基于多模态感知与智能决策的双汽车吊协同起重系统

　　一、案例背景

　　随着我国公路桥梁建设向大跨径、重载方向快速发展，大型预制梁的吊装成为制约施工安全与效率的关键环节。单台汽车吊在起吊能力与稳定性上均难以满足要求，双汽车吊协同作业逐渐成为主流解决方案。然而，在实际施工中，双汽车吊协同仍面临时空同步性差、动态环境扰动抑制困难、人工协调效率低等突出问题。

　　为系统性解决上述难题，本团队提出并构建了一套融合多模态感知与智能决策的双汽车吊协同起重系统，在狮子洋通道T10合同段106榀预制箱梁吊装中成功应用，实现了双汽车吊协同作业从“一人一机”向“一人双机”智能模式的转型升级。

　　二、主要做法

　　1.系统总体架构。系统围绕“感知—决策—执行”三层闭环控制逻辑设计，实现对双汽车吊协同作业的全过程智能化管控。感知层通过倾角传感器、激光雷达、风速风向仪、拉线编码器、力矩传感器等多源异构传感器，实时采集吊臂姿态、预制梁位姿、环境风载荷等关键数据;决策层基于扩展卡尔曼滤波(EKF)、模糊PID控制及分布式一致性算法，完成状态识别、风险评估与动作规划;执行层通过液压伺服系统与电控单元实现双机动作精准同步。

　　2.智能监控模块。智能监控模块采用集成智能控制系统，区别于感知层的单一数据采集，该模块构建分布式监控网络，实现多源传感器数据的汇聚、传输、多端同步展示，并新增设备故障诊断与全流程视频监控专属功能。在两台汽车吊驾驶舱安装显示屏，设备运行数据可在两台吊车显示屏中同步展示，防止操作失误引起的风险，并允许司机实时调整操作策略。在每台汽车吊上安装3台海康高清摄像头，对双汽车吊架梁时进行全方位监控。此外，该模块还具备故障诊断功能，能够自动检测并报告设备的潜在问题，从而减少意外停机时间。

　　智能监控模块构成一个分布式监控网络。各类传感器根据其功能被部署在汽车吊的相应关键部位，将各类传感器采集到的数据，通过车载有线网络，汇聚至位于吊车吊钩处的数据发送端。该数据发送端统一将处理后的多源信息，通过无线通信传输至地面的数据接收处理端，并最终同步显示于车载显示屏及地面指挥人员的手持设备上，实现作业状态的集中监控与同步展示。

　　3.预制梁平衡监测模块。为实现对预制梁吊装姿态的高精度监测，采用定制化布设与专属数据交互机制，实现梁体倾斜状态的高频、精准、双机同步监测与失衡快速反馈。在预制梁的2个吊点正下方，分别设置一台RZDQ-0331高性能动态倾角传感器，以3秒为周期采集数据，并通过两台无线通讯设备同步传输至汽车吊监测主机，两台汽车吊共享同一数据源。当监测到梁体倾斜角度超出±5°的控制范围时，立即反馈至决策层，触发相应预警并启动调整机制，通过执行层调整双汽车吊起升速度，平衡梁体受力，避免因姿态失衡导致的扭转变形或坠落风险，确保预制梁在吊装全过程中的姿态稳定与受力均衡

　　4.架梁防碰撞模块。融合多源感知数据实现碰撞风险的精准研判、主动防控，并具备自学习优化的专属能力。结合激光雷达点云与视觉传感器提供的数据，采用数据融合算法精确计算出预制梁的实时姿态和位置。当检测到两台吊车抬梁时，预制梁与既有结构物之间的距离或角度接近预设的安全阈值时，会自动启动防碰撞机制。该机制包括发出声光报警、自动减速或停止吊车运动，以避免碰撞事故的发生。此外，系统还具备自学习功能，能够根据实际操作的数据积累，不断优化安全参数，提高系统的智能化水平和操作安全性。

　　5.协同运动模块。运动协同模块聚焦双汽车吊协同作业的动作规划、轨迹优化与同步调控，是衔接决策层指令与执行层动作的核心，为两台独立的设备建立统一的运动基准，并实时校正相互间的动作偏差。该模块将双汽车吊的作业动作分解为多个基准动作;并结合实时作业工况、初始位置、初始载荷、初始车身摆角、吊臂的初始作业幅度和初始回转角度、以及吊钩吊点的初始位置等参数，确定各基准动作的运行参数， 基于吊臂状态模型，推导其逆运动学解，计算出各吊臂为达到目标位姿所需的理想运动轨迹。该规划轨迹会结合实时位姿反馈进行动态调整。同时，在自适应反馈控制算法确保各吊点自身稳定的基础上，引入分布式一致性算法作为协同律(双机协同控制规则)，通过双汽车吊间的实时状态交互，动态调整各自的运动指令，确保起升、回转、变幅等动作的同步性。

　　6.三级预警与自适应控制。系统建立轻、中、重三级预警机制，对应不同风险等级自动触发声光警示、自动限速、速度补偿或紧急制动等控制响应。同时，采用自适应反馈控制与前馈控制算法，实时计算速度补偿量与吊臂角度补偿指令，主动抑制预制梁摆动与环境扰动，实现“现状诊断—偏差校正—扰动预判”的智能决策闭环

　　三、取得成效

　　狮子洋通道T10合同段于2024年12月开始使用双汽车吊进行架梁，共完成106榀预制箱梁吊装，系统应用成效显著：

　　同步精度大幅提升：双汽车吊起升同步误差从传统方案的±5~8 cm精准控制至±1.5~2 cm，回转同步误差从±6~10 cm降至±2~2.5 cm，同步精度提升80%;预制梁位姿监测误差由±8~15 mm压缩至±2~3 mm，降低75%。

　　抗扰能力显著增强：在风速8~12 m/s条件下，预制梁最大摆动幅度稳定在±5°内，可作业风速上限提升至少50%;高空精调就位时间从平均25 min缩短至8 min，效率提升约68%。

　　安全保障能力突出：累计触发一级预警221次、二级预警3次，三级预警零触发，实现“事前预警、事中控制”的主动安全保障，有效减少人工协调导致的作业中断与重复调整。

　　作业模式实现转型：系统成功实现从“一人一机”到“一人双机”的智能协同作业模式转型，为大型桥梁重型构件协同吊装提供了可靠技术方案。