曹 民， 朱愛璽， 黃秀松， 張志勇

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院， 上海 200093;2.上港集團 a. 工程建設指揮部； b. 上海海勃物流軟件有限公司， 上海 200080)

集裝箱堆場輪胎吊是一種應用于集裝箱堆場、依賴輪胎移動的門式起重設備，相比依賴軌道移動的軌道吊具有投資成本低、機動性好和標準化程度高等優(yōu)點，但也存在作業(yè)效率低、勞動強度大、安全隱患多和自動化實現(xiàn)難度大等缺點。目前輪胎吊自動化作業(yè)系統(tǒng)仍處于研發(fā)測試(或試運行)階段，尚未見到成功推廣的案例。據(jù)相關資料分析，現(xiàn)有的輪胎吊自動化作業(yè)系統(tǒng)方案大多采用激光掃描測距儀、絕對值編碼器和高清數(shù)字攝像機等1種或多種傳感器測量技術，普遍存在定位精度差、自動化程度低、場地適應性差、安全可靠性低、投資及維護成本高和作業(yè)效率提升不明顯等缺陷，因此總體實用性不強,難以推廣應用。[1-4]

為克服在試輪胎吊自動化作業(yè)系統(tǒng)存在的上述問題，提出一種集裝箱堆場輪胎吊自動化作業(yè)系統(tǒng)，根據(jù)激光測距傳感器、絕對值編碼器、高清數(shù)字攝像機和動態(tài)傾角傳感器的測量信息及碼頭運營管理系統(tǒng)的調度指令，通過懸停著落階段遠程+現(xiàn)場自動控制確認方式，進行吊具位置及速度、吊架扭轉及伸縮、旋鎖開閉等運動控制，自動完成空載(或載箱)吊具的門字運行、側傾修正、扭轉對位、懸停糾偏和抓箱放箱等作業(yè)。[5-6]

1 系統(tǒng)設計

1.1 作業(yè)系統(tǒng)的機械結構

作業(yè)系統(tǒng)的機械結構(見圖1)主要包括輪胎吊(1)、小車(2)、吊具(3)、腿柱(4)、集裝箱(5)、卡車(6)、絕對值編碼器(7)、激光測距傳感器(8)、高清數(shù)字攝像機(9)、動態(tài)傾角傳感器(10)、急停按鈕(11)和自動控制確認按鈕(12)等組件。堆場集裝箱按序縱向堆積在輪胎吊下方;卡車通道位于輪胎吊下方一側;小車在橫梁軌道上水平運行;小車上的起升機構通過吊索牽引吊具升降運行;吊具包括吊架扭轉伸縮機構和旋鎖開閉機構等組件;用來測量小車水平方向位置及吊具垂向位置的絕對值編碼器分別安裝在小車運行和起升機構的傳動軸上;用來測量吊具兩側下方堆場高度的4臺激光測距傳感器對稱安裝在小車4角(推薦前/后傳感器安裝間距W1=2Wc+2Wi，Wc為集裝箱寬度，Wi為集裝箱堆放間隙；推薦左/右傳感器安裝間距L1盡量大，但應小于20英尺短箱的長度；推薦起點/終點階段懸空低位時空載吊具/吊箱至目標堆位的懸空高度Hg=Hc，Hc為集裝箱高度);用來采集吊具兩側及下方堆場、集卡車道視覺圖像的3臺高清數(shù)字攝像機對稱安裝在小車前/后部(推薦前/后攝像機安裝間距Wh=Wc+Wi)和車道側腿柱的下部內側(推薦攝像機安裝高度為集卡貨臺平均離地高度);用來測量輪胎吊前后/左右雙向水平傾角的動態(tài)傾角傳感器安裝在小車上;急停按鈕和自動控制確認按鈕分別安裝在車道側腿柱的下部外側。

1.2 作業(yè)系統(tǒng)的電氣結構

作業(yè)系統(tǒng)的電氣結構(見圖2)主要包括位于中控室的碼頭運營管理系統(tǒng)(TOS)、遠程監(jiān)控計算機(RMC)及位于輪胎吊的絕對值編碼器(AVE)、激光測距傳感器(LDS)、動態(tài)傾角傳感器(DTS)、高清數(shù)字攝像機(HDC)、可編程自動化控制器(PAC)或工控機(IPC)、運行狀態(tài)監(jiān)測(RSM)、操作手柄開關(OHS)、急停按鈕(ESB)、自動控制確認按鈕(ACB)、可編程控制器(PLC)或運動控制器(SMC)、電機驅動器(MPD)、大車行走機構(GTM)、小車運行機構(TTM)、吊具起升機構(SLM)、旋鎖開閉機構(SLSM)和吊架扭轉伸縮機構(HTTM)等組件。該系統(tǒng)的工作原理為：2臺AVE分別測量小車水平方向的絕對位置和吊具垂向的絕對位置，4臺LDS分別測量吊具兩側下方的堆場高度，1臺DTS測量輪胎吊前后/左右方向的水平傾角，2臺HDC分別采集吊具兩側及下方堆場的視覺圖像，ESB和ACB分別接收集卡司機的急停和確認信號；PAC或IPC通過通信端口分別接收AVE,LDS,DTS和HDC發(fā)送的數(shù)據(jù)流，并通過數(shù)字I/O口分別接收ESB和ACB的電平信號及通過無線局域網(wǎng)(WLAN)接收RMC的遠程操控指令和來自于TOS的箱位調度指令，同時將作業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控信息反饋給RMC和TOS；PAC或IPC按照手動/自動運動控制算法，通過通信端口將控制指令發(fā)送給PLC或SMC；PLC或SMC將控制指令通過MPD分別驅動GTM,TTM,SLM,SLSM和HTTM運行，同時接收輪胎吊RSM及OHS等輸入信號，并發(fā)送運行狀態(tài)指示等輸出信號。

1.3 作業(yè)系統(tǒng)的控制流程

作業(yè)系統(tǒng)的控制流程(見圖3)主要包括系統(tǒng)啟動、參數(shù)設置、手動運行和自動運行等4部分。運行模式主要分手動和自動2種，且具有模式互補功能。開機時默認自動運行模式，若切換至手動運行模式，系統(tǒng)將暫停自動運行后續(xù)步驟;再次切換回自動運行模式并解除暫停，系統(tǒng)將恢復自動運行后續(xù)步驟。

1) 系統(tǒng)啟動：控件初始化/使能/禁用，讀入系統(tǒng)參數(shù)退出設置，系統(tǒng)故障診斷(若有系統(tǒng)故障，則退出系統(tǒng),提示及記錄故障)，連續(xù)讀取AVE位置xa和ya,LDS測距yl,DTS傾角θz和θx,HDC視覺,RMC指令及PLC反饋等端口通信數(shù)據(jù)。

2) 參數(shù)設置：恢復用戶/出廠設置,修改/保存用戶設置，應用并退出參數(shù)設置。

3) 手動運行：實現(xiàn)小車運行速度、吊具升降速度、吊架扭轉/伸縮和旋鎖開閉等控制功能。小車運行速度控制還包括防打保齡功能(撞箱預警時小車減速直至停止運行);吊具升降速度控制還包括松繩停降功能(下降至觸底松繩時吊具停止下降);旋鎖開閉控制還包括緊繩禁開鎖功能(緊繩狀態(tài)時旋鎖禁止開鎖)。

4) 自動運行：作業(yè)指令未更新或有錯誤時等待作業(yè)指令，否則順序執(zhí)行準備階段(包括上升至門頂、平移至門頂起點)、起點階段(包括下降至懸空低位、提示自動控制確認、下降至觸底松繩、閉鎖抓箱及上升至門頂)、過渡階段(包括平移至門頂終點)和終點階段(包括下降至懸空低位、提示自動控制確認、下降至觸底松繩、開鎖放箱及上升至門頂)等作業(yè)步驟，在此期間可隨時執(zhí)行急停并退出自動運行、中止自動運行、跳過當前轉至下一步驟、暫停后續(xù)步驟和切換至手動模式并暫停后續(xù)步驟等操作；當|LDS定位-HDC定位|≥誤差門限ξ時，暫停后續(xù)步驟、故障提示及記錄；在吊具懸停著落階段，處于車道排位時須遠程與集卡司機同時保持確認狀態(tài)方可繼續(xù)自動運行，處于其他排位時僅需保持遠程確認狀態(tài)即可繼續(xù)自動運行。對小車運動方向側兩路LDS對位算法、懸空低位吊箱上緣距門頂高度算法等關鍵流程作以下具體說明。

1) 當|Xo-xa|≤Wc/2+2Wi且|Xo-xa|≥Wc/2時，若yl0-yl1≥Hc/2且yl0-yl2≥Hc/2，則

(1)

2) 當|Xo-xa|≤Wc/2+2Wi且|Xo-xa|

(2)

3) 當xa∈[Xo-Wc/2+Wi,Xo+Wc/2-Wi]時，對yl進行濾波，則

1.4 作業(yè)系統(tǒng)的軟件架構

作業(yè)系統(tǒng)軟件基于LabVIEW及其運動、視覺、實時等工具包開發(fā)，能實現(xiàn)手動/自動模式運行、遠程桌面監(jiān)控及虛擬仿真演示(基于前次作業(yè)更新的堆場輪廓信息，可在自動或手動運行模式下對當前的作業(yè)指令進行作業(yè)流程預演)等程序功能。主程序面板(見圖4)主要由二維圖片控件(包括作業(yè)場景動畫演示)、視覺影像控件(包括作業(yè)場景攝像監(jiān)視)、字符串顯示控件(包括箱位調度指令、被吊箱型指令和吊具工作狀態(tài))、數(shù)值顯示控件(包括吊具當前位置、吊具當前速度和大車當前傾角)、選項卡控件(包括自動運行模式、手動運行模式)、布爾顯示控件(包括故障報警、指令已完成、急停外部按鈕和自動控制確認外部按鈕)及布爾輸入控件(包括設置、仿真、啟動、急停和退出)等區(qū)位組成;參數(shù)設置子程序面板(見圖5)主要由布爾輸入控件(包括保存用戶設置、恢復用戶設置、恢復出廠設置和應用退出)及選項卡控件(包括動畫演示參數(shù)、大車結構參數(shù)、小車結構參數(shù)、吊具結構參數(shù)、集裝箱結構參數(shù)、堆場結構參數(shù)、編碼器配置參數(shù)、激光器配置參數(shù)、傾角計配置參數(shù)、攝像頭配置參數(shù)、運動控制參數(shù)和控制器配置參數(shù))等區(qū)位組成。主程序框圖(見圖6)主要包括參數(shù)初始化、通信端口配置、退出設置讀取、界面事件處理、自動模式順序控制、外部開關動作響應、視覺影像獲取及處理等程序結構；子程序框圖主要包括參數(shù)設置、作業(yè)場景動畫演示、堆場輪廓初始化數(shù)組、箱位排號X軸坐標、箱位排號相對Y軸零位激光測距、X軸運動方向側相對Y軸零位激光測距及各類傳感器/編碼器端口通信等程序模塊。

2 仿真測試

為便于在實驗室進行模擬仿真測試，研制按比例縮小的仿真測試臺架(見圖7)，精準模擬大車行走(待裝)、小車運行、吊具升降、吊架扭轉、旋鎖開閉、操作手柄及旋鈕開關、常用集裝箱、集卡和堆場等基本功能。臺架基本參數(shù)為：起升質量5 kg；跨距1 200 mm；起升高度782 mm；升降速度40 mm/s；小車速度40 mm/s；吊具轉角±45°；大車行走到位、自動運行模式下的仿真測試結果符合設計要求(抓/放箱偏差≤5 mm且成功率≥95%)。該測試臺架基于LabVIEW編程軟件、EtherNet/IP四軸運動控制器、智能一體式步進電機、RS485多圈絕對值編碼器、RS485激光測距傳感器、RS485動態(tài)傾角傳感器、USB微型夜視補光攝像頭和觸控式平板電腦等軟硬件開發(fā)，具有結構精細、功能強大、操作簡便和性能穩(wěn)定等特點，可廣泛應用于模擬仿真測試、控制算法開發(fā)、駕駛操作培訓和航運科普演示等領域中。

3 現(xiàn)場測試

該作業(yè)系統(tǒng)已在碼頭堆場的RC40/46輪胎吊(起升質量40 t，跨距23.47 m，起升高度15.24 m，小車速度70 m/min，滿/空載起升速度20/45 m/min，滿/空載大車速度25/120 m/min，吊具回轉角度±5°)上實現(xiàn)安裝調試和現(xiàn)場測試(見圖8)，參照相關技術標準及作業(yè)規(guī)范得到的現(xiàn)場測試結果表明：在大車行走到位、自動運行模式條件下，小車抓箱偏差≤50 mm且成功率≥95%，符合設計要求；而小車放箱偏差>20 mm且成功率<95%，不符合設計要求。究其原因,主要與所選單點激光測距傳感器的響應時間、高清數(shù)字攝像機的分辨率、原配可編程控制器的通信速率、吊具未等停搖就著箱、小車定長運動控制策略及小車固有定位精度等有關[7-8]，有待進一步優(yōu)化作業(yè)系統(tǒng)軟硬件的選型和設計。

4 結束語

本文針對在試集裝箱堆場輪胎吊自動化作業(yè)系統(tǒng)存在的諸多問題，提出根據(jù)激光測距傳感器、絕對值編碼器、高清數(shù)字攝像機及動態(tài)傾角傳感器的測量信息和碼頭運營管理系統(tǒng)的調度指令，通過懸停著落階段遠程+現(xiàn)場自動控制確認方式，自動完成空載(或載箱)吊具的門字運行、側傾修正、扭轉對位、懸停糾偏和抓箱放箱等作業(yè)的系統(tǒng)設計方案，給出完整、具體的設計試制過程，研制結構精細的仿真測試臺架。通過仿真測試、現(xiàn)場測試和效果分析，初步驗證了設計方案的可行性、有效性(大車行走到位、自動運行模式條件下的現(xiàn)場測試表明小車抓箱偏差及成功率符合設計要求)和局限性(小車放箱

偏差及成功率不符合設計要求)，為后續(xù)研制任務指明了改進方向(改善小車放箱偏差及成功率，以符合設計要求)。此外，后續(xù)還需在現(xiàn)有仿真測試臺架基礎上增加大車行走及基于地基增強的衛(wèi)星+慣性組合導航定位等功能，以便精細仿真大車運動控制策略，提升現(xiàn)場大車行走到位的精度。

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