起重机障碍侦测设备的制作方法

本发明属于机械装置领域，特别涉及起重机障碍侦测设备。

背景技术：

目前起重机自动化已经在大面积普及，而随之而来的是起重机的安全运行问题。首先由于自动化的实施而导致操作人员被裁剪，起重机处于无人化运行状态，起重机的安全将完全依赖自动化的程序安全监测机制。但目前这方面还并不完善，一些突发事件也是频频发生，如同跨起重机相撞、地面障碍挂碰或高处起重机挂碰低处起重机等等。自动化起重机在障碍规避方面还存在很大的欠缺。

起重机设备在自动化实施过程中都会安装起重机防碰撞设备，该设备以激光测距传感器为基础进行同跨两台起重机的间距判断，进而进行防碰撞保护。但由于激光防撞仅安装在起重机大车的一侧台车或者两侧台车，而且激光防撞只能检测直线方向上的障碍，所以当出现非检测路径上的障碍，或者是起重机下方或者地面出现障碍，则激光防撞设备就无能为力了。

技术实现要素：

本发明的目的是提供起重机障碍侦测设备，来解决自动化起重机在实时过程中对障碍检测不完善的问题，可以检测起重机前面一个区域内的障碍物。

采用的技术方案是：

起重机障碍侦测设备，包括壳体。

其技术要点在于：

壳体内固定设有x轴伺服电机，x轴伺服电机输出轴竖向向下设置，并固定竖向设置的x轴镜片。

壳体内固定设有y轴伺服电机，y轴伺服电机输出轴横向设置，并固定竖向设置的y轴镜片。

x轴镜片与y轴镜片以镜面相对布置。

y轴镜片前方的壳体上设有发射镜头。

壳体上设有接收镜头。

接收镜头与激光接收器接收端位置相对应。

激光发射器发射端光路朝向x轴镜片。

所述的激光发射器竖直设置，激光发射器发射端朝上，上方设有偏转镜片，偏转镜片被配置为使激光发射器发射的光线经过反射以后朝向x轴镜片。

两镜片的对应旋转可以扫描前方设定的面域，判断是否有障碍物的存在。

其优点在于：

本发明提出一个全新、有效的解决方案，来解决自动化起重机在运行过程中对障碍检测不完善的问题，通过对激光的发射和接收的有效应用，通过对激光的发射和反射的时间有效测量，通过有效的计算模型，通过对激光的光路的有效计算和控制，从而得到有效的障碍物的信息，能有效、快速和准确的判断起重机的危险障碍，可以有效控制起重机的安全和稳定的运行。本发明有效解决了传统的起重机防撞设备的检测的局限性，有效的解决了起重机自动化运行中对运行路线中的障碍无法准确判断的问题，有效的解决了起重机自动化运行中频繁发生的碰撞、剐蹭以及倾翻等等事故问题。

附图说明

图1为大车跨度方向（x轴）的光路。

图2为起升运行方向（y轴）的光路。

图3为x轴光路的控制图。

图4为y轴光路的控制图。

图5为本发明的结构示意图。

图6为图5中的j向视图。

图7为图6中的k-k处局部剖视图。

图8为图6中的k-k处局部放大图。

图9为系统结构图。

图10为程序框图。

图11为激光测距子流程的框图。

图12为图10的上半部局部放大图。

图13为图10的下半部局部放大图。

x轴镜片1、y轴镜片2、壳体3、x轴伺服电机4、y轴伺服电机5、激光发射器6、偏转镜片7、发射镜头8、接收镜头9、微调旋钮10、激光接收器11、数据处理以及控制单元12、高速定时器13、连杆支架14、开口轴套15、定位销16、偏转镜片连杆17。

图中空心箭头所示为光路。

具体实施方式

以30米跨度，10米起升高度的起重机为例（目前大部分自动化起重机的参数均在此范围内），介绍本发明的原理：所以需要检测的区域x方向的距离为30米，y轴的检测距离为10+5=15米（包含起升运行距离10米和起重机本体高度5米），以此为依据检测起重机前方15米处的障碍物（也适用于大于15米以外的障碍检测），可以绘制出x轴的光路图和y轴的光路图。图1和图2为本发明的大车跨度方向（x轴）的光路，起升运行方向（y轴）的光路。

根据图1和图2的光路几何图中可见x轴的光路范围在90°内，而y轴的光路范围在52.1°内，长度单位为毫米。

为了能够灵活控制光路的方向，对x轴和y轴分别设计的独立的光路控制镜片，分别通过各自伺服电机进行各自镜片的偏转驱动。为了减少光路的误差，提高检测的精度，本技术方案中将光路均设计在x轴镜片1和y轴镜片2的中心，其中x轴的光路始终处于x轴镜片1的正中心，采用了边长10mm的正方形偏转镜片（平面镜），而y轴的光路处于y轴镜片2中心的水平直线上，采用了边长50mm的正方形偏转镜片（平面镜）。

图3所示是x轴光路的控制，通过调整x轴的x轴镜片1角度，即可实现光路在x轴方向上的移动。

从图3中可以看出，b点位于x轴镜片1片的中心，当光线由a点射向b点时，调整x轴镜片1，可以使得反射光线在y轴镜片2的c点（x轴镜片1处于实线位置）到d（x轴镜片1处于虚线位置）点间移动，从而使得y轴镜片2的反射光线从cf移动到de，cf和de成90°夹角，从而实现x轴光路。而从图3的光路的几何关系中可以看出，要实现x的光路则x轴镜片1只要实现在±22.5°的范围内旋转，满足45°的旋转范围即可。所以控制x轴镜片1进行旋转即可实现在大车跨度方向上的光路控制。图3为图5中的x轴镜片1和y轴镜片2的俯视方向视图。

图4所示是是y轴光路的控制，通过调整y轴的y轴镜片2角度，即可实现光路在y轴方向上的移动。

从图4中可以看出，b点位于x轴镜片1的中心，当光线由a点射向b点时，其反射光线为bh,h点位于y轴镜片2的水平中心线上。调整y轴镜片2，可以使得反射光线在hg（y轴镜片2位于实线位置）到hi（y轴镜片2位于虚线位置）间变化，hg和hi的夹角为52.1°，从而实现y轴的光路。而从图4中的光路的几何关系中可以看出，要实现y的光路则y轴镜片2只要实现在5.9°到31.9°，即实现26°的范围内旋转即可。所以控制y轴镜片2进行旋转即可实现在起升方向上的光路控制。

图4为图5中的x轴镜片1和y轴镜片2的正视方向视图。

图3和图4中的入射光线a也就是图5中经过偏转镜片7入射到x轴镜片1的光线。

通过综合控制x轴镜片1和y轴镜片2的偏转角度，即可实现光路在起重机的大车跨度方向和起升运行方向上的变化，即实现起重机运行方向前方15米的30米乘以15米的一个面域的障碍检测。

图5和6是本发明的整体结构布置图。

起重机障碍侦测设备，包括壳体3。

壳体3内固定设有x轴伺服电机4，x轴伺服电机4通过x轴电机支架固定在壳体3内。

x轴伺服电机4输出轴竖向向下设置，并固定竖向设置的x轴镜片1。

x轴镜片1为正方形，x轴伺服电机4输出轴固定连接在x轴镜片1上横边中心。

壳体3内固定设有y轴伺服电机5，y轴伺服电机5壳体固定在壳体3内壁。

y轴伺服电机5输出轴横向设置，并固定竖向设置的y轴镜片2。

y轴镜片2为正方形，y轴伺服电机5输出轴固定连接在y轴镜片2一个侧边中心。

x轴镜片1与y轴镜片2以镜面相对布置。

x轴镜片1和y轴镜片2可以使用对应的支架或者夹子固定在对应的电机输出轴上。

y轴镜片2前方的壳体3上设有发射镜头8。

发射镜头8下方的壳体3上设有接收镜头9。

壳体3内设有激光接收器11，激光接收器11接收端与接收镜头9位置相对应。

激光发射器6垂直安装于壳体3底部，激光发射器6发射端朝上。

激光发射器6发射端上方设有偏转镜片7（平面镜）。偏转镜片7顶部朝向x轴镜片1方向倾斜设置，偏转镜片7顶部高于x轴镜片1。

偏转镜片7通过支架或夹子固定在偏转镜片连杆17上，偏转镜片连杆17横向设置穿过壳体3，偏转镜片连杆17位于壳体3外的端部固定有微调旋钮10。

偏转镜片连杆17与y轴伺服电机5输出轴平行设置。

偏转镜片连杆17穿过壳体3的位置设有开口轴套15，开口轴套15固定在壳体3内侧，开口轴套15的开口向上设置。

偏转镜片连杆17穿过开口轴套15，相互之间紧配合，不易滑动。

偏转镜片连杆17上固定有定位销16，定位销16位于开口轴套15内，保证定位销16处于开口轴套15开口中间位置，还要留有间隙来保证微调旋钮10的调整范围，使得微调旋钮10只能在一定范围内进行旋转，这个限制的旋转角度为±10°（如图7竖直方向左右各10°）。

偏转镜片连杆17中部通过连杆支架14支撑在壳体3内。

转动微调旋钮10带动偏转镜片连杆17转动同时会使偏转镜片7转动。

竖向设置的x轴镜片1在面对偏转镜片7（也就是入射光线a）方向，以x轴伺服电机4输出轴轴线为中心的±22.5°的范围内旋转。

竖向设置的y轴镜片2在面对x轴镜片1（入射光线a经过x轴镜片1反射后），以y轴伺服电机5输出轴轴线为中心的5.9°到31.9°的范围内旋转，所述的5.9°到31.9°为y轴镜片2顶端始终保持在远离x轴镜片1一侧的5.9°到31.9°的范围内。

在标准安装的情况下：壳体3保持水平，x轴镜片1在±22.5°的范围内旋转，y轴镜片2在5.9°到31.9°的范围内旋转,可以完整扫描到所述的扫描区域时，偏转镜片7与水平线的夹角是22.5度。

也就是实现使得激光发射器6发出的光线通过偏转镜片7、x轴镜片1、y轴镜片2实现对前方设定长宽面域内进行扫描，达到检测前方障碍物的目的。

x轴镜片1与y轴镜片2呈立体交错布置，在x轴镜片1和y轴镜片均2为0°时两镜片呈平行状态，x轴镜片1表面到y轴镜片2表面的水平间距为20mm（如图3中所示的20mm），x轴镜片1中心到y轴镜片2中心的垂直间距也为20mm（如图4中所示的20mm）。激光发射器6垂直安装于装置底部，光线垂直向上发射，经过偏转镜片7，反射到x轴镜片1的正中心。y轴镜片2上边缘高于x轴镜片1上边缘。

偏转镜片7的作用就是降低激光发射器6的安装公差，在产品组装时通过调整偏转镜片7使得光线可以正好发射到x轴镜片1的正中心。另外在设备安装时由于起重机设备安装的精度通常不是很高,而本设备需要在两个维度上要求精确安装,人工安装时很难保证两个维度都达到安装精度,所以,该偏转镜片7可以让安装时只要保证x轴的精度即可(保证x轴光线完全覆盖起重机前方被测障碍物),y轴的精度可以允许存在一点偏差(y轴光路在起重机前方障碍物的覆盖上偏差200mm以内)。此时可以微调偏转镜片7使得y轴光路进行上下移动,以达到完全覆盖起重机前方障碍物的目的。

数据处理以及控制单元12设置在壳体3内底部。

数据处理以及控制单元12与x轴伺服电机4和y轴伺服电机5对应连接。

激光接收器11与高速定时器13对应连接，高速定时器13与数据处理以及控制单元12对应连接。

高速定时器13还与激光发射器6对应连接。

数据处理以及控制单元12通过设备输出接口连接起重机plc。

从设备输入接口输入起重机高度、起重机小车位置和起重机大车位置。

激光发射器6的光线最终经过发射镜头8发射到外界。发射镜头8的作用一是对装置进行密封和防护，避免灰尘的进入导致激光在光路上损耗过多，二是对光线进行整形，将光线在经过发射镜头8后的折射角降低，并趋于0，保证光线的入射角和出射角高度一致。

接收镜头9同样具有对整个装置的密封和防护作用，还具有对外界入射光线进行滤波的作用，保证入射光线的波长基本与激光发射器6的光线波长一致，另外也对入射光线的角度进行修正，保证在外界的散射光线在经过接收镜头9后会变为近似平行光，使得激光接收器11接收到更多的入射光线，增加灵敏度。激光发射器6的发射光线在外界在遇到障碍时会发生漫反射，反射光线经过接收镜头9的滤波，光路修正后被激光接收器11接收，激光接收器11在接收到一定强度的入射光线后会发出一个电脉冲反馈给数据处理及控制单元12。

本发明的激光测距与起重机防撞装置的测量原理类似但是不尽相同。激光防撞装置采用开关量控制，只有几种有限的状态，并且需要在对面障碍上安装钻石级反射板才可以进行测量，仅测量直线距离上的障碍，所以对光路的要求和接收器的灵敏度大大降低，同时因为仅测量有限的几个状态，所以通过调整发射器的功率强度和接收器的灵敏度即可实现不同距离的检测，对数据处理及控制单元的要求也大大降低。而本发明需要测量起重机运行前方一个面域的障碍物，被测障碍无法预料，所以无法安装反射板，只能采用漫反射的方式进行检测，这就对激光接收器的灵敏度和接收镜头的要求大大提高。同时，由于需要检测范围过大，在不同角度的光路下，检测距离变化非常大，并且本发明要求在有效检测距离内（本例为起重机前方15米）对被检测障碍进行有效距离测量，所以仅靠简单改变激光发射器的功率和激光接收器的灵敏度是不能实现该要求的。

激光测距的原理就是根据光速恒定的原理进行测量的，激光发射时将定时器清零，在接收到发射光线后停止定时器的计时，得到时间t，所以距离s就可以根据公式s=c·t来进行计算。以最小检测距离1米为例，则光线往返距离为2米，t=2/c≈6.67×10-9秒，即6.67纳秒。所以为了保证精度，需要采用定时精度能达到10-12秒的定时器，即皮秒级的定时器。这个级别的定时器目前的工业微处理器很难实现的，目前工业级微处理器的定时器的最小定时时间基本都在微秒级,即便选用高速ghz工作频率的微处理器,也因为需要处理系统事务,而无法保证能够实现精确而稳定的纳秒级的定时器。不过目前激光测距技术已经很成熟，已经有成熟高精度的定时器专用芯片产品在销售，本发明通过在售的高精度微处理器将激光发射器6、高速定时器13和激光接收器11综合连接，即可实现激光测距功能。

本发明的微处理器采用st公司的stm32f407芯片作为cpu，配套通用的io通讯总线（如spc3）接口芯片实现与起重机plc的数据交换。高速定时器13采用德国的tdc-gp22芯片。高速定时器13将于微处理器集成在同一电路板上。

激光发射器6和激光接收器11可以采用满足以下参数的在售激光发射器6和激光接收器11：激光发射器6要求发射功率为10mw，采用650纳米的红色激光管。激光接收器11同样采用接收650纳米的激光接收管。根据本技术方案的设计要求，要求实现在30米跨度范围内，在物体表面的光线反射率在20%以上时可以做到可靠接收。

本发明同样将采用激光测距原理进行障碍检测，但本发明将通过增加x，y反射镜片来调整激光的输出方向，从而实现一个面域的扫描，从而检测出起重机运行方向前15~50米范围内，自地面到行车顶部的，自起重机一侧台车到另一侧台车整个面域内的障碍物体，然后根据起重机三维坐标的输入数据（起升高度、小车位置、大车位置）进一步判断出是否有障碍将与起重机发生碰撞。

测量范围下限受x轴镜片1和y轴镜片2和角度范围以及发射镜头8和接收镜头9的尺寸限制，通过重新设计x轴镜片1和y轴镜片2和角度范围以及发射镜头8和接收镜头9的尺寸，可以改变测量范围下限。

测量范围上限受激光发射器6和激光接收器11限制，通过使用不同的激光发射器6功率和激光接收器11的灵敏度可以改变测量范围的上限。

图9为系统结构图：

1）激光测距原理：

首先数据处理以及控制单元12向高速定时器13发出测量请求，然后高速定时器13将计数器清零，并打开激光发射器6，进行激光发射，同时高速定时器13开始计时。当激光接收器11接收到反射光线后，发出高速脉冲给高速定时器13，高速定时器13接收到该脉冲后，立即停止计时，并关断激光发射器6。然后向数据处理以及控制单元12发出测量完成信号。数据处理以及控制单元12读取高速定时器13的时间，即可计算出光线的行程，然后根据本装置内部光路的长度，进行一下校正，即可得到被测物体的直线距离。

2）测量程序流程：

为了保证障碍检测的精确度，需要保证测量坐标的分辨率至少要到达±50毫米（起重机运行环境内的障碍物的尺寸基本都在100毫米以上），所以激光扫描的坐标分辨率需要满足±50mm的分辨率要求。x轴旋转范围为45°，测量距离范围为30米，而0.05°的测量距离为30000/45*0.05≈33.3mm，所以x轴的以0.05°步进旋转可以实现分辨率约±33.3mm，满足分辨率要求。y轴旋转范围为26°，测量距离为15米，而0.05°的测量距离为15000/26*0.05≈28.8mm，所以y轴的以0.05°步进旋转可以实现分辨率约±28.8mm，满足分辨率要求。所以程序中x和y轴的角度步进量均为0.05°，即x轴伺服电机4和y轴伺服电机5角度步进量分别为0.05°。

如程序框图所示：

数据处理以及控制单元12首先判断是否存在报警标志，如果存在报警标志则判断是否收到起重机的复位命令，如果收到复位命令，则清除报警标志，进入测量模式，否则终止测量，一直向起重机反馈报警状态。

如果进入测量模式，则进入了两个嵌套循环，x轴的旋转角度ax由-22.5°递增到22.5°，步进量为0.05°，y轴的旋转角度ay由5.9°递增到31.9°，步进量为0.05°。

ax控制x轴伺服电机4，ay控制y轴伺服电机5。每循环一次，先将ax和ay换算为伺服电机的控制数据，通过控制x轴伺服电机4和y轴伺服电机5旋转，然后向高速定时器13请求一次测量，得到障碍的直线距离。根据x轴镜片1和y轴镜片2的角度，计算光路的发射角度，从而得到障碍物与装置本身的（以发射镜头8的中心为基准点）三维距离（x,y,z）。然后根据起重机的plc发送的起重机三维坐标（起升高度：z0、小车位置：x0、大车位置：y0），计算障碍物与起重机载荷（或者吊钩）之间的水平间距，然后根据安全距离（大于15米为安全距离）的要求，判断障碍物是否对起重机的运行造成影响，或者与起重机发生碰撞，如果数据进入临界值范围，则将报警标志置位，并将向起重机plc系统发出安全报警。如果没有进入临界值，则继续进行循环，继续上述测量与判断步骤，当两重循环均执行完毕后则返回到程序开始位置，重新开始上述循环测量步骤。一旦发出报警信号，将锁定报警状态，直至起重机plc发出复位信号。

激光测距的流程是，首先向高速定时器13发送启动信号，然后高速定时器13将根据启动信号启动激光发射器6，并开始计时，然后等待激光接收器11的信号，当接收到激光接收器11的信号后，停止计时，反馈一个ok信号。激光测距流程收到该信号后将读取高速定时器13的定时时间，然后计算测量距离，再根据光路长度进行一下修正即可得到实际的测量距离。如果高速定时器13在0.1微秒时间内没有收到激光接收器11的信号则反馈一个over的信号，激光测距流程收到该信号后将认为测量距离超出量程，也表明前方没有障碍物，所以将测量距离设置为999999，可以保证程序可继续运行。