移動(dòng)作業(yè)車防撞預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)

引言

目前移動(dòng)機(jī)械作業(yè)平臺在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。該類機(jī)械作業(yè)大部分通過車輛為載體,安裝了可多向轉(zhuǎn)動(dòng)、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(xiǎn)性較高、費(fèi)時(shí)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(zhǔn)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(dòng)作業(yè)車均具有伸縮作業(yè)臂的特點(diǎn),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(yùn)用需要人工進(jìn)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(zhǔn)確掌握作業(yè)臂當(dāng)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(yùn)行電線,特殊作業(yè)天氣等情況下,存在較大的安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一套適用于絕大部分移動(dòng)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(diǎn)安置在移動(dòng)作業(yè)車的伸縮作業(yè)臂上。同時(shí),各監(jiān)測點(diǎn)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(jī),在任意一個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)距離過近情況時(shí),及時(shí)發(fā)出聲光告警,提醒作業(yè)人員及時(shí)進(jìn)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(dòng)作業(yè)車預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)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(shí)現(xiàn)。各個(gè)分散監(jiān)測點(diǎn)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(jī)。無線監(jiān)控主機(jī)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(jī)還具備顯示屏,能及時(shí)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(dāng)前姿態(tài)下各節(jié)點(diǎn)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(jī)的聲光告警功能,能在監(jiān)測主機(jī)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(shí),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(diǎn)處）,系統(tǒng)最大可支持6個(gè)測量終端與1個(gè)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(jì)方法,消除了多個(gè)終端數(shù)據(jù)交叉、響應(yīng)延時(shí)等通信問題,實(shí)時(shí)性好。

2防撞預(yù)警系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

防撞預(yù)警裝置的硬件部分主要由監(jiān)控主機(jī)和監(jiān)測從機(jī)兩部分組成。其中,監(jiān)控主機(jī)包括電源、人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)了一對多的實(shí)時(shí)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(shí)間差,計(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)在安全距離不足時(shí)的聲光告警:人機(jī)交互部分主要應(yīng)用在監(jiān)控主機(jī)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(shí)現(xiàn)方面,重點(diǎn)在于超聲波測距的精準(zhǔn)性與無線通信的實(shí)時(shí)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(dòng)輸出器件對外發(fā)出超聲波。與此同時(shí),開啟微控制內(nèi)部計(jì)時(shí)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(shí)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(jī)與各從機(jī)間的通信實(shí)時(shí)性要求較高。由于移動(dòng)作業(yè)車的伸縮作業(yè)臂姿態(tài)在不斷變化調(diào)整,主機(jī)需要獲取實(shí)時(shí)的各監(jiān)測點(diǎn)與障礙物間的距離信息,從而進(jìn)行分析判斷預(yù)警。而主機(jī)與各從機(jī)的通信過程為主機(jī)接收到某個(gè)從機(jī)的建立通信請求包,并對此進(jìn)行響應(yīng),再進(jìn)行數(shù)據(jù)接收,校驗(yàn)無誤后回復(fù)接收終止信號。在上述通信過程中,每個(gè)從機(jī)與主機(jī)通信均需要耗費(fèi)一定的通信時(shí)間,而過程中如果有其他從機(jī)向主機(jī)申請建立通信通道時(shí),主機(jī)則會出現(xiàn)應(yīng)接不暇的情況,可能會錯(cuò)失通信數(shù)據(jù)包,無法獲取實(shí)時(shí)的距離信息,導(dǎo)致出現(xiàn)漏報(bào)警的情況。

針對上述出現(xiàn)的通信實(shí)時(shí)性不高情況,在預(yù)警系統(tǒng)的通信部分進(jìn)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(jī)處采用"通信廣播"方式識別出當(dāng)前工作的從機(jī),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(jī)所發(fā)出的通信請求,再依據(jù)通信協(xié)議對錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀進(jìn)行剔除、忽略,對有效通信數(shù)據(jù)幀進(jìn)行讀取。

整個(gè)系統(tǒng)的硬件通過自行繪制制作的PCB進(jìn)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(qiáng)磁場、強(qiáng)震動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了移動(dòng)作業(yè)車伸縮臂伸展時(shí)的分布式測量、集中監(jiān)控預(yù)警功能,能較好地避免移動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)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(dòng)作業(yè)車平臺上應(yīng)用:(2）適應(yīng)性強(qiáng),能在強(qiáng)磁場、強(qiáng)電廠、強(qiáng)震動(dòng)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(dá)到1cm以內(nèi):(4）實(shí)時(shí)響應(yīng)好,能將各監(jiān)測點(diǎn)的距離信息實(shí)時(shí)反映在監(jiān)控終端側(cè),響應(yīng)時(shí)間在500ms以內(nèi):(5）續(xù)航能力好,本系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)工況下能持續(xù)工作60h,滿足絕大部分日常移動(dòng)作業(yè)車工作需要:(6）人機(jī)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。