基于無(wú)線網(wǎng)技術(shù)的塔機(jī)集群動(dòng)態(tài)防碰撞系統(tǒng)

劉海龍+張敏三

摘 要：針對(duì)建設(shè)工地大量采用的塔機(jī)群對(duì)安全、高效作業(yè)的需求，文章設(shè)計(jì)開發(fā)了基于ZigBee無(wú)線通信的塔機(jī)集群動(dòng)態(tài)防碰撞系統(tǒng)。系統(tǒng)以Cortex-A8為硬件核心，嵌入式Linux4.2內(nèi)核為軟件平臺(tái)，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)快速、節(jié)點(diǎn)布置方式靈活的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了塔機(jī)群間的三維動(dòng)態(tài)信息交互，建立了塔機(jī)群控模型和動(dòng)態(tài)防碰撞算法?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，系統(tǒng)能有效地保障塔機(jī)群安全可靠運(yùn)行，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：Linux；無(wú)線組網(wǎng)；動(dòng)態(tài)防碰撞；Cortex-A8

1 基于多傳感器融合技術(shù)和ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的塔式起重機(jī)

塔式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱塔機(jī)）大規(guī)模應(yīng)用于工程建設(shè)中，又極易引發(fā)重大安全事故。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)建筑起重機(jī)設(shè)備事故頻發(fā)，且呈逐年上升趨勢(shì)[1]。為提高工作效率，在同一施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常需要布置多臺(tái)塔機(jī)集群近距離交叉作業(yè)，這樣大大增加了塔機(jī)群間碰撞的危險(xiǎn)，導(dǎo)致重大安全事故的發(fā)生。國(guó)標(biāo)GB/T5031-2008規(guī)定：起重機(jī)械必須強(qiáng)制安裝安全監(jiān)控裝置，須對(duì)塔機(jī)的工作狀態(tài)、額定能力及碰撞危險(xiǎn)因素進(jìn)行監(jiān)控與記錄[2]。因此，開發(fā)低成本、穩(wěn)定高效的塔機(jī)無(wú)線動(dòng)態(tài)防碰撞系統(tǒng)對(duì)于塔機(jī)應(yīng)用安全領(lǐng)域具有重要意義。

本系統(tǒng)采用多傳感器融合技術(shù)及ZigBee無(wú)線通信組網(wǎng)技術(shù)對(duì)周邊塔機(jī)進(jìn)行精確位置定位、運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)，通過(guò)動(dòng)態(tài)防碰撞算法獲得塔機(jī)的潛在碰撞預(yù)報(bào)警及控制信息，有效防止塔機(jī)間碰撞事故的發(fā)生。ZigBee技術(shù)作為一種短距離無(wú)線通信，具有低功耗、低成本及高度智能化等特點(diǎn)，是一組基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的組網(wǎng)通信技術(shù)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的新興前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域[3]。

2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與功能

塔機(jī)群無(wú)線安全防碰撞系統(tǒng)主要由各塔機(jī)監(jiān)控終端、ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)監(jiān)控終端組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

各塔機(jī)監(jiān)控終端為安裝在塔機(jī)駕駛室內(nèi)的嵌入式監(jiān)控儀表，是安全監(jiān)控前端的基礎(chǔ)硬件平臺(tái)，主要負(fù)責(zé)采集本塔機(jī)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)本地監(jiān)控，并通過(guò)連接的ZigBee無(wú)線模塊形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，是構(gòu)成整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用分布式控制模式，即每個(gè)監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，通過(guò)相應(yīng)算法能獨(dú)立判斷周圍危險(xiǎn)障礙物并作出相應(yīng)控制。上位機(jī)終端為主控制中心，主要負(fù)責(zé)管理整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的雙重保障。

3 監(jiān)控終端的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)由Cortex-A8微處理器、傳感器采集網(wǎng)絡(luò)、報(bào)警與控制電路、觸摸屏顯示器、GPRS/GPS模塊、ZigBee無(wú)線通信模塊等部分組成，系統(tǒng)的整體框架如圖2所示。

系統(tǒng)采用低功耗、高性能的工業(yè)級(jí)Cortex-A8微處理器為控制核心，標(biāo)準(zhǔn)工作主頻為600 MHz，采用10級(jí)NEON媒體流水線 10-stage NEON media pipe-line，并有先進(jìn)的分支預(yù)測(cè)技術(shù)，并且用的NEON整型和浮點(diǎn)型管線進(jìn)行媒體和信號(hào)處理。ZigBee模塊采用廣州致遠(yuǎn)2.4 GHz ZM2410，內(nèi)嵌透明傳輸（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)）通信協(xié)議，采用RS485接口，最高無(wú)線通信速度可達(dá)1 Mbps，非常適用于嵌入式系統(tǒng)環(huán)境。

4 基于Linux4.2內(nèi)核系統(tǒng)的ZigBee智能組網(wǎng)

系統(tǒng)防碰撞組網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用TI最新的Z-Stack-CC2530-2.2.2版本的協(xié)議棧，在其基礎(chǔ)上對(duì)3類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行軟件開發(fā)，ZigBee協(xié)議棧的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.1 ZigBee協(xié)議棧分ZigBee聯(lián)盟定義IEEE802.15.4

標(biāo)準(zhǔn)定義兩部分。ZigBee聯(lián)盟定義應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)安全層[4]。如圖3所示，應(yīng)用層主要用于對(duì)應(yīng)用框架模型進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)安全層則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理、組網(wǎng)連接和網(wǎng)絡(luò)安全等；IEEE802.15.4是IEEE確定的低速率無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC）和物理層（PHY）；介質(zhì)訪問(wèn)控制層主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生同步信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，并處理物理無(wú)線信道訪問(wèn)請(qǐng)求。物理層主要負(fù)責(zé)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)，并定義了物理無(wú)線信道和介質(zhì)訪問(wèn)控制層之間的接口。

網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立。系統(tǒng)上電初始化后啟動(dòng)Zstack協(xié)議棧，根據(jù)Config.cfg的頻率設(shè)置搜索信道[5]；在確定信道可用后通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)建立網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)絡(luò)連接建立后網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)開始不停地對(duì)一定范圍之內(nèi)的區(qū)域搜索查看是否有節(jié)點(diǎn)加入請(qǐng)求，如果收到外來(lái)節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求，本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)就會(huì)響應(yīng)加入并自動(dòng)分配新節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址，并更新本地路由表信息。在建立網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)的通信后就可以實(shí)現(xiàn)相互無(wú)線通信，接收的數(shù)據(jù)通過(guò)控制器標(biāo)準(zhǔn)SPI接口從內(nèi)部寄存器直接傳送給USB控制器。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖4所示。

4.2 塔機(jī)群建模與動(dòng)態(tài)防碰撞算法設(shè)計(jì)

塔機(jī)群防碰撞涉及多個(gè)靜態(tài)和運(yùn)動(dòng)對(duì)象之間在三維空間中相交計(jì)算方法，具有復(fù)雜的時(shí)間和空間關(guān)系。本系統(tǒng)擬采用層次空間包圍體相交檢測(cè)算法，根據(jù)塔機(jī)的空間對(duì)象關(guān)系劃分為3層包圍體形式，本算法一方面采用包圍體形式代替了復(fù)雜的塔機(jī)部件幾何形狀，減少了計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)采用層次方法是利用空間對(duì)象關(guān)系優(yōu)化檢測(cè)算法，進(jìn)一步降低檢測(cè)計(jì)算開銷提高計(jì)算效率，另一方面，采用層次包圍體方法在空間上包含了所有塔機(jī)部件，在檢測(cè)效果上具有很高的可靠性和實(shí)用性。本項(xiàng)目防碰撞算法的核心思想是：先利用最外層包圍體的相交檢測(cè)排除不可能發(fā)生相碰的塔機(jī)，再利用子包圍體和相交檢測(cè)排除不可能發(fā)生碰撞的塔機(jī)部件，最后利用基于求異面線段距離的碰撞檢測(cè)算法進(jìn)行精確檢測(cè)，最終得出結(jié)果。

采用包圍體的目的是利用體積略大規(guī)則的幾何體形狀代替復(fù)雜的幾何對(duì)象進(jìn)行相交計(jì)算，降低了計(jì)算復(fù)雜度和提高運(yùn)行效率。在空間對(duì)象碰撞檢測(cè)領(lǐng)域，空間對(duì)象的包圍體有多種形式，主要包括沿坐標(biāo)軸包圍體（AABB）、球包圍體（Spheres）、方向性包圍體（OBB）等。根據(jù)塔機(jī)的具體空間形狀與運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在本算法中我們選擇球包圍體方法，其特點(diǎn)是幾何體構(gòu)造和相交測(cè)試簡(jiǎn)單，同時(shí)當(dāng)物體發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，包圍體不需要做任何更新，符合塔機(jī)運(yùn)動(dòng)情況。本算法所采用的多級(jí)包圍體形式如圖5所示。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

基于Linux4.2內(nèi)核嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合MFC軟件編程構(gòu)建友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)影響塔機(jī)安全數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄，并構(gòu)建了實(shí)時(shí)安全防碰撞網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，去除極值的情況下，系統(tǒng)濾波系數(shù)小于等于8時(shí)，回轉(zhuǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)偶爾跳躍，容易導(dǎo)致控制電路誤動(dòng)作，綜合考慮，本系統(tǒng)濾波系數(shù)選取16和32兩種，供客戶設(shè)置，系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可穩(wěn)定滿足現(xiàn)場(chǎng)工況需求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)在同一施工場(chǎng)地多臺(tái)塔機(jī)近距離交叉作業(yè)及可能發(fā)生碰撞，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于Linux4.2內(nèi)核及ZigBee技術(shù)的塔機(jī)安全監(jiān)控與防碰撞系統(tǒng)。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)大部分類似產(chǎn)品實(shí)時(shí)性差、精度低、缺乏塔機(jī)群動(dòng)態(tài)防碰撞功能等問(wèn)題，系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)Cortex-A8為硬件核心，開發(fā)了基于Linux4.2內(nèi)核下ZigBee技術(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，采用多級(jí)包圍圈防碰撞算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔機(jī)群的相互動(dòng)態(tài)防碰撞預(yù)報(bào)警及安全控制，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，確保塔機(jī)安全運(yùn)行的同時(shí)，有效地提高了塔機(jī)群的作業(yè)效率，具有良好的市場(chǎng)前景。

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