起重机自动化控制关键技术与实现

供稿/江苏华澄重工有限公司 孟庆国 编辑/马晨

中国是全球起重机市场的主要制造和消费国之一。我国起重机制造业经过多年的快速发展，已经形成了一批实力雄厚的企业。国内起重机企业在技术水平、产品质量和市场份额等方面取得了显著进展，与国际知名企业竞争力逐渐增强，逐渐实现了从产品跟随到产品引领的转变。陆续出台的相关法规和标准对起重机的能耗、噪音、排放等方面提出了更高的要求，推动着企业不断在起重机设计、控制系统、自动化和智能化技术等领域进行了大量的研究和创新。从技术水平方面来看，我国起重机行业在技术创新和研发方面取得了显著进展，实现的关键技术包括以下几个方面：

1）传感器技术。传感器是实现起重机智能控制的基础，通过各种传感器，如激光扫描及测距传感器、摄像头、压力传感器等，可以获取起重机和周围环境的各种信息，如位置、载荷、速度、姿态等，用于实时监测和感知（见图1、图2）。

图1 物料激光3D 扫描成像

图2 摄像装置

在当前应用技术中，激光3D 扫描技术与机器视觉技术可以实现精确的环境感知和物体识别，优化起重操作，并提高作业效率和安全性：

①可感知环境：激光3D 扫描技术可以通过激光束扫描周围环境，获取物体的几何信息和空间坐标。起重机配备激光3D 扫描仪后，可以实时感知和识别周围的障碍物、设备以及其他起重机。这样可以帮助起重机司机及现场作业工人更好地了解起重机所处的环境，以便有效避免干涉和事故的发生。

②可实现无接触高精度定位：激光3D 扫描技术可以提供高精度的空间定位和位置检测功能。起重机搭载激光3D 扫描仪后，可以实时测量并准确计算吊钩的位置、运动轨迹和吊具姿态。这种高精度定位功能可以帮助起重机司机更好地掌握起重货物的位置和姿态，提高吊装精度和安全性。

③可对物体识别和探测：两种技术的组合应用可以对起重货物进行高精度的识别和探测。通过对起重物体进行扫描和分析，可以获取物体的形状、尺寸等信息。这样可以帮助操作人员更好地了解物体的属性和特征，从而选择合适的吊具、调整吊装参数，并确保安全有效的吊装操作。

④可实现高效作业规划：激光3D 扫描技术可以生成精确的环境三维模型和物体点云数据。这些数据可以与起重机控制系统进行集成，用于作业规划和路径规划。通过以物体点云数据为基础，起重机可以在规划装卸路径时考虑到物体形状、空间限制和避障需求，从而实现高效的作业规划和路径优化，提高作业效率和安全性。

2）数据采集和处理。采集到的传感器数据需要进行处理和分析，以提取有用的信息。数据采集和处理技术包括信号处理、图像处理、特征提取、数据融合等方法，可以从海量数据中提炼出关键的控制参数和信息（见图3）。

图3 数据采集与处理路径图

起重机数据采集的信息主要有各机构运行状态、故障管理与追踪锁定、各机构工作情况统计。可以对起重机作业量进行统计，并能通过设置查询任意时间段的作业量，同时具有分析报表功能。控制线路、驱动器、PLC 部分的故障位置、故障现象数据，对历史故障按类别划分并创建单独的数据库，也可与该起重机以往的故障进行对比。

3）控制算法。起重机智能控制涉及到复杂的控制算法设计。控制算法可以基于传感器数据和系统模型，通过路径规划、避障等方法，实现起重机的自主控制。常见的控制算法包括PID 控制、模糊控制、遗传算法、神经网络等。这些算法可以单独使用或结合在一起，依据具体情况进行选择和优化。许多先进的起重机智能控制系统也使用了混合智能算法，例如将模糊控制与遗传算法或神经网络相结合，以获取更好的控制性能和适应性。根据不同应用需求和目的，选择合适的智能控制算法。

4）自适应和学习算法。起重机智能控制还可以使用自适应和学习算法，以适应动态环境和系统变化。例如，强化学习、模型预测控制、适应性神经网络算法等可以使起重机根据反馈数据进行自主调整和优化，提升系统性能和效率。同样，这些算法也可以单独应用或结合在一起，根据具体应用需求和目的选择合适的自适应和学习算法。通过实时监测和数据反馈，起重机可以不断改进和优化自身的控制策略，以适应不断变化的操作环境和任务要求。

5）嵌入式系统和实时控制。起重机智能控制需要实时性能和高响应速度。嵌入式系统和实时控制技术可以使控制系统具备快速响应、实时计算和快速通信能力，以满足起重机对实时控制和大数据处理的要求（见图4）。在实际应用中一般以载荷限制器或力矩限制器作为嵌入式系统的开发对象。

图4 运行数据实时显示

6）人机交互界面。人机交互界面使起重机司机能够与起重机进行交互（见图5）。界面可以包括触摸屏、语音识别、手势识别等技术，使操作员能够方便地监视起重机状态、输入指令，并获取系统反馈信息。

图5 重要参数终端触摸显示

总的来说，在面对不同场景需求时，对这些关键技术进行组合式的综合应用可以实现不同类型起重机的自动化控制，进而提高起重机作业时的效率、安全性和精确性，进一步推动起重机的自主化和智能化发展。