輸油臂智能化自動對接系統(tǒng)方案研究

王紅賓，楊獻鵬，韓鋒，張素杰，范華勇

（1.青島港國際股份有限公司，山東 青島 266500；2.青島實華原油碼頭有限公司，山東 青島 266400；3.山東青東管道有限公司，山東 東營 257345）

1 項目背景

輸油臂作為港口裝卸石油及其他流體的主要設(shè)備，處于整個流體裝卸領(lǐng)域的核心地位。目前，其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計較為完善，但還沿用傳統(tǒng)手動對接的操作模式。輸油臂作業(yè)環(huán)境為復(fù)雜的戶外條件，因存在天氣、光線、船舶種類以及船舶靠岸時姿態(tài)不穩(wěn)定等諸多不確定因素，尤其在目標管口識別與精準定位方面給輸油臂對接過程自動化帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

同時，隨著生產(chǎn)需求劇增，用工成本增加以及智慧港口建設(shè)的需要，傳統(tǒng)輸油臂的操作模式，不僅工作效率低，耗費時間長，而且操作人員在作業(yè)過程中由于復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境存在非常大的安全隱患，所以低效率的傳統(tǒng)作業(yè)方式亟需一條變革之路，因此研發(fā)一套能夠高效完成輸油臂對接的系統(tǒng)具有重要的意義。

2 項目總體架構(gòu)

本次輸油臂智能化自動對接系統(tǒng)的核心技術(shù)擬采用人工智能、工業(yè)視覺測量、運動規(guī)劃控制和雷達掃描感應(yīng)避障，工業(yè)視覺測量和雷達避障在制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、醫(yī)療保健、國防等各領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，其可靠性和穩(wěn)定性已被驗證。系統(tǒng)設(shè)計的基本工作原理是通過大靶面工業(yè)相機攝取前端物體的圖像信號傳送給智能邊緣計算主機進行圖像處理，圖像處理系統(tǒng)對圖像信號進行運算，建立碼頭、輸油臂和船舶輸油口的三維空間關(guān)系，實時計算出輸油臂的空間定位和輸油臂法蘭與船方法蘭的對準數(shù)據(jù)，并將運算數(shù)據(jù)推送到主控調(diào)度運算服務(wù)器，主控調(diào)度運算服務(wù)器根據(jù)輸油臂的空間定位和對接數(shù)據(jù)規(guī)劃輸油臂的運動軌跡，驅(qū)動輸油臂進行自動對接。雷達高頻率掃描捕捉物體提供可靠避障數(shù)據(jù)與工業(yè)視覺測量算法相互校驗，避免了因外在環(huán)境原因?qū)е聢D像異常引發(fā)計算失誤。同時，碼頭安裝2 套視覺測距工業(yè)相機，通過深度學習算法和測距視覺算法實時計算船舶的橫向位移，為輸油臂的自動對接提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 研究方案

3.1 輸油臂工作原理

輸油臂系統(tǒng)由輸油臂本體、電氣控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)三部分組成。本體主要由底座、立柱、內(nèi)臂、外臂、工藝管線、繩輪系統(tǒng)、驅(qū)動液壓缸、三維接頭等部分組成，結(jié)構(gòu)圖見圖1。作業(yè)時，碼頭操作人員首先進行設(shè)備安全檢查，然后接通設(shè)備電控系統(tǒng)，通過遙控器啟動液壓油泵，通過控制液壓系統(tǒng)各部位電磁閥的開關(guān)，操控輸油臂進行內(nèi)外臂伸縮、俯仰、轉(zhuǎn)向等動作。輸油臂前端到達船方法蘭接口后，操作人員控制外臂前端的卡爪（快速連接器）與船方法蘭完成對接，即可實現(xiàn)船、岸之間的油品輸送。[1]

圖1 輸油臂結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件部分

輸油臂智能化自動對接系統(tǒng)主要由電控驅(qū)動部分、衛(wèi)星定位部分、視覺定位部分、安全管控部分、路徑規(guī)劃部分和視覺對準部分等組成。衛(wèi)星定位部分主要實時計算輸油臂快速連接器的空間定位；視覺定位部分主要計算船舶輸油口的空間定位；安全管控部分采用毫米波雷達，安裝在輸油臂前端的支架上，能夠準確地探測周圍物體的距離信息，探測誤差最高可達毫米級，可以實現(xiàn)機械臂行動時有效避免碰撞到周圍物體，提高系統(tǒng)整體安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

電控驅(qū)動部分：采用CAN 協(xié)議進行傳輸，模塊化繼電器控制電磁閥，抗干擾能力強，穩(wěn)定性高。

衛(wèi)星定位部分：采用測繪行業(yè)的實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)RTK 方式進行精準定位[2]。經(jīng)測試驗證空間定位誤差可達1cm。RTK 系統(tǒng)由基準站子系統(tǒng)、管理控制中心子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、用戶數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)、用戶應(yīng)用子系統(tǒng)組成。

視覺定位部分：成熟應(yīng)用于船舶運動的立體視覺算法，精準計算船舶輸油口的空間坐標。

數(shù)據(jù)采集部分：采用嵌入式系統(tǒng)，霍爾角度傳感器，穩(wěn)定可靠全天候運行。

安全管控部分：采用毫米波雷達防碰、機械限位傳感器，保障設(shè)備安全。

路徑規(guī)劃部分：建立統(tǒng)一直角坐標系，規(guī)劃路徑軌跡，驅(qū)動輸油臂運動。

視覺對準部分：通過視覺定位，計算輸油臂快速連接器和輸油口對準數(shù)據(jù)。

3.3 機器視覺部分

為了確定圖像中的像素點與現(xiàn)實三維空間位置之間的對應(yīng)關(guān)系，需要建立相機成像的幾何模型，這個過程被稱為相機標定。相機標定包括相機內(nèi)參標定和相機外參標定。內(nèi)參主要用來表示像素坐標系與相機坐標系之間的關(guān)系，外參主要用來表示相機坐標系與世界坐標系之間的關(guān)系。利用相機內(nèi)外參完成目標物成像坐標系到世界坐標系的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)對目標物體三維空間的定位，即通過相機采集客觀世界中物體的圖像，通過獲取物體在圖像中的位置信息，進行坐標變換，可獲得目標物體在客觀世界中的位置坐標。

3.4 自動對接部分

3.4.1 運動建模

輸油臂可以抽象為一系列關(guān)節(jié)和連桿的順序組合，關(guān)節(jié)處產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或滑動使得輸油臂末端到達指定位置，對輸油臂進行運動學建模就是描述輸油臂各個連桿之間的相對位置和方向關(guān)系。在輸油臂每個連桿上建立一個坐標系，通過確定每一關(guān)節(jié)與下一關(guān)節(jié)之間的所有齊次坐標變換，求得輸油臂末端與底座的姿態(tài)關(guān)系即可以實現(xiàn)對輸油臂的控制。在本系統(tǒng)中，在已知目標位置的情況下，控制輸油臂到達指定位置，需要根據(jù)位置信息求解全部關(guān)節(jié)變量的值，即求解其逆運動學方程。

3.4.2 自動對接流程

第一步：部署視覺伺服的輸油臂智能化自動對接系統(tǒng)，系統(tǒng)由智能運算主機、電控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、衛(wèi)星差分定位模塊、立體視覺定位模塊及雷達防碰模塊等組成；第二步：在碼頭處安裝立體視覺定位相機，通過深度學習算法和立體視覺算法，即時測量當前船舶輸油口的空間坐標；第三步：通過輸油臂的主軸增加的角度傳感器，即時采集輸油臂各軸臂的精準姿態(tài)和位置；通過在輸油臂液壓總站的電磁閥控制系統(tǒng)增加電控驅(qū)動電路，驅(qū)動輸油臂的外臂、內(nèi)臂、旋轉(zhuǎn)和接頭的進行移動；第四步：利用快速連接器上安裝的北斗GPS 模塊，通過差分定位技術(shù)精確測出快速連接器的空間坐標；第五步：建立空間直角坐標系，將輸油口的空間坐標系和輸油臂快速連接器的空間坐標系進行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，使得兩者在同一坐標系中；通過路徑規(guī)劃算法，輸油臂自動對接系統(tǒng)驅(qū)動輸油臂將快速連接器移動到距離船舶輸油口50cm 處；第六步：采集快速連接器上工業(yè)相機的空間坐標，通過視覺算法判斷是否與船方輸油口對準，并緩慢驅(qū)動輸油臂使得快速連接器與輸油口對準，對準后控制抓手抓緊船舶輸油口。

4 結(jié)語

綜上所述，目前的輸油臂智能化自動對接系統(tǒng)在使用時，首先，將處理所拍攝到的圖片，完成目標物的顏色識別和形狀識別并定位，得到標定點；其次，將識別目標物的位置信息發(fā)送給智能控制單元；最后，通過標定點的位置和目標點的位置坐標差進行處理，以實現(xiàn)輸油臂對接口移動到目標點并進行微調(diào)對準，使輸油臂完成自動對接。如遇大風大浪天氣，為保證輸油臂與船舶輸油口對接的準確性，保留原有的人工對接的方式[3]；輸油臂智能化自動對接系統(tǒng)的建設(shè)，改善了傳統(tǒng)人工對接方式，提高了輸油作業(yè)的工作效率，節(jié)省了操作人員的勞動力，進一步加強了輸油臂與船舶對接的穩(wěn)定性和精準性，為我國智慧港口的建設(shè)貢獻了技術(shù)力量和提供支持。

注釋：輸油臂上安裝設(shè)備均滿足安全防爆要求[4]。