時(shí)宏強(qiáng) 徐國(guó)新

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

堆場(chǎng)掃描系統(tǒng)是一種基于激光掃描測(cè)距原理的自動(dòng)化軌道式龍門起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱軌道吊)子系統(tǒng)，可有效實(shí)現(xiàn)箱位信息的精準(zhǔn)測(cè)量和校驗(yàn)，并在軌道吊作業(yè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)吊具及負(fù)載集裝箱與堆場(chǎng)碼放集裝箱的碰撞防護(hù)[1]。該系統(tǒng)還具備吊具及負(fù)載集裝箱與堆場(chǎng)堆碼集裝箱間的間隙檢測(cè)功能、集卡作業(yè)車道上雙20 ft集裝箱間的間隙檢測(cè)等功能，輔助提高著箱系統(tǒng)(FLS)抓放箱的安全性和精度，高級(jí)的堆場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)還可利用本系統(tǒng)的堆場(chǎng)掃描輪廓信息計(jì)算作業(yè)最優(yōu)路徑。通過(guò)該系統(tǒng)可以有效提高碼頭生產(chǎn)的作業(yè)效率、準(zhǔn)確率、安全性和可靠性，與其他系統(tǒng)合作可有效減少作業(yè)能耗，為碼頭贏得核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2 系統(tǒng)硬件配置及通訊簡(jiǎn)介

堆場(chǎng)掃描系統(tǒng)由2臺(tái)3D掃描儀、2組電源模塊、1個(gè)CAN-Bus轉(zhuǎn)Ethernet通訊模塊、2組光電轉(zhuǎn)模塊及其控制單元組成(見(jiàn)圖1)。2臺(tái)3D掃描儀和控制單元通過(guò)CAN-Bus轉(zhuǎn)Ethernet通訊模塊和光電轉(zhuǎn)模塊實(shí)現(xiàn)通訊，控制單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)系統(tǒng)的PLC實(shí)現(xiàn)通訊。系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用軟件收集3D掃描數(shù)據(jù)，完成各項(xiàng)計(jì)算，將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送到主系統(tǒng)PLC。

圖1 系統(tǒng)配置概況圖

本系統(tǒng)需要在起重機(jī)小車架下方配置2臺(tái)3D激光掃描儀，掃描儀鏡頭中心分別定位在小車中心點(diǎn)的前后運(yùn)行方向的1.5 m左右。安裝位置需要滿足在小車運(yùn)動(dòng)的全行程范圍內(nèi)以及3D激光掃描儀掃描的全行程范圍內(nèi)，激光的鏡頭不可被吊具、鋼絲繩或其他障礙物遮擋[2]。還要盡量避免3D掃描儀直接曝露在陽(yáng)光下，如果有陽(yáng)光直接照射的情況，則需要給3D掃描儀增加遮陽(yáng)板；同時(shí)為減少雨雪等天氣對(duì)3D激光掃描儀的影響，需要給掃描儀增加防雨罩，進(jìn)一步提升掃描儀的環(huán)境適應(yīng)性。安裝掃描儀時(shí)需要確保激光鏡頭90°朝向地面，同時(shí)需要布置配套的維護(hù)保養(yǎng)平臺(tái)(該平臺(tái)也不能遮擋激光鏡頭)，確保在整個(gè)自動(dòng)化軌道吊的生命周期內(nèi)，維修保養(yǎng)人員可以方便地對(duì)2臺(tái)3D激光掃描儀進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)及故障檢查。

3 系統(tǒng)主要功能

3.1 箱位校正功能

系統(tǒng)基于激光掃描測(cè)距原理，可以掃描獲得所在堆場(chǎng)內(nèi)同一列集裝箱(20 ft,40 ft,45 ft)的輪廓數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)一步的識(shí)別處理，可精確獲得該列集裝箱的高度和位置等信息。將該信息與自動(dòng)化堆場(chǎng)管理系統(tǒng)(ABMS)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照,可確保管理系統(tǒng)中的信息與堆場(chǎng)實(shí)際信息的一致性。一旦出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際掃描的結(jié)果與堆場(chǎng)管理系統(tǒng)電子圖庫(kù)中數(shù)據(jù)不一致的狀況，報(bào)警系統(tǒng)將立即把相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給堆場(chǎng)或碼頭管理系統(tǒng)，由堆場(chǎng)管理系統(tǒng)及相關(guān)部門進(jìn)行檢查確認(rèn)，避免發(fā)生錯(cuò)箱作業(yè)，已經(jīng)發(fā)生的錯(cuò)箱問(wèn)題也可以得到及時(shí)糾正。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況更新堆場(chǎng)管理系統(tǒng)的電子圖庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)，確保其準(zhǔn)確無(wú)誤，提高碼頭作業(yè)效率及準(zhǔn)確率。

3.2 防碰箱功能

軌道吊在操作時(shí)，堆場(chǎng)掃描系統(tǒng)可以依據(jù)當(dāng)前小車或吊具的運(yùn)行速度,實(shí)時(shí)檢測(cè)及計(jì)算吊具與集裝箱間或吊具負(fù)載集裝箱與堆場(chǎng)或碼頭上集裝箱的虛擬碰撞區(qū)域，實(shí)現(xiàn)虛擬防撞區(qū)域的動(dòng)態(tài)調(diào)整，在保證起重機(jī)作業(yè)效率的同時(shí)給吊具及吊具下方的集裝箱提供防碰箱功能。一旦虛擬碰撞區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到障礙物，則發(fā)送信號(hào)給高級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)，停止小車及吊具運(yùn)行。

3.3 吊具與堆場(chǎng)集裝箱的間隙檢測(cè)功能

間隙檢測(cè)功能屬于激光掃描系統(tǒng)中的著箱檢測(cè)功能的一部分。激光堆場(chǎng)掃描檢測(cè)所得的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)被用來(lái)避免空吊具或帶箱吊具與堆場(chǎng)中集裝箱發(fā)生碰撞。

在空吊具或帶箱吊具運(yùn)行時(shí)，只有確保間隙檢測(cè)正常后，吊具才被允許降低到安全高度以下進(jìn)入堆場(chǎng)。如果檢測(cè)區(qū)域小于實(shí)際需要的空間尺寸，則主機(jī)PLC需要根據(jù)堆場(chǎng)掃描系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，立即發(fā)出停止該方向運(yùn)行的指令，經(jīng)確認(rèn)安全后才可繼續(xù)運(yùn)行，進(jìn)而確保作業(yè)安全性。

3.4 集卡車雙20 ft間隙檢測(cè)功能

雙20 ft間隙檢測(cè)屬于激光掃描系統(tǒng)中的著箱檢測(cè)功能的一部分。在集卡雙箱的作業(yè)中，掛車上2個(gè)集裝箱間距最小要求為300 mm。在集卡抓箱作業(yè)中，3D激光掃描儀掃描集卡上的集裝箱，檢測(cè)兩集裝箱之間是否有300 mm的間距。假如間距滿足要求，兩集裝箱中間點(diǎn)位置就會(huì)被送到主機(jī)PLC，用于輔助自動(dòng)著箱作業(yè)。

3.5 系統(tǒng)校準(zhǔn)

系統(tǒng)校準(zhǔn)是激光測(cè)量系統(tǒng)非常重要的部分。為了盡可能地保證系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精度校準(zhǔn)。

系統(tǒng)校準(zhǔn)的主要問(wèn)題集中在如何將2臺(tái)3D掃描系統(tǒng)的坐標(biāo)統(tǒng)一以及其在小車架上與小車中心線的位置關(guān)系確認(rèn)，進(jìn)而將激光測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系與起重機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)一。每一個(gè)掃描儀都必須有數(shù)個(gè)偏移量參數(shù)用于校準(zhǔn)，這些偏移量參數(shù)由激光系統(tǒng)應(yīng)用程序傳輸給每一臺(tái)掃描儀，依此建立一個(gè)起重機(jī)下的統(tǒng)一坐標(biāo)系，從而保證系統(tǒng)有效獲取當(dāng)前的真實(shí)位置，確保系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 系統(tǒng)工作原理介紹

4.1 系統(tǒng)控制流程

堆場(chǎng)掃描系統(tǒng)與著箱系統(tǒng)等其他子系統(tǒng)一起配合工作，其中著箱系統(tǒng)由主機(jī)系統(tǒng)PLC控制觸發(fā)。所有的內(nèi)部子功能由應(yīng)用狀態(tài)設(shè)備控制，控制流程狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 控制流程圖

掃描儀應(yīng)用系統(tǒng)以大約50 ms為周期從PLC接收信息(包括整機(jī)/小車位置和堆場(chǎng)輪廓)，并將檢測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)周期性的發(fā)送給PLC，以確保雙向數(shù)據(jù)的一致性。

用于防撞保護(hù)的監(jiān)控區(qū)域空間由主機(jī)PLC提供,最終尺寸隨著小車或吊具位置以及起升小車運(yùn)行速度動(dòng)態(tài)變化。掃描軟件比對(duì)掃描輪廓與主機(jī)PLC計(jì)算的監(jiān)控區(qū)域，如果尺寸不匹配，就發(fā)出報(bào)警信號(hào)。此時(shí)只能運(yùn)行小車機(jī)構(gòu)，大車機(jī)構(gòu)不能運(yùn)行。

3D輪廓掃描輸出數(shù)據(jù)用來(lái)比對(duì)堆場(chǎng)集裝箱電子圖庫(kù)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前狀態(tài)是否存在差異。通常，作業(yè)的最優(yōu)路徑是PLC依照集裝箱電子圖庫(kù)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算提供，而堆場(chǎng)掃描系統(tǒng)為集裝箱電子圖庫(kù)中數(shù)據(jù)的正確性提供了有力的安全保障。

4.2 檢測(cè)區(qū)間計(jì)算

檢測(cè)區(qū)間的計(jì)算基于吊具坐標(biāo)系統(tǒng)。吊具位置坐標(biāo)如下：

X軸位置： 小車X軸位置+吊具X軸位置+微動(dòng)X軸位置。

Y軸位置： 大車Y軸位置+吊具Y軸位置+微動(dòng)Y軸位置。

旋轉(zhuǎn)角度： 吊具旋轉(zhuǎn)角度+微動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

堆場(chǎng)掃描系統(tǒng)給激光掃描系統(tǒng)發(fā)送7個(gè)堆場(chǎng)定義值：吊具角度偏移值，mrad；X軸最小位置坐標(biāo)Xmin，mm；X軸最大位置坐標(biāo)Xmax，mm；Y軸最小位置坐標(biāo)Ymin，mm；Y軸最大位置坐標(biāo)Ymax，mm；Z軸最小位置坐標(biāo)Zmin，mm；Z軸最大位置坐標(biāo)Zmax，mm。

其他定義值包括：吊具大車方向?qū)挾萀；吊具小車方向?qū)挾萕；吊具起升方向高度H；大車方向吊具動(dòng)態(tài)防護(hù)值D1;小車方向吊具動(dòng)態(tài)防護(hù)值D2；起升方向吊具動(dòng)態(tài)防護(hù)值D3。

當(dāng)?shù)蹙呶窗l(fā)生旋轉(zhuǎn)即旋轉(zhuǎn)角度偏移值為零(α=0)時(shí)，吊具及防撞檢測(cè)區(qū)域見(jiàn)圖3。

圖3 吊具未旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下防撞檢測(cè)區(qū)域示意圖

吊具防撞檢測(cè)區(qū)域位置如下：

X1=X-W/2-D1

Y1=Y-L/2-D2

X2=X-W/2-D1

Y2=Y+L/2+D2

X3=X+W/2+D1

Y3=Y+L/2+D2

X4=X+W/2+D1

Y4=Y-L/2-D2

堆場(chǎng)定義值計(jì)算如下：

Xmin=X1=X2

Xmax=X3=X4

Ymin=Y1=Y4

Ymax=Y2=Y3

Zmin=H-D3

Zmax=H+D3

當(dāng)?shù)蹙甙l(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)即旋轉(zhuǎn)角度偏移值不為零(α≠0)時(shí)，吊具及防撞檢測(cè)區(qū)域根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行位置補(bǔ)償(見(jiàn)圖4)。

圖4 吊具旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下防撞檢測(cè)區(qū)域示意圖

吊具防撞檢測(cè)區(qū)域位置如下:

X1=Xcosα-Ysinα+(L+2D2)sinα/2

-(W+2D1)cosα/2

Y1=Xsinα+Ycosα-(W+2D1)sinα/2

-(L+2D2)cosα/2

X2=Xcosα-Ysinα-(L+2D2)sinα/2

-(W+2D1)cosα/2

Y2=Xsinα+Ycosα-(W+2D1)sinα/2

+(L+2D2)cosα/2

X3=Xcosα-Ysinα-(L+2D2)sinα/2

+(W+2D1)cosα/2

Y3=Xsinα+Ycosα+(W+2D1)sinα/2

+(L+2D2)cosα/2

X4=Xcosα-Ysinα+(L+2D2)sinα/2

+(W+2D1)cosα/2

Y4=Xsinα+Ycosα+(W+2D1)sinα/2

-(L+2D2)cosα/2

堆場(chǎng)定義值計(jì)算如下：

Xmin=min(X1，X2)

Xmax=max(X3，X4)

Ymin=min(Y1，Y4)

Ymax=max(Y2，Y3)

Zmin=H-D3

Zmax=H+D3

當(dāng)?shù)蹙呶挥诙褕?chǎng)內(nèi)時(shí)，吊具和防撞檢測(cè)區(qū)域根據(jù)吊具偏轉(zhuǎn)進(jìn)行位置補(bǔ)償，并利用補(bǔ)償后的結(jié)果進(jìn)行防撞檢測(cè)，補(bǔ)償效果及防撞檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 檢測(cè)及位置補(bǔ)償效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

堆場(chǎng)掃描系統(tǒng)是自動(dòng)化軌道吊中自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，隨著其不斷的發(fā)展與完善，自動(dòng)化軌道吊的作業(yè)效率、安全性、可靠性以及堆場(chǎng)校驗(yàn)?zāi)芰⒅鸩教岣?，人工成本與設(shè)備能耗將大幅降低，必將推動(dòng)自動(dòng)化碼頭的進(jìn)一步發(fā)展。