移动作业车防撞预警系统的研发

引言

目前移动机械作业平台在生产中的应用日益广泛。该类机械作业大部分通过车辆为载体,安装了可多向转动、具备伸缩功能的作业臂,避免了以往需要架设支架、人工攀爬等危险性较高、费时耗力的作业模式存在的弊端。例如,混凝土泵车通过伸缩臂,将混凝土浆精准灌注在预设位置:高空作业车也类似,通过伸缩臂将载人作业篮抬升至任意位置,方便作业人员在高处作业。上述移动作业车均具有伸缩作业臂的特点,改变了原有作业模式,提升了作业效率。然而,作业臂的运用需要人工进行操作,作业臂在伸展过程中,在操作位置易出现视觉差,难以准确掌握作业臂当前的位置情况。尤其在作业空间受限,作业场地周围存在带电运行电线,特殊作业天气等情况下,存在较大的安全事故风险。

本文设计了一套适用于绝大部分移动作业车的防撞预警系统,通过磁性吸附方式将各监测点安置在移动作业车的伸缩作业臂上。同时,各监测点具有测距与无线通信功能,将测量到的距离信息通过2.4G无线网络发送至监控主机,在任意一个监测节点出现距离过近情况时,及时发出声光告警,提醒作业人员及时进行调整,以避免伸缩作业臂与障碍物发生碰撞。

1移动作业车预警系统设计

移动作业车防撞预警功能通过"分散监测、集中监控"的预警模式实现。各个分散监测点集电源、距离测量模块,无线数据通信模块于一体,通过已编号的距离测量模块获取所处位置与障碍物的距离信息,并通过无线通信模块将测量的距离信息发送至集中监控主机。无线监控主机设置在作业车操作人员便于观察的位置,通过无线通信模块接收各已编号测距模块的距离信息。监控主机还具备显示屏,能及时获取各已编号距离测量模块的距离信息,方便操作人员了解伸缩作业臂当前姿态下各节点与附近障碍物的距离,有效消除了视觉盲区。而监测主机的声光告警功能,能在监测主机上设置安全告警距离,各测量模块在设定安全距离不足时,可智能提醒作业人员,消除作业人员因漏看显示屏带来的安全隐患。

各监测终端可通过磁性吸附在作业臂任意位置(多设为作业臂拐点处）,系统最大可支持6个测量终端与1个监控终端。对于无线数据传输采用同步响应设计方法,消除了多个终端数据交叉、响应延时等通信问题,实时性好。

2防撞预警系统的具体实现

防撞预警装置的硬件部分主要由监控主机和监测从机两部分组成。其中,监控主机包括电源、人机交互按键、LCD显示、无线通信、主控制器、声光告警六大部分:监控从机包括电源、超声波测距模块、无线通信、主控制器、声光告警五大部分。在电源部分,主从机均采用5V工作电压,平均功耗较低,经测试系统可连续工作60h,具备较好的续航能力:在通信部分,主从机通过无线模块组建2.4G双向通信网络,通过自定义的通信协议避免了数据传送冲突,提升了数据交互响应效率,实现了一对多的实时通信:在距离测量部分,采用超声波测距原理,通过发出40kHz的超声波以及检测超声波部分的时间差,计算监测端与发送终端的距离信息,并依据作业环境温度进行偏差调整:在声光告警部分,采用蜂鸣器配合低功耗高亮的LED灯,实现在安全距离不足时的声光告警:人机交互部分主要应用在监控主机处,可通过按键设置安全告警距离,调节告警装置的声光输出等功能。

在具体的硬件实现方面,重点在于超声波测距的精准性与无线通信的实时性上。对于超声波测量电路,采用微控制器产生40kHz的脉冲形方波,通过放大电路驱动输出器件对外发出超声波。与此同时,开启微控制内部计时器,等待接收探头第一次获取的超声波信号,并记录从发出到接收到超声波信息的时间差t,并根据S=(超声波在空气中传播速度为340m/s）,从而得到监测端到障碍物的距离S。

对于监测系统以2.4G网络为基础组成的一主多从的通信模式,主机与各从机间的通信实时性要求较高。由于移动作业车的伸缩作业臂姿态在不断变化调整,主机需要获取实时的各监测点与障碍物间的距离信息,从而进行分析判断预警。而主机与各从机的通信过程为主机接收到某个从机的建立通信请求包,并对此进行响应,再进行数据接收,校验无误后回复接收终止信号。在上述通信过程中,每个从机与主机通信均需要耗费一定的通信时间,而过程中如果有其他从机向主机申请建立通信通道时,主机则会出现应接不暇的情况,可能会错失通信数据包,无法获取实时的距离信息,导致出现漏报警的情况。

针对上述出现的通信实时性不高情况,在预警系统的通信部分进行通信优化,采用制定简易的现场通信协议,在监控主机处采用"通信广播"方式识别出当前工作的从机,并建立起对应的通信通道。在数据通信过程中,通过2.4G硬件接收通道堆栈响应各从机所发出的通信请求,再依据通信协议对错误数据帧进行剔除、忽略,对有效通信数据帧进行读取。

整个系统的硬件通过自行绘制制作的PCB进行组装,通过多处敷设地铜的方式,提高了系统硬件的抗干扰性能,适用于强磁场、强震动等恶劣工况。PCB电路如图1所示。

图1PCB电路图

3结语

该移动作业车防撞预警系统采用了超声波测距技术,结合无线通信实现了移动作业车伸缩臂伸展时的分布式测量、集中监控预警功能,能较好地避免移动作业车由于伸缩臂姿态调整与附近障碍物发生碰撞的风险。经过现场实测,该防撞预警系统具有以下优势:(1）通用性好,能在多种移动作业车平台上应用:(2）适应性强,能在强磁场、强电厂、强震动等恶劣工况下正常工作:(3）测量精度高,在不同温度下测量误差达到1cm以内:(4）实时响应好,能将各监测点的距离信息实时反映在监控终端侧,响应时间在500ms以内:(5）续航能力好,本系统在标准工况下能持续工作60h,满足绝大部分日常移动作业车工作需要:(6）人机交互友好,通过LCD显示器结合操作按键,可设定预警系统的告警安全距离,制定不同场景需要。