干散貨無人行車智能裝載系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

劉國榜 于繼明 徐 偉 韓明辰3

（1.南京寶地梅山發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司；2.金陵科技學(xué)院）

散裝貨物無人值守裝運系統(tǒng)一直是國內(nèi)外的難題。在無人智能行車方面，發(fā)達國家的干散貨裝運設(shè)備制造業(yè)起步較早，上世紀80年代ABB公司推出了在當時比較先進的自動操作系統(tǒng)，即橋式抓斗卸船機系統(tǒng)，功能包括自動卸船、卸船機自動操作時過載控制、抓斗運行軌跡優(yōu)化計算和抓斗擺動抑制，投產(chǎn)后使用效果良好［1］。在國內(nèi)，上海國際港務(wù)（集團）有限公司聯(lián)合上海港機重工、ABB（中國）有限公司、上海交通大學(xué)等單位研制開發(fā)了全自動散貨抓斗、全自動散貨裝載機和全自動斗輪取料機，這項研究涉及到物料的監(jiān)測、智能輔助等關(guān)鍵技術(shù)，為實現(xiàn)上海港散貨的高效自動化裝卸、堆放開創(chuàng)了先例［2-7］。不足的是，該項目的物料分布監(jiān)測以及定點卸船等關(guān)鍵技術(shù)尚屬于探索性研究，許多工作還有待進一步進行。干散貨無人行車裝載貨系統(tǒng)至今無成功的產(chǎn)品與應(yīng)用案例。因此，開發(fā)智能工業(yè)機器人進行干散貨的裝卸工作是亟待啟動的項目。

1 項目概況

國內(nèi)企業(yè)在干散料發(fā)貨方面，全靠人工操作，操作技能要求較高，現(xiàn)場工作環(huán)境差，勞動強度大，易疲勞，工作內(nèi)容機械重復(fù)，不符合散裝貨物發(fā)貨高效、安全的要求。且人為操作容易引起設(shè)備損壞、維保成本增加。近年來，梅山礦業(yè)分公司人員不斷減少，生產(chǎn)效率和安全要求不斷提高，特別是發(fā)貨工作直接關(guān)系到礦山的生產(chǎn)、經(jīng)營。因此，發(fā)貨業(yè)務(wù)需要向自動化、無人化方向發(fā)展。2017年3月，梅山與本地高校就無人行車裝載貨系統(tǒng)進行合作調(diào)研，2018年7月完成了自動化行車控制系統(tǒng)、業(yè)務(wù)智能調(diào)度系統(tǒng)等的研發(fā)工作，2018年8月開始在梅山礦業(yè)分公司進行集成測試。經(jīng)過多輪實驗、標定、優(yōu)化、修正，系統(tǒng)于2019年投入使用。

2 無人行車智能裝運系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)思路

無人值守行車智能裝載貨系統(tǒng)是涉及通信、自動控制、電氣、計算機等多個學(xué)科交叉的集成應(yīng)用創(chuàng)新。結(jié)合梅山實際發(fā)貨業(yè)務(wù)及復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，其主要功能包括現(xiàn)場信息的采集、行車自動控制、業(yè)務(wù)生成及處理。系統(tǒng)架構(gòu)包括硬件支撐層、信息采集與通信層、業(yè)務(wù)建模與分析層、無人行車業(yè)務(wù)應(yīng)用層，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

硬件層包括服務(wù)器、控制主機、PLC控制裝置、激光定位器、微波雷達、車位監(jiān)測裝置等，用于現(xiàn)場的業(yè)務(wù)環(huán)境、業(yè)務(wù)裝運、業(yè)務(wù)調(diào)度、安全檢測等方面的技術(shù)支撐。采集通信層用于采集、傳輸和存儲業(yè)務(wù)場景的設(shè)備、環(huán)境、系統(tǒng)各方面的實時信息及狀態(tài)。雷達、傾角監(jiān)測信息通過232/485傳輸，行車與控制主機之間通過OPC傳輸，其它信息通過TCP/IP傳輸。業(yè)務(wù)建模與分析層是系統(tǒng)最核心的模塊，三維特征分布與裝運過程控制等是涉及發(fā)貨業(yè)務(wù)優(yōu)先級、類型、執(zhí)行情況等的關(guān)鍵因素。李鵬宇等［8-9］在干散料的三維分布特征與安全方面做出了研究，但還缺乏較成熟的應(yīng)用，這正是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。業(yè)務(wù)應(yīng)用層完成發(fā)貨裝運、布料、掃描檢測、人工交互、系統(tǒng)檢測業(yè)務(wù)。其中人工交互是在特殊情況下提供人工處理功能，正常情況下不需要人員干涉。整個系統(tǒng)能根據(jù)現(xiàn)場條件，完全自主實現(xiàn)無人值守發(fā)貨工作。

2.2 主要模塊設(shè)計

2.2.1 無人值守行車裝載系統(tǒng)功能架構(gòu)

無人值守行車裝載系統(tǒng)主要包括六大功能模塊：集成業(yè)務(wù)調(diào)度、行車電控系統(tǒng)、掃描模塊、安全子系統(tǒng)、人工交互模塊、數(shù)據(jù)分析模塊，各模塊的詳細功能及模塊間關(guān)系見圖2。

2.2.2 集成業(yè)務(wù)調(diào)度模塊

整個系統(tǒng)的功能是以散裝料無人值守業(yè)務(wù)為中心，本模塊是整個系統(tǒng)的大腦。無人值守完全代替人工操作，涉及系統(tǒng)的現(xiàn)場、設(shè)備、業(yè)務(wù)等各種實時信息，各信息之間具有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，需要有機協(xié)同，因此，需要多信息之間高度集成、智能調(diào)度。本模塊主要包括基礎(chǔ)配置、數(shù)據(jù)接口、通信接口、三維場景采集及三維生成等功能。其中通信接口又包括集成業(yè)務(wù)調(diào)度與車位狀態(tài)通信，確認是否有待裝載車輛；行車電控系統(tǒng)接口定義行車與集成業(yè)務(wù)調(diào)度系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交互、規(guī)則；行車垂直偏離角度檢測用于感知行車是否產(chǎn)生傾倒安全風(fēng)險；雷達無線接口實現(xiàn)雷達所在實時位置的高程檢測，三維生成包括對場景三維坐標的插值、堆料三維分布和特征生成功能，在生成業(yè)務(wù)信令前，根據(jù)三維特征分布確定當前位置是否滿足抓取條件。

2.2.3 掃描模塊

掃描模塊包括雷達采集模塊、雷達掃描及采集處理軟件、雷達數(shù)據(jù)接口、平面位置采集。平面采集與雷達高程采集是2個不同的硬件，需要根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行處理與融合；雷達接收到數(shù)據(jù)后，要根據(jù)算法進行濾波、處理，優(yōu)化采集數(shù)據(jù)達到業(yè)務(wù)精度；雷達數(shù)據(jù)接口定義雷達數(shù)據(jù)采集協(xié)議、雷達數(shù)據(jù)通信傳輸協(xié)議，使雷達數(shù)據(jù)有效送達集成業(yè)務(wù)調(diào)度系統(tǒng)。

2.2.4 行車電控系統(tǒng)模塊

行車電控系統(tǒng)包括激光定位、行車通信接口、運動控制系統(tǒng)、故障檢測模塊。激光定位硬件及接口軟件能檢測大小車的實時位置，并將數(shù)據(jù)提供給掃描模塊，與雷達高程數(shù)據(jù)共同生成空間三維坐標；行車通信接口定義了電氣控制模塊與集成業(yè)務(wù)調(diào)度模塊之間的協(xié)議接口，包括業(yè)務(wù)信令、業(yè)務(wù)規(guī)則、空間坐標、故障代碼、行車狀態(tài)代碼等內(nèi)容；運動控制系統(tǒng)為PLC控制系統(tǒng)，能根據(jù)行車位置、行車狀態(tài)、業(yè)務(wù)指令等，控制大小行車運動速度、抓斗升降與開閉動作；故障檢測模塊檢測硬件及指令故障，當電機、行車、抓斗等有故障產(chǎn)生時，則根據(jù)故障種類，做出暫停、報警、停電等行為。

2.2.5 安全子系統(tǒng)

工業(yè)無人值守控制系統(tǒng)對安全、穩(wěn)定要求非常高，安全系統(tǒng)直接影響系統(tǒng)的可用性。本系統(tǒng)的安全包括限位安全、故障安全、翻斗安全、滑槽安全。限位安全是針對起始點、場景中安全避險點進行設(shè)置、定義，保證場景中本質(zhì)化安全；故障安全是設(shè)備故障時，對電氣、控制部分的安全管理功能，保證設(shè)備本質(zhì)化安全；翻斗、滑槽安全是保證軟繩抓斗因擺動、抓取表面極不規(guī)則等原因造成的翻斗、滑槽風(fēng)險，從PLC系統(tǒng)進行控制，減少安全事故發(fā)生。

2.2.6 人工交互模塊

系統(tǒng)運行過程中，在故障或特殊情況下需要人工做出處理。業(yè)務(wù)查詢可查詢業(yè)務(wù)關(guān)鍵信息，比如當前設(shè)備狀態(tài)、業(yè)務(wù)完成情況、報警信息等；人工任務(wù)干預(yù)可以暫時中斷自動系統(tǒng)的操作，根據(jù)特殊需求人工操作電控系統(tǒng)，完成特殊業(yè)務(wù)。比如臨時增加一斗或臨時停車等作業(yè)；當報警信息出現(xiàn)時，根據(jù)現(xiàn)場視頻，確定是否需要人工處理相應(yīng)的故障或事故。

2.2.7 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊對發(fā)貨、故障、任務(wù)過程、操作、軌跡等進行記錄與分析，提供業(yè)務(wù)、操作、安全、故障等類型的統(tǒng)計或分析數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)之間有一定的聯(lián)系，后續(xù)可進一步建模，為系統(tǒng)的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

3 主要設(shè)備及軟件

無人行車智能裝載系統(tǒng)包括多種硬件、軟件及接口，實現(xiàn)業(yè)務(wù)、場景、裝備的高度集成與控制，完成無人值守作業(yè)，并保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定。

3.1 系統(tǒng)硬件裝備

系統(tǒng)的硬件主要包括業(yè)務(wù)智能調(diào)度系統(tǒng)、高精度采集雷達、運動控制系統(tǒng)等主要設(shè)備，如圖3、圖4所示。

系統(tǒng)各部分硬件有機連通，根據(jù)業(yè)務(wù)協(xié)同工作。業(yè)務(wù)IC讀卡器、通信模塊、高精度雷達等通過有線或無線的方式與智能調(diào)度系統(tǒng)相連，部署在下方料場，用于身份驗證、空間坐標采集工作；PLC及電氣控制裝備部署在行車上，用于實時控制行車與抓斗的運動及操作；業(yè)務(wù)調(diào)度控制主機放置在安全場所，用于現(xiàn)場多源信息的集成與處理，同時具有數(shù)據(jù)記錄、服務(wù)分析、報表統(tǒng)計功能。

3.2 主要軟件模塊

3.2.1 集成業(yè)務(wù)智能調(diào)度系統(tǒng)

軟件主要包括集成業(yè)務(wù)調(diào)度系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、業(yè)務(wù)分析與展示等系統(tǒng)。集成業(yè)務(wù)調(diào)度系統(tǒng)包括業(yè)務(wù)接口、業(yè)務(wù)實時過程控制、業(yè)務(wù)場景監(jiān)視等功能。

系統(tǒng)具有配置、開行車、關(guān)行車等功能，具有雷達、傾角、業(yè)務(wù)IC卡、車牌識別等現(xiàn)場信息的接收功能，同時有日志、電控任務(wù)交互、任務(wù)場景分析展示功能，對現(xiàn)場的布料區(qū)、發(fā)貨業(yè)務(wù)A區(qū)、發(fā)貨業(yè)務(wù)B區(qū)、抓取點、放料點、車位點等實時信息進行分析與顯示。

3.2.2 自動行車PLC控制系統(tǒng)

自動行車PLC控制系統(tǒng)，有參數(shù)配置、故障檢測與報警、PLC控制功能模塊。本系統(tǒng)接收集成業(yè)務(wù)調(diào)度系統(tǒng)的業(yè)務(wù)指令及抓、放位置，通過PLC控制系統(tǒng)指揮電氣裝置，控制行車電機及抓斗電機的運動，檢測控制系統(tǒng)的電氣、電流、位置等參數(shù)，實現(xiàn)無人值守業(yè)務(wù)的抓取、放料自動控制，如圖5所示。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵創(chuàng)新點

4.1 抗干擾電磁波雷達設(shè)計與研制

梅山散裝貨物為具有磁性、細顆粒、表面極不規(guī)則的鐵精礦粉，具有吸波、反射、散射、對信號干擾性強等特點。當前激光雷達容易受到大霧、揚塵等干擾，無人值守業(yè)務(wù)難以正常進行。研究、設(shè)計一款具有抗干擾、功能穩(wěn)定的微波雷達，對吸波的、表面不規(guī)則的、極細顆粒特征的裝物表面高度精確采集，關(guān)系到項目的成敗。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研及行車設(shè)備實際情況，項目團隊需要設(shè)計一款微波雷達，安裝于行車起重臂，用于對礦堆進行快速垂直測距，同時通過激光測距技術(shù)采集行車所在平面位置，共同組成行車實時的空間位置信息，如圖6所示。

根據(jù)圖6所示的安裝方式及現(xiàn)場采集精度要求，直接決定了雷達研制的參數(shù)。因鐵精礦倉的粉塵嚴重超標，超聲波雷達在其中穿透力差、分辨率低，不能采用，所以考慮兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)特點的毫米波雷達。相比紅外、激光、電視等光學(xué)制導(dǎo)雷達，毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強，且有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點。因此，在本項目的現(xiàn)實環(huán)境下，采用毫米波技術(shù)研制礦用毫米波雷達是最好的選擇。雷達通過天線向鐵礦粉堆發(fā)射頻率經(jīng)過調(diào)制的毫米波，毫米波被礦堆表面反射，反射信號與發(fā)射信號進行混頻產(chǎn)生的差頻信號，通過AD采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，使用高精度測距信號處理算法對該數(shù)字信號進行處理，可獲得礦粉堆表面的高度。

根據(jù)上述原理，設(shè)計的雷達采集系統(tǒng)包括毫米波雷達、無線通信發(fā)射模塊、無線通信接收模塊、上位機4個部分，如圖7（a）所示。毫米波雷達進行不間斷連續(xù)測量，測量結(jié)束后將距離信息通過無線傳輸方式傳回上位機。

微波雷達的結(jié)構(gòu)如圖7（b）所示，包括天線、射頻前端、信號處理板3大部分。雷達采用FMCW體制，前端使用FMCW射頻模塊，信號處理板核心芯片采用FPGA。雷達工作時，通過在FPGA中運行高精度測距算法提取雷達信號中的高度信息。在現(xiàn)場測試獲取的精度結(jié)果見表1。

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通過對比雷達的測試距離和實際距離可以看出，測試誤差固定在0.10 m左右，可以通過軟件算法進行誤差消除，滿足現(xiàn)場精度要求。

4.2 干散貨堆料三維特征分布與抓取安全關(guān)系數(shù)學(xué)模型

干散貨抓取位置的選取關(guān)系到設(shè)備安全，如果傾角過大，可能會造成脫槽、滾筒滑槽事故，因此要根據(jù)堆料的三維分布情況，抽取三維特征分布，建立特征分布與安全關(guān)系模型，避免安全事故發(fā)生。項目建立基于DTM的三維特征分布，對超出安全風(fēng)險系數(shù)的抓取點，采用滑動窗口算法進行滑動，保證系統(tǒng)的安全性。三維安全特征分布模型仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8中，對每一塊堆料數(shù)據(jù)，建立分布特征與安全關(guān)系模型，并根據(jù)安全關(guān)系數(shù)據(jù)，建立DTM三維安全模型數(shù)據(jù)表，根據(jù)抓斗抓取窗口的大小，確定抓取范圍的安全系數(shù)，動態(tài)滑動確定抓取點，滑動方向如圖中箭頭所示。

5 結(jié)語

項目完成了干散堆料無人值守機器人發(fā)貨系統(tǒng)的硬件研制、測試，軟件及接口的研發(fā)、應(yīng)用，實現(xiàn)真正意義的無人值守發(fā)貨。系統(tǒng)自上線以來，每天可發(fā)貨4 000 t，每年產(chǎn)生經(jīng)濟效益40萬元/套；相比人工操作，本系統(tǒng)發(fā)貨可以減少95%的拋灑量；減少勞動力3名；由于控制策略的具體量化，解決了違章操作的問題，設(shè)備備件消耗降低80%，動力消耗降低15%左右。