2. 工程机械基础
工程机械是道路、桥梁、矿山、水利、市政等施工现场的核心作业装备。它们普遍具有体积大、质量重、作业装置可运动、视野盲区多、作业环境动态变化等特点。理解不同机型的结构形态与作业方式，是设计环境感知与安全避障系统的前提：感知传感器的布置位置、探测距离、盲区补偿策略，都必须围绕具体机型的运动学特征和危险区域来展开。
一、常见工程机械类型与结构特征
施工现场最常见的工程机械可归纳为挖掘机、起重机、推土机、装载机四大类，此外还有压路机、摊铺机、混凝土泵车、旋挖钻机等专用设备。它们的共同点是“行走底盘 + 作业装置”，但作业装置的运动自由度和危险区域差异极大。
- 挖掘机：由履带或轮式底盘、回转平台、动臂、斗杆、铲斗组成，具有回转、动臂升降、斗杆伸缩、铲斗翻转四个以上自由度。作业时上部平台可 360° 回转，尾部扫掠区和铲斗挖掘轨迹是主要危险区。
- 起重机：包括汽车吊、履带吊、塔吊等，核心是起升、变幅、回转、行走四大机构。危险区域随吊臂方位和幅度实时变化，吊物下方及吊臂回转半径内属于高风险区。
- 推土机：履带底盘前置铲刀，主要进行推土、平整、压实作业。运动相对简单，但铲刀前方和履带两侧存在碾压与推挤风险，倒车时后方盲区大。
- 装载机：轮式底盘前置铲斗，通过举升臂和铲斗完成铲装、运输、卸载。作业时铲斗举升高度大，前方视野被铲斗遮挡，转弯半径大，易发生侧翻和碰撞。
二、作业特点与典型危险区域
工程机械的作业特点可概括为“移动 + 变幅 + 回转 + 负载”四类运动的叠加。以挖掘机为例，一次完整作业循环包括：回转对准、动臂下降、斗杆挖掘、铲斗装满、回转卸料，整个过程上部平台持续旋转，铲斗轨迹呈空间曲线。这意味着危险区域不是固定的一块地面，而是随时间变化的动态包络体。
起重机则更强调负载引起的稳定性问题。当幅度增大或吊重超过额定值时，整机可能倾覆；吊臂与高压线、建筑物、人员之间的净距必须实时监控。推土机和装载机虽然运动较简单，但铲刀、铲斗的遮挡会造成严重的前方盲区，倒车时后方盲区可达数米。
三、安全风险与避障需求分析
工程机械事故主要集中在碾压、碰撞、倾覆、触电、机械伤害五类。其根源往往不是单一因素，而是“盲区 + 动态运动 + 人员误入 + 无预警”叠加的结果。因此避障需求必须分层设计：
- 感知层：在机身四周、动臂、铲斗、吊钩等关键部位布置传感器，覆盖近距、中距和回转扫掠区。
- 判断层：融合雷达、视觉、IMU、UWB 等数据，识别人员、车辆、障碍物和机身姿态，计算碰撞时间 TTC 与安全距离。
- 执行层：按风险等级输出声光报警、限速、限制回转、紧急制动等动作。
| 机型 | 主要危险区域 | 典型风险 | 避障感知重点 |
|---|---|---|---|
| 挖掘机 | 回转扫掠区、铲斗轨迹、尾部 | 挤压、碰撞、人员误入 | 360°环视、回转区雷达、铲斗近距检测 |
| 起重机 | 吊物下方、吊臂回转半径、高压线附近 | 物体打击、倾覆、触电 | 吊臂角度、幅度限位、近电预警、吊钩视觉 |
| 推土机 | 铲刀前方、履带两侧、倒车后方 | 碾压、推挤、盲区碰撞 | 前方雷达、倒车影像、侧向超声 |
| 装载机 | 铲斗前方、转弯外侧、卸载区 | 视野遮挡、侧翻、碰撞 | 铲斗摄像头、侧向雷达、倾角监控 |
四、典型场景与误区复盘
以某市政工地挖掘机回转作业为例：驾驶员在回转过程中，右侧盲区内有一名工人正在整理管线，机身尾部扫掠时几乎发生挤压。复盘发现，该机仅安装了倒车雷达，未覆盖回转平台侧后方，且报警阈值设置过大，导致预警滞后。改进方案是在回转平台四角增加毫米波雷达，并将回转区域划分为“预警区—减速区—制动区”三级，配合声光报警。
综上，工程机械的类型与作业特点直接决定了安全风险的形态和避障系统的设计边界。只有把机型结构、运动方式、危险区域和感知手段对应起来，才能构建真正有效的环境感知与安全避障方案。