唐立輝+王偉+朱林+張常江

自動(dòng)化集裝箱碼頭有別于傳統(tǒng)集裝箱碼頭的主要特征之一是碼頭岸邊與堆場(chǎng)間水平運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。目前，國(guó)外已建成的自動(dòng)化集裝箱碼頭主要采用自動(dòng)引導(dǎo)車（automated guided vehicle，AGV）作為水平運(yùn)輸設(shè)備（見圖1）。AGV車隊(duì)規(guī)模龐大，且與岸邊及自動(dòng)化堆場(chǎng)系統(tǒng)交互頻繁；因此，要求AGV具有智能化的避碰保護(hù)功能。為保障AGV車隊(duì)正常作業(yè)，避免碰撞，應(yīng)用設(shè)備控制系統(tǒng)（equipment control system， ECS）交通控制邏輯算法、單機(jī)自動(dòng)化層面的激光防撞系統(tǒng)以及底層機(jī)械電氣保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)AGV多系統(tǒng)融合與多層級(jí)避碰，確保AGV安全、高效運(yùn)行。

1 ECS層面避碰設(shè)計(jì)

作為自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸設(shè)備的核心控制系統(tǒng)，ECS的主要功能是接收碼頭操作系統(tǒng)的指令，自動(dòng)規(guī)劃AGV最優(yōu)行駛路徑，控制AGV執(zhí)行裝卸船及轉(zhuǎn)場(chǎng)任務(wù)。通過(guò)ECS的交通控制邏輯算法模塊實(shí)現(xiàn)AGV的路徑規(guī)劃及避碰，是AGV避碰保護(hù)策略最重要也是最根本的一環(huán)。ECS交通控制邏輯算法根據(jù)AGV的當(dāng)前位置和目標(biāo)位置以及作業(yè)車隊(duì)內(nèi)其他AGV的任務(wù)及位置情況，自動(dòng)生成避開其他AGV的到達(dá)目標(biāo)位置的最優(yōu)路徑；同時(shí)，在AGV運(yùn)行前，系統(tǒng)自動(dòng)生成到達(dá)目標(biāo)位置的預(yù)申領(lǐng)路徑，并根據(jù)AGV的速度、運(yùn)行指令方式等生成鎖閉區(qū)伴隨AGV運(yùn)行，確保AGV運(yùn)行過(guò)程中的鎖閉區(qū)不被其他AGV侵占，從而從系統(tǒng)層面防止AGV在運(yùn)行過(guò)程中與其他AGV相撞。在一些特殊情況下，例如，當(dāng)AGV發(fā)生故障，導(dǎo)致其在ECS內(nèi)離線而無(wú)法確定當(dāng)前車輛位置時(shí)，ECS通過(guò)暫停整個(gè)車隊(duì)或自動(dòng)在故障AGV周圍生成禁行區(qū)來(lái)確保車輛安全。對(duì)于非作業(yè)AGV，只要該AGV已經(jīng)加入車隊(duì)，ECS就會(huì)在其周圍自動(dòng)生成鎖閉區(qū)。該鎖閉區(qū)的范圍比AGV本身的輪廓略大，相當(dāng)于給AGV施加了“金鐘罩”。

此外，ECS可以根據(jù)生產(chǎn)及維修情況，臨時(shí)為AGV運(yùn)行場(chǎng)地劃定禁行區(qū)，使其他車輛在遠(yuǎn)程自動(dòng)控制模式下無(wú)法進(jìn)入禁行區(qū)，從而避免禁行區(qū)外的AGV與禁行區(qū)內(nèi)的AGV或人員相撞。ECS通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)AGV車隊(duì)下發(fā)指令。在無(wú)線通信系統(tǒng)出現(xiàn)異常的情況下，ECS可以控制整個(gè)車隊(duì)暫停。

2 單機(jī)自動(dòng)化層面避碰設(shè)計(jì)

單機(jī)自動(dòng)化導(dǎo)航控制系統(tǒng)是AGV系統(tǒng)中最重要的部分，AGV的定位及自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)行均通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。單機(jī)自動(dòng)化層面的避碰策略分為AGV導(dǎo)航控制保護(hù)策略和激光防撞系統(tǒng)保護(hù)策略。從原理上來(lái)講，該層面的避碰策略也屬于系統(tǒng)層面的保護(hù)策略。

單機(jī)自動(dòng)化導(dǎo)航控制系統(tǒng)是AGV自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)導(dǎo)航控制算法及AGV運(yùn)行場(chǎng)地的磁釘布置情況，若連續(xù)n個(gè)磁釘未被AGV導(dǎo)航定位天線探測(cè)到，則觸發(fā)AGV減速；若連續(xù)n+1個(gè)磁釘未被AGV導(dǎo)航定位天線探測(cè)到，則觸發(fā)AGV緊急停車?？梢?，在導(dǎo)航定位天線或磁釘出現(xiàn)問(wèn)題的情況下，單機(jī)自動(dòng)化導(dǎo)航控制系統(tǒng)可以控制AGV不偏離預(yù)定軌跡，從而避免AGV相撞。在導(dǎo)航定位天線和磁釘都正常的情況下：若AGV在直行或轉(zhuǎn)彎時(shí)的行駛路徑偏差超過(guò)容許范圍，則觸發(fā)AGV減速；若AGV在沒有及時(shí)糾偏且路徑偏差超限的情況下行駛超過(guò)系統(tǒng)程序設(shè)定的容許距離，則觸發(fā)AGV緊急停車。當(dāng)導(dǎo)航定位天線、慣性測(cè)量單元傳感器等導(dǎo)航系統(tǒng)部件與導(dǎo)航控制器的通信中斷或出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)程序通過(guò)觸發(fā)緊急停車保護(hù)的方式避免AGV失去控制。

AGV前后均裝有采用激光探測(cè)和測(cè)量技術(shù)的激光防撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)集激光測(cè)距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、慣性測(cè)量單元和差分定位技術(shù)于一體，其基本原理是：傳感器發(fā)射的激光束經(jīng)空氣傳播到物體表面，并經(jīng)物體表面反射；反射能量被傳感器接收并記錄為電信號(hào)；精確記錄傳感器發(fā)射激光束的時(shí)間和接收時(shí)間，并據(jù)此計(jì)算傳感器至物體表面的距離。傳感器至物體表面的距離

r=ct/2

式中：c為光速；t為傳感器發(fā)射激光束的時(shí)間與接收時(shí)間的差。

激光防撞系統(tǒng)可根據(jù)AGV的行駛路徑，通過(guò)程序編寫或調(diào)試工具設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)區(qū)域。當(dāng)有物體進(jìn)入保護(hù)區(qū)域時(shí)，激光測(cè)距單元可以計(jì)算出障礙物至傳感器的距離，進(jìn)而觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)出減速、自由停車、緊急停車等避碰指令。根據(jù)AGV的運(yùn)行路徑及交互工況，設(shè)計(jì)有直行保護(hù)、斜行保護(hù)、轉(zhuǎn)彎保護(hù)、支架保護(hù)等4種避碰保護(hù)方案。

3 機(jī)械電氣層面避碰設(shè)計(jì)

機(jī)械電氣層面避碰保護(hù)措施是AGV安全保護(hù)設(shè)計(jì)的最后一環(huán)。當(dāng)系統(tǒng)層面的保護(hù)措施失效時(shí)，機(jī)械電氣層面的避碰設(shè)計(jì)能夠避免AGV相撞或?qū)⑴鲎苍斐傻膿p害降到最小。機(jī)械電氣層面避碰系統(tǒng)由保險(xiǎn)杠、防爆胎支撐、頂升平臺(tái)超聲波傳感器及本地模式下的激光保護(hù)區(qū)等組成。

AGV的車頭和車尾均裝有保險(xiǎn)杠。若AGV失控與障礙物發(fā)生碰撞，則觸發(fā)限位，通過(guò)帶彈簧的伸縮機(jī)構(gòu)促使AGV緊停，從而減輕設(shè)備受損程度。

頂升平臺(tái)上安裝的超聲波傳感器能夠在頂升平臺(tái)頂升到位后的行進(jìn)過(guò)程中檢測(cè)支架上是否有集裝箱，從而避免因系統(tǒng)提供的支架帶箱信息錯(cuò)誤而導(dǎo)致AGV上的集裝箱與支架上的集裝箱碰撞。

當(dāng)AGV在本地操作模式下運(yùn)行時(shí)，電控系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用激光防撞器，在車頭和車尾形成一定范圍的安全保護(hù)區(qū)。當(dāng)AGV與其前方的障礙物距離小于設(shè)定距離時(shí)，AGV無(wú)法前進(jìn)或觸發(fā)緊停，從而避免AGV在人工遙控操作的情況下與其行進(jìn)方向的障礙物相撞。

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)通過(guò)集成ECS交通控制邏輯算法、單機(jī)自動(dòng)化導(dǎo)航控制系統(tǒng)、機(jī)械電氣避碰系統(tǒng)等三級(jí)安全保護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)AGV從單機(jī)至系統(tǒng)層面的避碰安全防護(hù)，確保AGV安全、高效作業(yè)。endprint