏,能及時獲取各已編號距離測量模塊的距離信息,方便操作人員了解伸縮作業(yè)臂當前姿態(tài)下各節(jié)點與附近障礙物的距離,有效消除了視覺盲區(qū)。而監(jiān)測主機的聲光告警功能,能在監(jiān)測主機上設(shè)置安全告警距離,各測量模塊在設(shè)定安全距離不足時,可智能提醒作業(yè)人員,消除作業(yè)人員因漏看顯示屏帶來的安全隱患。

各監(jiān)測終端可通過磁性吸附在作業(yè)臂任意位置(多設(shè)為作業(yè)臂拐點處）,系統(tǒng)最大可支持6個測量終端與1個監(jiān)控終端。對于無線數(shù)據(jù)傳輸采用同步響應(yīng)設(shè)計方法,消除了多個終端數(shù)據(jù)交叉、響應(yīng)延時等通信問題,實時性好。

2防撞預(yù)警系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

防撞預(yù)警裝置的硬件部分主要由監(jiān)控主機和監(jiān)測從機兩部分組成。其中,監(jiān)控主機包括電源、人機交互按鍵、LCD顯示、無線通信、主控制器、聲光告警六大部分:監(jiān)控從機包括電源、超聲波測距模塊、無線通信、主控制器、聲光告警五大部分。在電源部分,主從機均采用5V工作電壓,平均功耗較低,經(jīng)測試系統(tǒng)可連續(xù)工作60h,具備較好的續(xù)航能力:在通信部分,主從機通過無線模塊組建2.4G雙向通信網(wǎng)絡(luò),通過自定義的通信協(xié)議避免了數(shù)據(jù)傳送沖突,提升了數(shù)據(jù)交互響應(yīng)效率,實現(xiàn)了一對多的實時通信:在距離測量部分,采用超聲波測距原理,通過發(fā)出40kHz的超聲波以及檢測超聲波部分的時間差,計算監(jiān)測端與發(fā)送終端的距離信息,并依據(jù)作業(yè)環(huán)境溫度進行偏差調(diào)整:在聲光告警部分,采用蜂鳴器配合低功耗高亮的LED燈,實現(xiàn)在安全距離不足時的聲光告警:人機交互部分主要應(yīng)用在監(jiān)控主機處,可通過按鍵設(shè)置安全告警距離,調(diào)節(jié)告警裝置的聲光輸出等功能。

在具體的硬件實現(xiàn)方面,重點在于超聲波測距的精準性與無線通信的實時性上。對于超聲波測量電路,采用微控制器產(chǎn)生40kHz的脈沖形方波,通過放大電路驅(qū)動輸出器件對外發(fā)出超聲波。與此同時,開啟微控制內(nèi)部計時器,等待接收探頭第一次獲取的超聲波信號,并記錄從發(fā)出到接收到超聲波信息的時間差t,并根據(jù)S=(超聲波在空氣中傳播速度為340m/s）,從而得到監(jiān)測端到障礙物的距離S。

對于監(jiān)測系統(tǒng)以2.4G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)組成的一主多從的通信模式,主機與各從機間的通信實時性要求較高。由于移動作業(yè)車的伸縮作業(yè)臂姿態(tài)在不斷變化調(diào)整,主機需要獲取實時的各監(jiān)測點與障礙物間的距離信息,從而進行分析判斷預(yù)警。而主機與各從機的通信過程為主機接收到某個從機的建立通信請求包,并對此進行響應(yīng),再進行數(shù)據(jù)接收,校驗無誤后回復(fù)接收終止信號。在上述通信過程中,每個從機與主機通信均需要耗費一定的通信時間,而過程中如果有其他從機向主機申請建立通信通道時,主機則會出現(xiàn)應(yīng)接不暇的情況,可能會錯失通信數(shù)據(jù)包,無法獲取實時的距離信息,導致出現(xiàn)漏報警的情況。

針對上述出現(xiàn)的通信實時性不高情況,在預(yù)警系統(tǒng)的通信部分進行通信優(yōu)化,采用制定簡易的現(xiàn)場通信協(xié)議,在監(jiān)控主機處采用"通信廣播"方式識別出當前工作的從機,并建立起對應(yīng)的通信通道。在數(shù)據(jù)通信過程中,通過2.4G硬件接收通道堆棧響應(yīng)各從機所發(fā)出的通信請求,再依據(jù)通信協(xié)議對錯誤數(shù)據(jù)幀進行剔除、忽略,對有效通信數(shù)據(jù)幀進行讀取。

整個系統(tǒng)的硬件通過自行繪制制作的PCB進行組裝,通過多處敷設(shè)地銅的方式,提高了系統(tǒng)硬件的抗干擾性能,適用于強磁場、強震動等惡劣工況。PCB電路如圖1所示。

圖1PCB電路圖

3結(jié)語

該移動作業(yè)車防撞預(yù)警系統(tǒng)采用了超聲波測距技術(shù),結(jié)合無線通信實現(xiàn)了移動作業(yè)車伸縮臂伸展時的分布式測量、集中監(jiān)控預(yù)警功能,能較好地避免移動作業(yè)車由于伸縮臂姿態(tài)調(diào)整與附近障礙物發(fā)生碰撞的風險。經(jīng)過現(xiàn)場實測,該防撞預(yù)警系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢:(1）通用性好,能在多種移動作業(yè)車平臺上應(yīng)用:(2）適應(yīng)性強,能在強磁場、強電廠、強震動等惡劣工況下正常工作:(3）測量精度高,在不同溫度下測量誤差達到1cm以內(nèi):(4）實時響應(yīng)好,能將各監(jiān)測點的距離信息實時反映在監(jiān)控終端側(cè),響應(yīng)時間在500ms以內(nèi):(5）續(xù)航能力好,本系統(tǒng)在標準工況下能持續(xù)工作60h,滿足絕大部分日常移動作業(yè)車工作需要:(6）人機交互友好,通過LCD顯示器結(jié)合操作按鍵,可設(shè)定預(yù)警系統(tǒng)的告警安全距離,制定不同場景需要。