使用激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)集裝箱與集卡車身的分離檢測

童 巍，鄭凌琳，吳 翔

（上海振華重工電氣集團(tuán)，上海 200125）

使用激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)集裝箱與集卡車身的分離檢測

童 巍，鄭凌琳，吳 翔

（上海振華重工電氣集團(tuán)，上海 200125）

介紹激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)集裝箱與集卡車身的分離檢測。系統(tǒng)使用二維激光器實(shí)時掃描集卡車身和集裝箱，通過分析距離檢測值以識別出集裝箱側(cè)面和集卡車身。當(dāng)集裝箱從集卡車身提起過程中，檢測集卡車身是否發(fā)生位移以確定車身鎖頭是否與集裝箱完全解開。一旦集卡車身位移過大，系統(tǒng)會立刻禁止起升機(jī)構(gòu)繼續(xù)上升動作，防止車身被集裝箱一同提起，避免生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。該種分離檢測方法已在泰國、香港項(xiàng)目的堆場起重機(jī)上進(jìn)行了安裝使用，效果良好。

激光；集裝箱；集卡車身；分離檢測

0 引言

港口碼頭里，負(fù)責(zé)港區(qū)內(nèi)運(yùn)輸集裝箱的拖車稱為內(nèi)集卡，駛出港區(qū)的拖車稱為外集卡。外集卡在運(yùn)送集裝箱過程中，經(jīng)歷的路況復(fù)雜，為防止路上的顛簸造成箱子掉落，需要固定集裝箱。外集卡的車身四周和中部位置均安裝機(jī)械鎖頭，當(dāng)攜帶集裝箱時，車身鎖頭可以插入集裝箱底部的鎖孔，然后進(jìn)行固定。

堆場起重機(jī)對外集卡進(jìn)行卸車作業(yè)前，拖車司機(jī)會事先將鎖頭解鎖，然后等待起重機(jī)司機(jī)將拖車車身上的集裝箱卸下。由于起重機(jī)司機(jī)的視線受限，無法清晰地看到車身鎖頭情況。如果拖車司機(jī)忘記解鎖，或者解鎖未完全。那么，在集裝箱提升過程中，會因?yàn)榧b箱和拖車車身未完全分離，使得車身被一并提起，嚴(yán)重時會使車輛傾覆，損壞車輛并危及拖車司機(jī)的安全。

本文介紹了通過激光技術(shù)來實(shí)現(xiàn)集裝箱與集卡車身的分離檢測。利用激光測距精度高的特點(diǎn)，解決外集卡卸車過程中的安全問題，提升設(shè)備自動化程度。當(dāng)集裝箱從集卡車身提起的過程中，檢測集卡車身是否與集裝箱正常分離。一旦出現(xiàn)分離異常，系統(tǒng)會立即給出報警信號，禁止起升機(jī)構(gòu)繼續(xù)向上。

1 研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的分離檢測方案，一種是通過起升提起過程中的視頻實(shí)時監(jiān)控。比如，起升開始，集裝箱被慢速吊起三秒鐘，然后起升自動停止，這時操作司機(jī)可以通過電視監(jiān)視畫面清晰地觀察到集裝箱是否已與半掛車分離[1]。另一種是安裝多個位置傳感器：在輪胎吊電氣房一側(cè)，比集卡拖車稍高處安裝兩個檢測傳感器，檢測集裝箱與集卡之間的間隙。只有兩個檢測傳感器都無返回信號時，才確認(rèn)集裝箱與集卡完全分離了[2]。

視頻方案還需要人工介入，傳感器則受限于安裝高度。有必要找到一種可以自動判斷集裝箱與車身是否分離的方法。

2 車況分析

后方堆場裝卸作業(yè)有內(nèi)、外集卡之分。此外，同一類別的集卡也有區(qū)別，所以很有必要對此進(jìn)行分析。

外集卡：車身一般有8個鎖頭。No1～No.4位于車身四周，No.5～No.8位于車身中部，能夠攜帶20英尺或者40英尺的集裝箱。根據(jù)集裝箱類型的不同，需要使用不同位置的鎖頭組合。如果某個位置的鎖頭不使用，可以埋入車身。圖1是集卡的俯視圖，在各鎖頭位置處標(biāo)注了數(shù)字。

外集卡的車身情況復(fù)雜，存在如下特點(diǎn)：

1）同一輛外集卡在長度方向上通常會存在高度落差，靠近車頭處會明顯高于車尾部分；

2）車身高度及輪胎胎壓存在的差異使得每一輛外集卡的車身高度不同；

外集卡的鎖頭使用情況集裝箱類型使用鎖頭40英尺1、2、3、4前20英尺3、4、7、8后20英尺1、2、5、6

圖1 集卡各工況鎖頭的使用情況

3）部分外集卡的車身外框鏤空，只保留鎖頭；

4）車身長度不同，通常可以攜帶20英尺或者40英尺集裝箱；但有些簡易的外集卡長度只能攜帶20英尺集裝箱；

5）車身四周的鎖頭位置可能存在擋板，擋板的高度在2～4cm左右。

一個集裝箱使用到4個鎖頭，根據(jù)排列組合，總共15種。我們可以列舉出所有的未解鎖工況。這里以40英尺集裝箱工況為例，說明鎖頭未解開的組合（20英尺的情況也一樣，這里不再一一列舉）。

表1 鎖頭未解開情況（40英尺集裝箱工況）

內(nèi)集卡：不通過鎖頭來固定集裝箱，在車身四周會安裝擋板，擋板高度通常比外集卡要高。外集卡特點(diǎn)1、2、3在內(nèi)集卡類別中也存在。

3 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由PLC、以太網(wǎng)交換機(jī)、二維激光器和嵌入式控制器共同組成。除了激光器之外，其他設(shè)備均安裝在電氣房內(nèi)。所有設(shè)備通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。激光器豎直安裝在集卡車道一側(cè)，激光器與集卡之間不能有遮擋。當(dāng)集卡進(jìn)入車道后，激光器可以檢測到集裝箱側(cè)面、車身和地面。由于激光器離車道上的集卡很近，可獲得較多的掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)。激光器有自己的坐標(biāo)系，X軸垂直于地面，正向指向地面；Y軸平行于小車方向，正向指向集卡車道。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 檢測方法

4.1 集裝箱側(cè)面的識別

當(dāng)激光器采用豎直安裝時，激光點(diǎn)大多數(shù)會打在集裝箱側(cè)面，系統(tǒng)首先需要識別出集裝箱側(cè)面。因?yàn)榧b箱側(cè)面存在凹凸皺褶，在安裝過程中，必須讓激光器的掃描面盡可能與集裝箱側(cè)面平行，這樣即使在集裝箱提起過程中，側(cè)面數(shù)據(jù)點(diǎn)也會盡可能連續(xù)平滑。

激光器每個掃描周期會采集到一組距離檢測值，這些距離檢測值會按照一定的角精度排列。通過簡單的三角函數(shù)公式，我們可以將距離檢測值轉(zhuǎn)換成原始的二維坐標(biāo)點(diǎn)，其中坐標(biāo)系的X軸平行于起升方向，Y軸平行于小車方向。這樣一維的距離值就變成了二維的坐標(biāo)點(diǎn)。

由于堆場作業(yè)時，集卡車身離激光器很近，打在集裝箱側(cè)面的數(shù)據(jù)點(diǎn)基本是連續(xù)的，數(shù)量也很可觀，某一小段區(qū)間內(nèi)會有多個數(shù)據(jù)點(diǎn)。在識別開始前，需要對原始的二維坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行投影處理，以減少數(shù)據(jù)點(diǎn)的處理個數(shù)。首先從該組二維坐標(biāo)點(diǎn)查找Y坐標(biāo)的最小值和最大值，最大值與最小值的差值就作為投影區(qū)域。系統(tǒng)會設(shè)定投影間距，將投影區(qū)域劃分成一個個的小區(qū)間，并在投影區(qū)域內(nèi)對二維坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行Y軸上的投影處理。落在每個投影區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)只需要留下Y值最小的點(diǎn)，即最靠近激光器的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這樣可以屏蔽掃到集裝箱側(cè)面后方的數(shù)據(jù)點(diǎn)。經(jīng)過上述步驟，原始的二維坐標(biāo)點(diǎn)會進(jìn)一步簡化成投影坐標(biāo)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)大幅減少。

接下來，系統(tǒng)會設(shè)定集裝箱側(cè)面數(shù)據(jù)點(diǎn)間的X和Y坐標(biāo)相差值的閥值。依次處理每個投影坐標(biāo)點(diǎn)，不超過閥值的坐標(biāo)點(diǎn)歸成同一個類別。如果有數(shù)據(jù)點(diǎn)不能歸入先前得到的類別，就需要對已歸類的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證處理，判斷其是否為集裝箱側(cè)面。系統(tǒng)會計(jì)算分類中的數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)和側(cè)面高度。如果數(shù)據(jù)點(diǎn)過少，或者側(cè)面高度明顯不達(dá)標(biāo)（集裝箱的高箱在2.9m、低箱在2.6m），已歸類的數(shù)據(jù)點(diǎn)將被丟棄，并繼續(xù)對后續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分類。

整個識別過程會一直持續(xù)，直到所有的投影區(qū)間都被檢查完畢，或者有一個分組的坐標(biāo)點(diǎn)滿足集裝箱側(cè)面的判定標(biāo)準(zhǔn)為止。該步驟會給出集裝箱側(cè)面的識別結(jié)果，有或者沒有。

4.2 集裝箱和車身的分離檢測

當(dāng)集裝箱從集卡車身提起后，就進(jìn)入防吊起檢測范圍。如果該范圍內(nèi)檢測到異常，起升將無法繼續(xù)向上動作。起重機(jī)吊具抓住車身上的集裝箱準(zhǔn)備提起時，系統(tǒng)首先會記錄一個基準(zhǔn)起升高度。為防止吊具著箱時由于松纜造成的起升高度不準(zhǔn)，系統(tǒng)會等待著箱信號消失那個時刻記錄起升高度。

當(dāng)集裝箱和車身正常分離的時候，除了吊具著箱慣性造成的車身位置小幅度振動，集裝箱提升過程中的車身位置相對于吊具著箱時的車身位置基本沒有發(fā)生位移。

而當(dāng)集裝箱和車身未能正常分離的時候，車身會有以下幾種情況。

車身隨著集裝箱出現(xiàn)整體向上的提升運(yùn)動，一般出現(xiàn)在對角線鎖頭未解、三個或三個以上的鎖頭未解的工況中。

車身在大車方向上出現(xiàn)前后翹起，一般出現(xiàn)在車頭或者車尾兩個鎖頭未解的工況中。

車身在小車方向上出現(xiàn)靠近或者遠(yuǎn)離機(jī)器的傾斜，一般出現(xiàn)在車身長度一側(cè)的兩個鎖頭未解的工況中。

單個鎖頭未解時，一般會是2和3的綜合體，但幅度較小。

綜上所述，非正常分離時，集裝箱提升過程中的車身位置相對于吊具著箱時的車身位置會存在位移，或者在X軸（起升）方向存在位移，或者在Y軸（小車）方向存在位移。通過選定合適的監(jiān)控點(diǎn)可以來判斷車身是否發(fā)生位移。

當(dāng)起升首次進(jìn)入防吊起檢測區(qū)域時，會選擇合適的位移檢測算法。在有些車身的外側(cè)區(qū)域，激光器可以檢測到數(shù)據(jù)點(diǎn)。比如：外側(cè)車架、擋板、輪胎或者下方支架等。而有些車身鏤空，除了集裝箱、地面之外，激光只能檢測車身內(nèi)側(cè)的支架。所以監(jiān)控點(diǎn)要根據(jù)不同的情況來選定。

1）車身外部位移

前述提到的車身異?？赡苤辉谄渲幸粋€方向位移明顯，另一個方向則不明顯，所以位移檢測需要同時考慮X軸和Y軸兩個方向。

X軸位移檢測：監(jiān)控點(diǎn)可以選擇X軸上離集裝箱側(cè)面底部點(diǎn)最近的非集裝箱數(shù)據(jù)點(diǎn)。系統(tǒng)會實(shí)時找出該數(shù)據(jù)點(diǎn)，起升首次進(jìn)入防吊起檢測區(qū)域時得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)可作為參照點(diǎn)。系統(tǒng)實(shí)時計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)與參照點(diǎn)在X軸上的差值結(jié)果。一旦結(jié)果的絕對值超過閥值，可認(rèn)為車身被提起。

圖3和圖4是集卡車身被提起前后的掃描圖形，圖3是提起前，圖4是提起后。從圖4中可以看到當(dāng)前點(diǎn)與參照點(diǎn)相比在X軸上已經(jīng)有明顯的位移。

圖3 車身未提起前

圖4 車身被提起后

Y軸位移檢測：因?yàn)樵谲嚿韮A斜時，X軸位移檢測中的監(jiān)控點(diǎn)基本在Y軸上的同一平面，無法直接通過計(jì)算監(jiān)控點(diǎn)的Y軸差值來判定位移，所以需要額外選擇監(jiān)控點(diǎn)?？蛇x取Y軸上離激光器最近的非集裝箱數(shù)據(jù)點(diǎn)作為監(jiān)控位移點(diǎn)，在范圍選定過程中，要防止將地面計(jì)入，否則會失去監(jiān)控的意義。

系統(tǒng)會實(shí)時找出該數(shù)據(jù)點(diǎn)，起升首次進(jìn)入防吊起檢測區(qū)域時得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)可作為參照點(diǎn)，系統(tǒng)實(shí)時計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)與參照點(diǎn)在Y軸上的差值結(jié)果。一旦結(jié)果的絕對值超過閥值，可認(rèn)為車身傾斜。

下兩圖是集卡車身向激光器一側(cè)傾斜前后的掃描圖形，左圖是提起前，右圖是提起后。從右圖中可以看到當(dāng)前點(diǎn)與參照點(diǎn)相比在Y軸上已經(jīng)有明顯的位移。

2）車身內(nèi)部位移

有些車身外側(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)基本沒有，而在集裝箱在提

【】【】起過程中，原本被集裝箱遮住的車身內(nèi)部會慢慢露出，所以不能通過最近非集裝箱數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行判別。

圖5 車身未提起前

圖6 車身被提起后

相反，監(jiān)控點(diǎn)可應(yīng)該選擇離集裝箱側(cè)面底部點(diǎn)最遠(yuǎn)的非集裝箱數(shù)據(jù)點(diǎn)。由于激光器掃到的是車身側(cè)面部分，所以可同時通過該數(shù)據(jù)點(diǎn)來計(jì)算X軸和Y軸上的位移，判定方法和前述一致，這里不再復(fù)述。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)已經(jīng)在泰國、香港項(xiàng)目的堆場起重機(jī)上進(jìn)行了實(shí)際使用?，F(xiàn)場租用外集卡，對鎖頭未解開的所有組合進(jìn)行測試，系統(tǒng)能夠給出報警信號禁止起升繼續(xù)向上。在現(xiàn)場內(nèi)、外集卡混合作業(yè)的環(huán)境中，運(yùn)行效果良好。

圖7 車身未提起前

圖8 車身被提起后

該系統(tǒng)充分利用激光測距精度高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，有效地解決堆場起重機(jī)在外集卡卸車作業(yè)過程中存在的安全隱患，降低了起重機(jī)司機(jī)的操作負(fù)擔(dān)，保障港口碼頭的安全生產(chǎn)，提升自動化程度，也為以后的設(shè)備升級改造提供技術(shù)支撐。

[1] 錢偉文.充分利用現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)RTG的外集卡防吊起功能[J].港口科技動態(tài),2004(9).

[2] 周艷華.集裝箱輪胎吊防誤吊集卡測控裝置[J].港口科技動態(tài), 2005(9).

Realization of the separation detection of the container and truck body based on laser scanning

TONG Wei, ZHENG Ling-lin, WU Xiang

TP29

：A

1009-0134(2017)03-0087-04

2017-01-19

童巍（1983 -），男，碩士，主要從事港口設(shè)備自動化系統(tǒng)的研發(fā)。