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文｜中建三局第一建设工程有限责任公司 吴凡 吴善浒 宋兴彬
随着现代社会科学技术的发展，剪叉式高空作业平台（简称“高空车”）已经普及到社会生活的各个角落，运用越来越广泛，不管是建筑，土木工程，及人们的日常生活都离不开剪叉式高空作业平台。在工程项目中已经广泛应用剪叉式高空作业平台以取代传统的操作平台，尤其在机电安装、装饰装修方面。近几年，因高空车违规操作引发的安全事故频发。大多是因为操作人员误操作导致的，如：（1）上升过程中作业人员身体超出护栏导致碰撞挤压；
（2）车辆超速制动不及时导致车辆人员碰撞；
（3）将作业车作为管道顶升装置导致升降车超载；
（4）作业车在不平整场地上升导致设备倾倒等；
安全形势日益严峻，提高设备安全系数迫在眉睫。
在国内剪叉式高空车作业平台领域，为了改善这一安全隐患，设备厂家已研发出了高空车限位杆，在限位杆顶端安装行程开关，通过控制线缆连接至高空车控制系统。限位杆安装在操作平台护栏上，当行程开关接触到障碍物后，会传输开关量信号给高空车控制系统以控制设备的急停，从而确保作业人员的安全。但限位杆使用过程中存在较明显缺陷：（1）限位杆行程开关属于易损器件，容易损坏；
（2）限位杆长度安装高度一般在1.8m左右，为保障作业过程安全可靠，一台高空车通常至少安装2 条限位杆（操作平台的对角），限制了施工作业的操作空间；
（3）限位杆分为内杆及外杆，内杆可以进行伸缩，在设备停用时会将内杆收到外杆内，而施工作业人员往往因为安全意识薄弱，在再次启动时忽略使用限位杆。本技术目的在于研发一个基于激光测距雷达[1]的安全监测设备，用以有效的提高设备操作安全系数，减少安全事故的发生。
表1 单点激光测距优势
建筑施工现场安全第一，结合实际应用环境以及性价比，单点激光测距雷达效果最佳，但需设防水防尘措施保障光学系统的清洁。
360°激光测距雷达的工作方式：首先由发射机发射一束特定功率的激光束，经过大气传输辐射到目标表面上，反射的回波由接收装置接收，再对回波信号进行处理，提取有用信息。通过测量反射、散射回波信号的时间间隔、频率变化、波束所指方向等就可以确定目标的距离、方位和速度等信息，然后结合激光器本身的位置信息和姿态角度信息,准确计算出目标表面回波点的三维坐标。
360°激光测距优势：目前广泛应用的为激光测距雷达，广泛应用于机器人定位与避障、工业快速精准测绘、环境扫描等领域，可实现360°全方位扫描，测量半径长，数据密度大、数据精度高、性价比高，稳定可靠的优点。
激光雷达的应用范围广阔，我国激光雷达的下游市场主要集中在无人驾驶和勘探测绘领域。激光雷达应用在无人驾驶领域，可以识别障碍物，保障行驶安全，随着无人驾驶市场的蓬勃发展，车载激光雷达市场发展迅速，但在剪叉式高空车作业平台领域，国内各厂家设备均无安全限位紧急制动功能，仅具备超载、倾斜的报警功能，无法有效的防范安全事故的发生。
综合以上考虑，对剪叉式高空作业平台安全监测设备进行研究，探讨了通过激光测距雷达技术对周围障碍物进行监测的实施方案，以实现监测设备的便捷性、准确性、可靠性。
2.1 研究内容
通过在底座对角安装两个360°激光测距雷达，测量高空车水平方向距周围墙体、障碍物的距离；
在工作平台上四角分别安装四个单点激光测距雷达，测量栏杆距离上方障碍物的距离。进入到危险距离内进行自动报警同时车辆紧急制动；
实现自动避障的功能。
2.2 研究的关键技术
（1）单点激光测距雷达的应用
单点激光测距雷达用于测量剪叉车护栏距离上方障碍物的距离，因其具有体积小、重量轻的特点，可以直接装在作业平台上面也不会对操作人员造成影响，故在作业平台上四角分别安装四个单点激光测距雷达，用自制的防尘防水保护壳进行固定及防护，电源线路及控制线路通过剪叉车臂接入安装在底座上的集成电路系统。进入到危险距离内进行自动报警同时车辆紧急制动；
实现自动避障的功能。单点激光测距雷达结构图如图1所示。
图1 单点激光测距雷达结构图
（2）360°激光测距雷达的应用
通过在剪叉车底座对角安装两个360°激光测距雷达，可以实现对水平方向上障碍物的监测，有效避免安全事故的发生，但是360°激光测距雷达属于精密设备，容易受到太阳光、污渍灰尘的影响导致测量数据不准，而且因为作业环境的影响外壳容易碰撞损坏，特设计适用于剪叉式登高作业车360°激光测距雷达的保护装置，材质采用镀锌钢，不易损坏不易腐蚀，保护装置仅留出激光发射返回的一点高度，其他地方可以有效的包围住，可以极大减少太阳光的折射，也可以减少污渍灰尘的污染，建构简便，方标拆卸修理。激光测距雷达保护装置结构如图2所示。
图2 360°激光测距雷达结构图
该装置包括：顶盖、保护壳、底座、固定板四大部分。顶盖与360°激光测距雷达通过长螺丝链接固定，顶盖可根据应用环境做调整，在室内情况下平面顶盖即可，在室外条件下顶盖边缘向下微弯，可以起到防雨的作用，根据与360°激光测距雷达底部形状及凸起在底座上做出相应形状用来固定360°激光测距雷达，保护壳在360°激光测距雷达外围围成一圈后通过螺丝将其拧紧，保护壳在靠近电源一侧会预留接线孔供电线接入，保护壳与底座通过玻璃胶固定，底座与剪叉式高空作业车通过固定板及螺丝固定在一起。
（3）单片机的应用
现有360°激光测距雷达只能测绘图形，无法输出电信号，需要设计单片机将测绘图形转换为电信号以此来控制设备的急停。选用STM32F103C8T6 系统板作为主板，通过Keil uVision5 软件进行单片机编程，设定360°激光测距雷达的扫描范围，每个雷达扫描角度为220°，将扫描范围细分为100 个点，读取100 个点的距离数据，达到设定值后输出开关信号。单片机设计流程图如图3所示。
图3 单片机设计流程图
（4）集成电路系统的设计
将各种传感器信号、各模块集成到类似配电箱的集成系统，实现信息的转换、传输。需要选择匹配的传输接口，设计可靠、稳定的安装方式方法。
本系统所设计的集成电路系统安装在剪叉车底座上，集成系统主要包括单片机、单点激光雷达S2R 继电器转接板、继电器、接线段子板等。通过单片机来实现360°激光测距雷达测绘地图转换为电开关量信号，通过继电器来控制设备启停。通过单点激光雷达S2R 继电器转接板将单点雷达测量距离转换为电开关量信号直接控制设备启停。集成系统的电源取自底座内的蓄电池，两种雷达的控制线通过“或”逻辑串联在一起，只要任一方向障碍物距离满足报警要求，控制开关量就会改变，设备停止运行。雷达监测装置安装如图4所示。
图4 雷达监测装置安装图
2.3 研究成果
（1）竖直方向安全监测精度达到±10mm
试验标准设定为：竖直方向操作平台上方1.8m 为急停触发距离。水平方向车体周围1.5m 为急停触发距离。要求误差精度不大于10mm。
第一次测试结果，室内测距精度可以满足±10mm，室外测距产生误判，设备开机即急停。
总结问题：第一次试验单点激光测距雷达无任何遮光挡光设施，室外受强光影响，太阳光射入激光接收器，影响系统对距离的判断，导致误触发、开机即停机的情况。
表2 单点激光测距雷达改进后试验（室内）
表3 单点激光测距雷达改进后试验（室外）
解决措施：在单点激光测距雷达周围加设保护壳，用于遮光挡光以及防水防尘，仅在发射接收器上方留一个光源孔即可，保障光学系统灵敏度。
（2）水平方向安全监测精度达到±50mm
以上车门为起始点0°，顺时针方向每36°方向设一个测试点，共10 个测试点。
第一次测试结果，室内测距精度可以满足±50mm，室外测距产生误判，设备开机即急停。
总结问题：（1）第一次试验360°激光测距雷达无任何遮光挡光设施，室外受强光影响，太阳光射入激光接收器，影响系统对距离的判断，导致开机即停机的情况；
（2）单片机测距算法有误，测量距离应为障碍物距离车体距离而不是距离激光雷达的距离。
解决措施：在360°激光测距雷达周围加设保护壳，用于遮光挡光以及防水防尘，保护装置特分为上下两部分，通过长螺丝来进行连接，中间留出光源扫描的空隙，保障光学系统灵敏度。修改单片机算法函数，以车体为距离起始点。
360°激光测距雷达是通过激光顺时针旋转接收反射信号进行测距的，旋转过程需要一定时间，导致测距误差变大，经试验，误差精度在10-50mm 之间，多为负偏差。故单片机程序设置检测距离时，以大于急停触发距离50mm 设置为宜。
2.4 工程应用
激光测距雷达在剪叉式高空作业平台安全监测方面的研究及应用，实现了对高空作业平台安全使用情况的监控，可以准确的进行避障报警，可以有效的提高设备使用的安全系数，减少事故发生的概率。工程建设现场施工讲究安全第一，“安全一松，全线告终”，安全事故会导致工地停工，事故理赔，公司停牌等直接或间接的影响，剪叉式高空作业平台安全检测设备能极大的降低安全事故发生率，为项目建设、顺利履约提供了有力的支撑。
本技术自2021年6月至今同时应用于公司三个在建项目，在用高空车全年平均为150 台。相比于传统的管理模式，在管理成本上面，可减少车辆管理人员80%的工作量，节省了4 个车辆管理人员，年节约费用12*10000*4=48 万元，后期推广至整个公司或集团时将创造更大的经济效益。
经实践证明，剪叉式高空作业平台安全监测设备具有应用方便、安装便捷、使用环境广泛、安全系数高的优点，可以切实减少安全事故的发生，对建筑行业向工业化、信息化发展起到了积极的作用，具有良好的推广价值和应用前景。
通过对激光测距雷达在剪叉式高空作业平台安全监测方面的研究及应用，研发出了剪叉式高空作业平台安全监测设备，可以有效的对周围障碍物进行监测，实现紧急避障的功能，经多轮性能测试，剪叉式高空作业平台安全监测设备的监测精度不大于±50mm，可以满足施工现场使用要求。同时监测设备可以通过调整保护装置的材质、形状、防护等级，以适应施工现场复杂的应用环境。本项技术的实施，可以有效提高设备使用的安全系数，减少事故发生的概率，为项目的安全生产、顺利履约提供有力支撑。
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