基于人工智能技術(shù)的翻車機(jī)無人值守系統(tǒng)

盧炳濤，劉園，張燦新

（國家能源費(fèi)縣發(fā)電有限公司，山東 臨沂 273400）

1 前言

鐵路煤炭運(yùn)輸及翻車機(jī)卸車是很多火力發(fā)電廠采用的供煤方式。翻車作業(yè)的順利運(yùn)行在火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程中起著非常重要的作用。隨著近現(xiàn)代化視覺識(shí)別技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，翻車機(jī)無人值守系統(tǒng)應(yīng)用而生，目前，摘正復(fù)鉤依舊由傳統(tǒng)的人工進(jìn)行作業(yè)，存在巨大的安全隱患，傳統(tǒng)翻車機(jī)作業(yè)過程中人工摘復(fù)正鉤過程中伴隨著高危險(xiǎn)性、低效率性。而由此研發(fā)的基于人工智能技術(shù)的翻車機(jī)無人值守系統(tǒng)可以完美實(shí)現(xiàn)機(jī)器人代人作業(yè)，提高翻車機(jī)工作效率，避免人工在摘正復(fù)鉤過程中遇到的危險(xiǎn)，在人工摘鉤和復(fù)鉤過程中，因?yàn)榛疖囘\(yùn)行過程的不確定性，工作空間的狹小性和工人的不規(guī)范工作習(xí)慣可能會(huì)導(dǎo)致工人處于一定的危險(xiǎn)中。

而基于人工智能的翻車機(jī)無人值守系統(tǒng)可以自主完成摘鉤、正鉤和復(fù)鉤過程，完全替代了傳統(tǒng)的人工工作，提高了安全性，方便管理和操作，同時(shí)也推進(jìn)了電廠的智能化和現(xiàn)代化建設(shè)，提升了卸煤效率，保證了整個(gè)翻車機(jī)作業(yè)過程中的安全性和高效性。

2 摘鉤機(jī)器人

2.1 摘鉤機(jī)器人的基本組成

摘鉤機(jī)器人由小車底盤，機(jī)械臂、執(zhí)行器組成及控制系統(tǒng)組成。小車底盤由直流無刷電機(jī)、行星減速機(jī)、電磁制動(dòng)器組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制器、工控機(jī)組成。

2.2 摘鉤機(jī)器人的各部分組成及作用

如圖1 所示，摘鉤機(jī)器人的各部分工作流程。

圖1 摘鉤機(jī)器人工作流程

在火車車廂到達(dá)指定位置時(shí)，中控室發(fā)給在摘鉤待機(jī)位等待指令的摘鉤機(jī)器人摘鉤指令，首先，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)識(shí)別車廂型號(hào)及摘鉤手柄所在的位置，然后機(jī)器人向車廂連接處開始運(yùn)動(dòng)，待火車速度達(dá)到指定速度時(shí)摘鉤機(jī)器人機(jī)械臂開始下俯，通過上位機(jī)識(shí)別出的手柄位置及形狀確定摘鉤動(dòng)作，將此動(dòng)作指令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成摘鉤動(dòng)作，最后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)即由伺服驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)的機(jī)械臂完成摘鉤動(dòng)作。

摘鉤過程中，由兩臺(tái)攝像頭來分別識(shí)別車廂型號(hào)（C60 C70）和識(shí)別火車車廂下的風(fēng)管是否被摘開，如圖2 所示。

圖2 識(shí)別車廂型號(hào)和風(fēng)管狀態(tài)

在摘鉤過程中采用電磁制動(dòng)器，可以保證摘鉤機(jī)器人在火車發(fā)生急停時(shí)保證安全距離防止碰撞，采用伺服驅(qū)動(dòng)器可以保證機(jī)械臂動(dòng)作的準(zhǔn)確性和在停電時(shí)保持其姿勢，驅(qū)動(dòng)主體采用可靠性高無刷直流電動(dòng)機(jī)，通過一級(jí)減速達(dá)到大轉(zhuǎn)矩輸出的性能要求。

摘鉤作為翻車機(jī)無人值守系統(tǒng)的第一步，直接關(guān)乎整個(gè)翻車機(jī)無人值守的成功與否，摘鉤是全自動(dòng)作業(yè)中的重要一環(huán)，目前摘鉤機(jī)器人采用雷達(dá)掃描和視頻識(shí)別雙重保險(xiǎn)來識(shí)別車鉤位置和形狀用以確保車鉤手柄識(shí)別的準(zhǔn)確性。總體來說，摘鉤機(jī)器人摘鉤的成功與否直接關(guān)系后續(xù)流程的展開，所以摘鉤是全自動(dòng)作業(yè)時(shí)的首要任務(wù)。

摘鉤過程中，不同的車廂型號(hào)摘鉤動(dòng)作并不相同，摘鉤機(jī)器人很難精確定位提鉤手柄旋轉(zhuǎn)圓心，而是通過平行與列車軌道方向的運(yùn)動(dòng)和豎直運(yùn)動(dòng)的圓弧插補(bǔ)完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。對(duì)于需要提鉤的手柄，應(yīng)先旋轉(zhuǎn)直無卡阻狀態(tài)再上提，然后旋轉(zhuǎn)一定角度才能釋放上提動(dòng)作，以防手柄落下后無法旋轉(zhuǎn)。利用圖像識(shí)別技術(shù)，判定車鉤手柄是上提鉤式還是下提鉤式，調(diào)整機(jī)器人的下部機(jī)械臂和上部機(jī)械臂，完成摘鉤機(jī)器人的初始定位，定位完成后再進(jìn)行的全過程摘鉤動(dòng)作，直至完成摘鉤作業(yè)。

摘鉤機(jī)器人目前所遇到的技術(shù)難點(diǎn)為位置檢測技術(shù)和視頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)越發(fā)成熟了，但在實(shí)際摘鉤過程中依舊受到了較大的實(shí)際環(huán)境影響，如煤粉或水漬可能會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)波形出現(xiàn)斷點(diǎn)和波形不連貫，從而導(dǎo)致未能清楚的識(shí)別手柄位置，所以目前我們采用雙重保險(xiǎn)機(jī)制，以雷達(dá)掃描作為主要手段，視頻識(shí)別作為輔助來確保摘鉤的成功率。后續(xù)我們將繼續(xù)測試在不同環(huán)境下的摘鉤機(jī)器人工作狀態(tài)來確保摘鉤成功率。

2.3 摘鉤機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)

智能摘鉤機(jī)器人采用多軸機(jī)械臂的柔性設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是動(dòng)作靈活、精度高、運(yùn)行穩(wěn)定，摘鉤機(jī)器人的優(yōu)勢如下：（1）動(dòng)作穩(wěn)定、速度快，提高了生產(chǎn)效率。（2）精度高，外界干擾因素較小，保證每次摘鉤的質(zhì)量需求。（3）減少人工成本，摘鉤機(jī)器人使用壽命長，維護(hù)量小，成本降低更明顯。（4）取代人工在摘鉤高危、有害的環(huán)境中作業(yè)，解放工人，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 正鉤機(jī)器人

3.1 正鉤機(jī)器人的基本組成

正鉤機(jī)器人包含運(yùn)動(dòng)控制器、交換機(jī)、直流電源、配電斷路器接觸器、繼電器等。正鉤機(jī)器人采用伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，分別是小車伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)小車行走伺服電機(jī)，大臂伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)大臂俯仰伺服電機(jī)，推板伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)推板伸縮伺服電機(jī)，通過繼電器形成聯(lián)鎖信號(hào)交互，控制回路。

3.2 正鉤機(jī)器人工作原理

在正鉤過程中，由主控通過遠(yuǎn)程PLC 來確定是否給正鉤機(jī)器人下達(dá)正鉤指令，當(dāng)火車車廂到達(dá)指定翻車位置時(shí)，壓車梁下壓，同時(shí)主控向正鉤機(jī)器人下達(dá)正鉤指令，在正鉤入口和出口分別安裝雷達(dá)來控制正鉤機(jī)器人的小車達(dá)到指定位置，隨后機(jī)器人大臂上仰，推板推出，完成整個(gè)正鉤工作。如圖3 所示分別為正鉤出口和入口雷達(dá)畫面。

圖3 正鉤入口和正鉤出口雷達(dá)

在正鉤入口和出口分別安裝攝像頭和雷達(dá)，當(dāng)車廂進(jìn)入指定位置時(shí)通過視頻識(shí)別或雷達(dá)掃描確定車長，從而計(jì)算出車鉤的理論坐標(biāo)值，通過視頻監(jiān)控和雷達(dá)掃描波形來確定車鉤的位置從而使正鉤機(jī)器人完成正鉤作業(yè)，待翻車完成后，正鉤臂縮回，直線模組復(fù)位，此過程正鉤機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了與翻車機(jī)以及機(jī)器人控制系統(tǒng)安全聯(lián)動(dòng)。

正鉤作為翻車機(jī)無人值守系統(tǒng)中的重要一部分，其正鉤是否成功直接影響復(fù)鉤機(jī)器人的作業(yè)，當(dāng)正鉤失敗時(shí)，會(huì)導(dǎo)致車鉤與車鉤直接發(fā)生碰撞造成安全隱患，同時(shí)也會(huì)使復(fù)鉤機(jī)器人在復(fù)鉤作業(yè)時(shí)超出復(fù)鉤量程或未能正確識(shí)別手柄位置和形狀，從而導(dǎo)致復(fù)鉤的失敗，所以正鉤機(jī)器人是翻船機(jī)無人值守系統(tǒng)全自動(dòng)作業(yè)的重要一環(huán)。

4 復(fù)鉤機(jī)器人

4.1 復(fù)鉤機(jī)器人的基本組成

復(fù)鉤機(jī)器人由多軸機(jī)械臂、智能視覺識(shí)別系統(tǒng)、高精度雷達(dá)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)為主要組成部分，復(fù)鉤機(jī)器人電控柜內(nèi)均包含運(yùn)動(dòng)控制器、交換機(jī)、直流電源、配電斷路器接觸器、繼電器等。運(yùn)動(dòng)控制器由DC24V 供電。運(yùn)動(dòng)控制器集成伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)，與伺服驅(qū)動(dòng)器通過EtherCAT 高速通訊；與集控室主控電腦采用Ethernet高速通訊。交換機(jī)來保證復(fù)鉤機(jī)器人與主控直接的視頻交換以及數(shù)據(jù)交換，便于實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。而伺服系統(tǒng)具有精度高、反應(yīng)迅速等特點(diǎn)，可以更好地控制直線模組和機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。

4.2 復(fù)鉤機(jī)器人的工作原理

在車廂完成卸煤后，由重調(diào)機(jī)牽引車廂到達(dá)遷車臺(tái)，到達(dá)指定位置后，主控向復(fù)鉤機(jī)器人發(fā)出復(fù)鉤指令，復(fù)鉤的一號(hào)雷達(dá)檢測車廂手柄的水平部分，二號(hào)雷達(dá)檢測車廂手柄的豎直部分，通過雷達(dá)掃描確定手柄的位置及形狀，復(fù)鉤機(jī)器人完成復(fù)鉤動(dòng)作。如圖4 所示，復(fù)鉤一號(hào)雷達(dá)和復(fù)鉤二號(hào)雷達(dá)能否準(zhǔn)確識(shí)別手柄位置是復(fù)鉤能否成功的前提（圖4）。

圖4 復(fù)鉤1 2 號(hào)雷達(dá)

復(fù)鉤機(jī)器人的復(fù)鉤成功與否直接影響火車車廂在空車臺(tái)側(cè)是否可以掛鉤成功，若是復(fù)鉤失敗，便會(huì)造成火車車廂與車廂之間掛鉤失敗，會(huì)造成車鉤與車鉤之間的碰撞，此時(shí)，人工再去復(fù)鉤會(huì)有巨大的安全隱患，所以復(fù)鉤的成功與否直接影響整個(gè)翻車機(jī)無人值守系統(tǒng)的成敗，復(fù)鉤機(jī)器人的復(fù)鉤作業(yè)是全自動(dòng)生產(chǎn)的最后一環(huán)，也是至關(guān)重要的一環(huán)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分、軟件部分都是自主設(shè)計(jì)并搭建,充分考慮了系統(tǒng)的施工可行性。圖像識(shí)別過程中， 采用24 小時(shí)的小時(shí)露天采集的圖像為測試數(shù)據(jù)源，進(jìn)行圖像識(shí)別，針對(duì)不同時(shí)間，不同光線，不同天氣的下的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析處理，得到的手柄位置坐標(biāo)準(zhǔn)確率高達(dá)90%以上。上位機(jī)根據(jù)得到的位置坐標(biāo)分析計(jì)算摘正復(fù)鉤過程的運(yùn)行軌跡，將命令給出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行模擬摘鉤動(dòng)作，軌跡完成且正確率99%以上。在此過程中，正鉤成功率保持在97%以上，正鉤成功率保持在96%以上。

在整個(gè)基于人工智能的翻車機(jī)無人值守系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，摘鉤雷達(dá)和復(fù)鉤雷達(dá)易受外部環(huán)境干擾如煤粉、水漬等，從而會(huì)導(dǎo)致無法準(zhǔn)確識(shí)別車廂和手柄位置，進(jìn)而造成摘復(fù)鉤失敗，在實(shí)驗(yàn)的失敗結(jié)果中，85%以上均是由于雷達(dá)導(dǎo)致的作業(yè)失敗，后續(xù)會(huì)加強(qiáng)對(duì)在惡劣環(huán)境下的抗干擾能力。

總的來說，基于人工智能的翻車機(jī)無人值守系統(tǒng)依舊很好地完成了各項(xiàng)作業(yè)，極大地減少了人力資源，提高了安全系數(shù)，避免了因外部環(huán)境導(dǎo)致的職業(yè)病發(fā)生。在機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)研究、運(yùn)動(dòng)算法研究、智能圖像識(shí)別應(yīng)用研究方面走在了前列，為進(jìn)一步推進(jìn)無人化、自動(dòng)化邁出了堅(jiān)定的步伐。