張 冒，程文明，楊翰元

（1.成都航空職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都 610100；2.西南交通大學，四川 成都 610031；3.上海昂豐裝備科技有限公司，上海200125）

1 引言

垃圾搬運起重機是垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒單元供料系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，承擔垃圾倉內(nèi)垃圾的垃圾吊運及自動計量等工作，一般需要24h連續(xù)工作，工況條件惡劣，設(shè)備負荷重，動作頻繁[1-2]。目前國內(nèi)所運用的垃圾搬運起重機采用以人力作業(yè)為主要的操作模式，作業(yè)人員勞動強度大、長時間工作危險性高、作業(yè)效率低、容易發(fā)生設(shè)備安全事故。

為減少作業(yè)人員操作時間，減輕其勞動強度，提高垃圾吊運工作的精確度及信息化管理程度，提出設(shè)計和開發(fā)出一套基于PLC和激光掃描測量為核心的垃圾搬運起重機控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)垃圾搬運起重機實現(xiàn)全自動投料、移料、混料。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

垃圾焚燒發(fā)電廠主要任務(wù)包括垃圾的儲存、焚燒、發(fā)電、煙氣及滲濾液處理等。垃圾倉的布局，如圖1所示。配置起重機依據(jù)垃圾日處理量不同有所區(qū)別，至少配置兩臺，采用“一用一備”的工作方式以確保24h連續(xù)運行及方便設(shè)備故障檢修。垃圾由汽車運輸?shù)嚼l(fā)電廠，通過卸料口將倒入垃圾倉內(nèi)，垃圾經(jīng)過發(fā)酵后進入投料口進行焚燒處理。

圖1 垃圾倉布局Fig.1 The Layout of Garbage Bin

2.1 功能分析

在垃圾的儲存及焚燒過程中需要使用垃圾搬運起重機完成投料、移料、混料工作。上料是抓取發(fā)酵好的區(qū)域內(nèi)垃圾并投放到投料口；移料是將卸料口的垃圾投放到垃圾倉的其他區(qū)域，防止垃圾堵塞卸料口；混料是混合新舊垃圾，以縮短發(fā)酵的時間，并使垃圾成分趨向均勻[3]?？傊狭?、移料、混料三個功能，就起重機動作而言，實際上是將垃圾從抓取位置吊運到放置位置。

要實現(xiàn)垃圾搬運起重機全自動運行，需要實現(xiàn)垃圾的自動抓取、自動放置及工作信息管理，而自動抓取點的選取需要明確垃圾的儲存情況。因此全自動垃圾搬運起重機需要實現(xiàn)垃圾高度測量及抓取點選擇、作業(yè)管理、自動控制功能。

2.1.1 垃圾高度測量及取料位置選擇

控制系統(tǒng)需要實時測量出垃圾面的高度的情況，為垃圾抓取、放置位置的自動規(guī)劃提供依據(jù)。起重機小車與搬運之間采用鋼絲繩連接，實際工作過程中，在抓取垃圾時需要保證搬運的角度不超過45°以避免抓斗傾翻。因此，需要系統(tǒng)自動規(guī)劃合適的取料位置，以保證起重機正常、高效運行。

2.1.2 作業(yè)管理

垃圾搬運起重機需要完成投料、移料、混料三項工作，而各項工作的觸發(fā)條件和工作次數(shù)都不盡相同，此外還涉及到多臺起重機協(xié)同工作的問題。因此，需要控制系統(tǒng)具備作業(yè)管理功能，以規(guī)劃起重機自動協(xié)調(diào)作業(yè)、提高工作效率。

2.1.3 自動控制

起重機將垃圾從抓取位置吊運到放置位置的工作需要涉及到大車、小車、起升三個方向的精確定位及抓斗開、閉動作?？刂葡到y(tǒng)需要按照動作流程控制起重機自動運行以完成垃圾自動吊運。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)

為滿足全自動功能垃圾搬運起重機的功能要求，采用PLC和工控機為核心的控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示?？紤]到控制、檢測信號的傳輸性能，系統(tǒng)基于Profinet工業(yè)以太網(wǎng)搭建網(wǎng)絡(luò)[4]。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 The Hardware Structure Diagram

（1）監(jiān)控單元

提供用戶交互式操作界面，控制起重機自動運行及作業(yè)管理。

（2）控制單元

以“PLC+工控機”為控制核心，PLC控制實現(xiàn)起重機自動運行，工控機實現(xiàn)起重機作業(yè)管理及垃圾倉儲存垃圾自動測量。

（3）驅(qū)動單元

起重機大車、小車、起升三個機構(gòu)的運動采用變頻調(diào)速驅(qū)動方式。

（4）執(zhí)行單元

包含起重機大車、小車、起升三個機構(gòu)的動力電機和液壓抓斗。

（5）檢測單元

增量編碼器安裝在電機后端，將測量信號反饋給變頻器以實現(xiàn)速度閉環(huán)控制；大小車絕對值編碼器安裝在同步輪上實現(xiàn)位置精確測量，起升絕對值編碼器安裝在卷筒軸上；2D激光掃描用于測量垃圾表面高度。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)方法

3.1 垃圾高度測量

為了給垃圾抓取點的自動選取提供依據(jù)，必定要清楚垃圾面的高度分布情況，垃圾高度測量只能采用非接觸性的測量方式。傳統(tǒng)的激光測距、超聲波測距、紅外線測距的方式適用于單點測量。

采用2D激光雷達結(jié)合大車運動的方式實現(xiàn)垃圾倉的三維掃描測量。2D激光雷達安裝在大車上，通過網(wǎng)線與工控機連接。大車固定情況下，激光雷達測量該剖面線位置的垃圾高度，測量結(jié)果以極坐標點形式反饋給工控機，軟件對其進行坐標變換可得到該剖面線上測量點的坐標信息。

大車運動過程中，采用逐行掃描方式，結(jié)合大車的位置信息進行數(shù)據(jù)拼合，從而獲取到整個垃圾倉的測量結(jié)果數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 垃圾倉測量方式Fig.3 Garbage Bin Measurement Method

垃圾倉具體測量流程，如圖4所示。大車運動過程中不斷更新點測量數(shù)據(jù)。測量結(jié)果數(shù)據(jù)實際上是一些三維空間位置點，測量數(shù)據(jù)經(jīng)過裁剪后可得到整個垃圾倉的三維點云數(shù)據(jù)，該點云數(shù)據(jù)詳細反映了各個位置垃圾的高度值。

圖4 測量數(shù)據(jù)獲取流程Fig.4 The Measurement Data Acquisition Process

3.2 取料位置自動選取算法設(shè)計

自動上料、移料和混料過程中，都涉及到垃圾的抓取動作。垃圾倉內(nèi)垃圾表面高低不一，需要在獲取到垃圾倉內(nèi)各處垃圾高度數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)作進一步的處理，自動計算出合適的取料位置。

垃圾的取料位置可分為五種情況，如圖5所示。

圖5 取料位置Fig.5 The Picking Position

（1）從位置ⅰ取料，能取得大的抓取量還能減少抓斗側(cè)翻的幾率，是理想的“安全取料位置”，該位置為垃圾的局部高點，同時在抓斗作業(yè)范圍內(nèi)高低點差值b較小；

（2）從位置ⅱ取料，該位置為垃圾的局部高點，雖抓斗存在一定傾斜但不會側(cè)翻，也能保證抓取量，同樣可作為“安全取料位置”；

（3）從位置ⅲ取料，垃圾坡度較大，很容易發(fā)生側(cè)翻，抓取時必須避開該類型位置；

（4）從位置ⅳ取料，雖為局部高點，但b值較大，很容易發(fā)生側(cè)翻，抓取時必須避開該類型位置；

（5）從位置ⅴ取料，受到兩側(cè)垃圾的阻力作用，導(dǎo)致垃圾抓取量較少，抓取時也應(yīng)該避開該類型位置。

綜上，垃圾表面的局部高點，且該高點在抓斗抓取作業(yè)范圍內(nèi)高低差值b不超過抓斗允許傾斜的最大差值則可作為安全取料位置，針對此，采用網(wǎng)格劃分求解思路來實現(xiàn)取料位置的合理選取，主要步驟如下五步。

①點云預(yù)處理

由于垃圾倉內(nèi)環(huán)境惡劣，濕度及粉塵濃度較大，在垃圾倉高度信息的采集過程中，不可避免會采集到的一些干擾點，在進行抓取點識別之前，需要對點云進行濾波處理以剔除掉干擾點。在點云濾波研究方面已有許多學者進行了相關(guān)研究，其中雙邊濾波算法［5-6］可以在保持點云曲面幾何特性的前提下，去除小尺度的干擾點，其具體的實現(xiàn)方法為：

式中：p′—去除干擾點的點云；p—原始點云；n—p的法向量；a—雙邊濾波因子；Wc—光順濾波權(quán)值；Ws—特征保持權(quán)值；σc和σs—高斯濾波系數(shù)；||||—向量的模；＜＞—向量的內(nèi)徑。

②劃分網(wǎng)格

將預(yù)處理后得到的p′投影到XOY平面，求得X、Y方向的最小值和最大值xmin、xmax和ymin、ymaxymin，ymax，設(shè)定每個正方形網(wǎng)格的長度為ll，得到X、Y方向網(wǎng)格個數(shù)分別為：

經(jīng)過網(wǎng)格化后，可得出點云數(shù)據(jù)中每個點對應(yīng)的網(wǎng)格編號以及每個（共M×N）網(wǎng)格中點云的基本信息。

③查找最小值

遍歷網(wǎng)格，找出各個網(wǎng)格包含點在Z方向的最小值和最大值Zmin=(x，y，z)Zmin=[x，y，z]、Zmax=(x，y，z)Zmax=[x，y，z]，最終得到最小值和最大值點列表：

④判定周圍區(qū)域高低差

依次取出最小值列表數(shù)據(jù)，判斷在臨近正方形邊長為a區(qū)域內(nèi)與最大值、最小值做差值運算，得出最大差值列表{G1max，G2max，…，GM×Nmax}：

⑤生成安全取料位置坐標

從最大差值列表選取小于抓斗允許抓取垃圾面高度差閾值b的點，其對應(yīng)最小值坐標點作為安全取料位置使用。

3.3 作業(yè)管理

垃圾搬運起重機在焚燒爐缺料時，需要抓取已發(fā)酵好的垃圾進行投料動作，在卸料口垃圾吊堆積過高時需要進行移料操作，其余時間進行新舊垃圾的混料動作。為此，需要充分協(xié)調(diào)各項工作，以保證長時間無人值守運行。

垃圾搬運起重機作業(yè)管理模塊按照“可以編程的數(shù)控起重機”設(shè)計理念進行設(shè)計，在作業(yè)管理方面采用用戶程序管理及運行的方式實現(xiàn)全自動化作業(yè)。用戶通過交互式界面編制動作程序，作業(yè)管理系統(tǒng)將按照程序的相關(guān)參數(shù)特性，如表1所示。自動控制起重機按照既定流程逐一完成編制好的動作程序。

表1 用戶程序參數(shù)表Tab.1 User Program Parameters Table

為讓用戶快速選取取放料位置，同樣按照網(wǎng)格劃分思路將垃圾倉劃分為指定長度、寬度的多個區(qū)域，操作人員選擇這些劃分的區(qū)域，系統(tǒng)軟件依據(jù)取料位置自動選取算法自動生成該區(qū)域內(nèi)適當?shù)娜×衔恢谩?/p>

4 系統(tǒng)應(yīng)用

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，聯(lián)合起重機廠家進行硬件裝配，并在某垃圾發(fā)電廠進行試驗驗證。該項目PLC采用西門子1500系列，2D激光雷達采用Sick公司的LMS511系列，如圖6所示。

圖6 2D激光雷達安裝實物圖Fig.6 The Physical Installation Diagram of the 2D Lidar

LMS511系列激光雷達采用飛行時間法測距[7-8]，能夠保證測量結(jié)果準確性。在Visual Studio 2017環(huán)境下采用C++語言完成垃圾高度測量及作業(yè)管理軟件開發(fā)，軟件通過S7協(xié)議[9，10]讀取存儲在PLC中的大車實時位置，與2D激光雷達之間采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。

設(shè)定點云網(wǎng)格劃分的長度l=400mm，考慮到該項目所用為10m2液壓抓斗，覆蓋區(qū)域最大直徑5000mm，因此設(shè)定a=4000mm，b=2500mm，選用σc=400mm，σs=p到網(wǎng)格內(nèi)領(lǐng)域點的距離標準差，將l、a、b、σc、σs五個參數(shù)帶入取料位置自動選取算法中，可得出整個垃圾倉中安全取料位置。結(jié)合QT庫和點云處理庫（PCL）進行測量結(jié)果數(shù)據(jù)及安全取料位置顯示界面[11]，如圖7所示。圖中深色粗點為安全取料位置。

圖7 測量點云及安全取料位置點Fig.7 Measuring Point Cloud and Safe Picking Point

項目所在地垃圾倉長度64m，寬度24m，按照作業(yè)管理的設(shè)計思路，將整個垃圾倉均分為16×6個網(wǎng)格，系統(tǒng)提供人機界面和電腦軟件兩種方式供操作人員使用，如圖8所示。通過網(wǎng)格選取規(guī)劃動作序列，控制系統(tǒng)按照編制完成的動作序列控制起重機運行，依次執(zhí)行設(shè)定的程序任務(wù)。項目實驗驗證表明：該設(shè)計方案實現(xiàn)了垃圾搬運起重機的全自動無人值守運行，能夠有效規(guī)劃動作，做到協(xié)調(diào)上料、移料、混料工作。

圖8 觸摸屏程序界面Fig.8 HMI Program Interface

5 結(jié)論

首先分析了垃圾搬運起重機全自動控制的功能需求，合理設(shè)計出了基于“PLC+2D激光雷達”為核心的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。提出采用2D激光雷達加大車運動以采集垃圾倉三維點云的方式來對垃圾表面高度進行測量；采用網(wǎng)格劃分及鄰域點差值比較求解思路實現(xiàn)垃圾安全取料位置的選取；采用程序列表方式來協(xié)調(diào)管理起重機作業(yè)的設(shè)計思路。有效地解決了控制系統(tǒng)實用化的三大關(guān)鍵難點。最后把該方案成果運用到了實際項目中，通過實際項目驗證表明：該控制系統(tǒng)可行、穩(wěn)定，實現(xiàn)了垃圾搬運起重機的全自動、無人值守運行，同時有效地協(xié)調(diào)了上料、移料、混料三大工作，提高了工作效率，降低了人力成本。