一種基于激光測距的船形輪廓掃描系統(tǒng)

朱錦順 吳 翔 孫 偉

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

自動(dòng)化碼頭設(shè)備正朝著高速化、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，如何高效且安全地實(shí)現(xiàn)岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸橋)自動(dòng)裝卸船作業(yè)，是提升碼頭作業(yè)效率的一個(gè)主要因素。為此，需準(zhǔn)確知曉船上各個(gè)排位的集裝箱高度信息，再結(jié)合電控系統(tǒng)對裝卸任務(wù)路徑進(jìn)行規(guī)劃，通過自動(dòng)化運(yùn)行降低岸橋司機(jī)在船側(cè)作業(yè)的勞動(dòng)時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度?；诩す舛帱c(diǎn)測距技術(shù)[1-2]，提出一種適用于自動(dòng)化岸橋的SPSS系統(tǒng)(Ship Profile Scanning System，船形掃描系統(tǒng))，介紹系統(tǒng)功能及工作流程。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

自動(dòng)化岸橋的SPSS系統(tǒng)硬件主要包括激光掃描設(shè)備、SPSS控制器、PLC、DP轉(zhuǎn)換設(shè)備等。

激光掃描設(shè)備安裝于小車架平臺(tái)，使用的是單線式高精度激光器，激光器掃描距離范圍最大為250 m，掃描角度范圍為0°～300°，角精度為0.25°，頻率為10 Hz，滿足目前岸橋的作業(yè)高度范圍。同時(shí)使用高精度的伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，將激光器固定于馬達(dá)上，通過控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)合編碼器數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)從2D到3D的激光器功能轉(zhuǎn)變。

SPSS控制器安裝于電氣房中，通過以太網(wǎng)方式與激光器和馬達(dá)通訊，實(shí)時(shí)獲取并處理激光器掃描數(shù)據(jù)以生成船形輪廓模型。通過DP轉(zhuǎn)換設(shè)備與PLC通訊，獲取實(shí)時(shí)的小車和起升機(jī)構(gòu)位置，并將計(jì)算出的輪廓信息和限速保護(hù)值傳輸至PLC。

為確保SPSS控制器與PLC間通訊的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，采用工業(yè)通訊中常用的Profibus DP方式。因控制器無法直接與PLC進(jìn)行通訊，需借助DP轉(zhuǎn)換設(shè)備，實(shí)現(xiàn)SPSS與PLC間的數(shù)據(jù)收發(fā)。

3 系統(tǒng)功能

3.1 輪廓生成

小車平臺(tái)上安裝3個(gè)激光器，其中2個(gè)2D激光器掃描方向與小車方向平行，且掃描線垂直地面；另一個(gè)激光器安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)上，激光掃描方向與大車方向平行(見圖1)。

圖1 激光器掃描示意圖

當(dāng)小車向前運(yùn)行時(shí)，2D激光器實(shí)時(shí)掃描小車方向的障礙物輪廓，同時(shí)3D掃描儀會(huì)擺動(dòng)到安全高度對應(yīng)的角度位置，對當(dāng)前貝位和相鄰貝位的障礙物輪廓進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描。集成3個(gè)激光器的掃描數(shù)據(jù)生成點(diǎn)云信息，結(jié)合實(shí)時(shí)吊具位置對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，并根據(jù)當(dāng)前大車位置和吊具尺寸，輸出作業(yè)范圍內(nèi)安全的障礙物輪廓，用于自動(dòng)控制系統(tǒng)路徑規(guī)劃(見圖2)。

圖2 輪廓示意圖

3.2 吊具位置檢測

因正常作業(yè)時(shí)吊具晃動(dòng)大，為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)和小車方向的防撞保護(hù)，需實(shí)時(shí)檢測吊具的位置信息。利用安裝于小車架左右兩邊的2D激光器，實(shí)時(shí)掃描吊具上架平面，根據(jù)激光掃描數(shù)據(jù)計(jì)算吊具位置信息，包括吊具高度、吊具在小車方向偏移量、左右旋轉(zhuǎn)角度Skew、左右傾轉(zhuǎn)角度Trim及前后傾轉(zhuǎn)角度List。激光器掃描俯視圖見圖3，其中X為小車方向即前后方向坐標(biāo)，Y為起升方向即高度坐標(biāo)。

圖3 檢測吊具位置原理

以Skew計(jì)算為例，可分別通過左右側(cè)的激光器掃描數(shù)據(jù)識(shí)別出的吊具左側(cè)小車位置中心點(diǎn)X1，吊具右側(cè)的小車位置中心點(diǎn)X2，結(jié)合左右側(cè)激光器安裝位置在大車方向的距離L，則吊具左右旋轉(zhuǎn)角度θs計(jì)算公式為：

θs=tan-1((X1-X2)/L)

(1)

同理，左右側(cè)的激光器掃描數(shù)據(jù)識(shí)別出的吊具中心左側(cè)高度Y1，吊具中心右側(cè)高度Y2，吊具左右旋傾角度θt計(jì)算公式為：

θt=tan-1((Y1-Y2)/L)

(2)

對于List角度計(jì)算，可以僅依靠1個(gè)2D激光器實(shí)現(xiàn)，假設(shè)掃描到的吊具海側(cè)邊緣的高度為Y3，陸側(cè)邊緣的高度為Y4，且掃描到的吊具寬度為W,則前后傾轉(zhuǎn)角度θl計(jì)算公式為：

θl=sin-1((Y3-Y4)/W)

(3)

激光器的安裝位置決定了檢測吊具信息的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，因此在激光器安裝時(shí)，需借助激光探測儀等設(shè)備對安裝位置進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定。

3.3 防撞檢測

對于小車防撞，主要是在小車向前運(yùn)行的時(shí)候3D激光器轉(zhuǎn)動(dòng)擺向海側(cè)，根據(jù)小車的安全減速距離實(shí)現(xiàn)對小車前方安全防撞保護(hù)，其中馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ需根據(jù)起升高度和小車安全距離計(jì)算得到。

對于起升方向的保護(hù)，主要是在起升機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行時(shí)檢測吊具底部或帶箱底部與下方障礙物的距離，當(dāng)距離達(dá)到設(shè)定的安全距離時(shí)，起升速度將會(huì)限制到設(shè)置的最小速度，并一直以此速度下降至著箱。

自動(dòng)化運(yùn)行時(shí)，以小車防撞保護(hù)為例，當(dāng)?shù)蹙邘涞撞康母叨鹊陀谇胺秸系K物，吊具會(huì)與前方集裝箱發(fā)生碰撞，PLC接收到SPSS發(fā)送的各排位高度后，則先拉高起升，等越過前方集裝箱后再降低起升高度運(yùn)行至目標(biāo)位置，確保作業(yè)的安全性(見圖4)。

圖4 防撞原理

4 系統(tǒng)工作流程

SPSS系統(tǒng)主要分為故障、未啟用及正常工作3個(gè)狀態(tài)。當(dāng)SPSS與PLC間數(shù)據(jù)收發(fā)異常、激光器掃描數(shù)據(jù)異?；蜃詣?dòng)化校驗(yàn)失敗等故障時(shí)，系統(tǒng)切換至故障狀態(tài)，同時(shí)輸出對應(yīng)故障代碼；SPSS未啟用且系統(tǒng)無故障時(shí)則輸出空閑狀態(tài)；SPSS已啟用且無故障時(shí)則輸出正常工作狀態(tài)。

系統(tǒng)進(jìn)行防撞保護(hù)運(yùn)算時(shí)需根據(jù)吊具的開、閉鎖狀態(tài)及吊具尺寸，動(dòng)態(tài)切換保護(hù)范圍。系統(tǒng)總體工作流程見圖5。

圖5 系統(tǒng)工作流程

4.1 系統(tǒng)開關(guān)

司機(jī)室觸摸屏或遠(yuǎn)程操作臺(tái)上的SPSS ON/OFF按鈕用于控制啟用或停止SPSS系統(tǒng)功能，默認(rèn)為開啟狀態(tài)。如果系統(tǒng)有故障發(fā)生時(shí)，SPSS會(huì)對小車和起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度進(jìn)行限制用于提醒司機(jī)，若短時(shí)間內(nèi)故障無法解決時(shí)也可以臨時(shí)關(guān)掉SPSS系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)操作模式，從而恢復(fù)岸橋起升機(jī)構(gòu)和小車的運(yùn)行速度。

4.2 輪廓自學(xué)習(xí)

當(dāng)SPSS剛啟動(dòng)時(shí)，需進(jìn)行輪廓自學(xué)習(xí)，即起升至指定高度以上，一般為上停止下方5 m，同時(shí)小車從停車位處以50%速度往海側(cè)移動(dòng)，移動(dòng)過程中SPSS系統(tǒng)利用激光掃描數(shù)據(jù)檢測船海側(cè)邊緣對應(yīng)的小車位置，同時(shí)與小車實(shí)時(shí)位置對比，當(dāng)小車位置大于船海側(cè)邊緣時(shí)即認(rèn)為已完成自學(xué)習(xí)，同時(shí)告知PLC可以開始自動(dòng)化作業(yè)；當(dāng)未完成輪廓自學(xué)習(xí)前，若起升高度低于設(shè)定高度，SPSS則會(huì)對小車和起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行限速確保安全。

4.3 換貝作業(yè)

當(dāng)大車移動(dòng)時(shí)，SPSS系統(tǒng)判斷實(shí)時(shí)大車方向移動(dòng)距離是否超過6 m(標(biāo)準(zhǔn)40 ft集裝箱長度)，若小于6 m則認(rèn)為是從大貝切換至小貝作業(yè)，此時(shí)無需重新自學(xué)習(xí)；若超過6 m，系統(tǒng)則判定進(jìn)行了換貝位作業(yè)，會(huì)清空所有的障礙物輪廓信息，待大車停止再次作業(yè)時(shí)，需重新啟用自動(dòng)掃描進(jìn)行輪廓自學(xué)習(xí)。

4.4 小車方向防撞保護(hù)

在小車前進(jìn)方向上，如果空吊具底部(吊具開鎖)或者集裝箱底部(吊具閉鎖)的位置低于障礙物時(shí)，SPSS會(huì)計(jì)算小車坐標(biāo)系上的障礙物和吊具之間的距離，并將速度限制值發(fā)送給PLC，由PLC實(shí)時(shí)調(diào)整小車運(yùn)行的最大速度，實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行防撞保護(hù)。

4.5 起升方向軟著陸

吊具下降過程中，SPSS系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)檢測吊具下方障礙物，并計(jì)算吊具距離障礙物的距離，向電控系統(tǒng)發(fā)送起升限速速度和減速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)軟著箱功能。

當(dāng)小車向前運(yùn)動(dòng)且起升機(jī)構(gòu)向下同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，SPSS會(huì)計(jì)算起升機(jī)構(gòu)與障礙物的距離及吊具底部或集裝箱底部與障礙物之間的垂直距離，實(shí)現(xiàn)在水平和垂直方向結(jié)合的防碰撞。

4.6 相鄰貝位防撞保護(hù)

系統(tǒng)對小車和起升機(jī)構(gòu)的限速保護(hù)考慮了相鄰貝障礙物，安裝在小車平臺(tái)最前端的3D激光器沿大車方向?qū)崟r(shí)掃描，小車運(yùn)行時(shí)獲得三維輪廓。根據(jù)3D掃描的障礙物輪廓信息及當(dāng)前大車位置、吊具尺寸，識(shí)別作業(yè)范圍內(nèi)需防撞保護(hù)的障礙物。在相鄰貝位集裝箱錯(cuò)位的情況下，小車前后移動(dòng)，若高于吊具的障礙物被檢測到，SPSS會(huì)計(jì)算障礙物與吊具之間的水平距離，將小車限速和減速信號(hào)發(fā)給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相鄰貝位的防撞保護(hù)(見圖6)。

圖6 相鄰貝位防撞

5 結(jié)語

該船形輪廓掃描系統(tǒng)已應(yīng)用于多個(gè)自動(dòng)化碼頭中，可有效提高自動(dòng)化作業(yè)率。對于雙小車結(jié)構(gòu)岸橋，目前僅船上對箱作業(yè)最后一階段需手工進(jìn)行開閉鎖操作，其他階段皆是自動(dòng)化運(yùn)行，相比傳統(tǒng)作業(yè)模式可減少司機(jī)操作時(shí)間，有效降低司機(jī)誤操作或工作疲勞導(dǎo)致的碰撞事故。隨著技術(shù)升級(jí)換代，有望實(shí)現(xiàn)對船側(cè)全自動(dòng)化作業(yè)。