張冒，程文明，覃琴

（1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610100；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

集裝箱運(yùn)輸行業(yè)中，鐵路集裝箱運(yùn)輸是一種非常重要的運(yùn)輸手段，其結(jié)合了鐵路運(yùn)輸和集裝箱運(yùn)輸?shù)碾p重優(yōu)點(diǎn)，具有運(yùn)達(dá)速度快、運(yùn)輸安全性好、物流成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，是適應(yīng)國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易發(fā)展需要的一種先進(jìn)的、新型的現(xiàn)代化運(yùn)輸方式。依據(jù)2017 年10 月的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)鐵路集裝箱辦理站的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了1 827 個(gè)，集裝箱貨運(yùn)量逐年增長(zhǎng)，2015 年我國(guó)集裝箱的貨運(yùn)量與2014 年相比，增長(zhǎng)了20.2%，2016 年我國(guó)集裝箱貨運(yùn)量同比增長(zhǎng)了40%，2017 年我國(guó)集裝箱貨運(yùn)量同比增長(zhǎng)了47.9%[1-2]。

集裝箱裝卸是鐵路集裝箱運(yùn)輸中必要和極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的集裝箱裝卸多依賴于手工操作實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化程度不高，需要操作人員肉眼觀察結(jié)合手動(dòng)控制起重機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)集裝箱吊具與集裝箱、集裝箱與貨運(yùn)火車車廂之間的對(duì)箱工作，該過程勞動(dòng)強(qiáng)度大，制約著集裝箱裝卸效率的提高。裝卸作業(yè)時(shí)需要2～3 人協(xié)同作業(yè)，起重機(jī)操作人員負(fù)責(zé)操作起重機(jī)，指揮輔助人員負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)觀察對(duì)箱結(jié)果，傳統(tǒng)作業(yè)模式很難滿足裝卸作業(yè)的減員增效要求。

為減少作業(yè)人員手動(dòng)操作步驟，減輕其勞動(dòng)強(qiáng)度，提高集裝箱裝卸效率，設(shè)計(jì)和開發(fā)出一套基于激光掃描測(cè)量的集裝箱自動(dòng)定位系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)吊具-集裝箱的快速自動(dòng)對(duì)箱工作，提高集裝箱裝卸作業(yè)效率，并適當(dāng)減少相關(guān)操作人員數(shù)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐵路貨場(chǎng)起重機(jī)作業(yè)范圍內(nèi)劃分了集卡作業(yè)、堆箱、火車作業(yè)3 個(gè)區(qū)域，如圖1 所示?；疖嚿霞b箱裝卸作業(yè)尤為重要，其作業(yè)速度將直接影響鐵路貨運(yùn)的速度和車列的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)火車作業(yè)區(qū)域內(nèi)集裝箱的快速自動(dòng)定位可有效提高集裝箱的裝卸效率。因此，本系統(tǒng)重點(diǎn)解決火車作業(yè)區(qū)域內(nèi)的集裝箱裝卸作業(yè)。系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)集裝箱在起重機(jī)參考方向下的定位、火車軌道以及火車高度相對(duì)固定。因此，Y方向通過激光傳感器測(cè)量實(shí)時(shí)位置；Z方向通過絕對(duì)值編碼器即可實(shí)現(xiàn)精確的對(duì)箱操作；X方向的定位則通過2D 激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)，為不影響起重機(jī)作業(yè)，激光雷達(dá)安裝在起重機(jī)側(cè)邊。

圖1 起重機(jī)作業(yè)區(qū)域Fig.1 Crane operation partition

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

集裝箱自動(dòng)定位系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，按照功能層級(jí)分為監(jiān)控、控制、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行和檢測(cè)5個(gè)單元。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure diagram

1）監(jiān)控單元：提供交互式界面供現(xiàn)場(chǎng)人員操作以控制起重機(jī)完成集裝箱自動(dòng)對(duì)箱動(dòng)作。

2）控制單元：控制核心采用“PLC+工控機(jī)”方式，PLC 完成整個(gè)起重機(jī)的邏輯、定位控制，工控機(jī)通過以太網(wǎng)獲取2D 激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)并處理，得到集裝箱在大車方向上的實(shí)時(shí)位置。

3）驅(qū)動(dòng)單元：起重機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)方式，起重大車機(jī)構(gòu)共12 臺(tái)動(dòng)力電機(jī)，分別由2 個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)；小車機(jī)構(gòu)有4 臺(tái)動(dòng)力電機(jī)，由1 臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)；起升機(jī)構(gòu)使用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配置2 臺(tái)變頻器，運(yùn)行過程中需保證2 臺(tái)電機(jī)同步動(dòng)作。變頻器與PLC 之間采用西門子Profinet 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4）執(zhí)行單元：包含起重機(jī)大車、小車、起升3個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力電機(jī)和集裝箱吊具的液壓動(dòng)力。

5）檢測(cè)單元：增量編碼器信號(hào)（HTL）接入對(duì)應(yīng)變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度閉環(huán)控制；起升絕對(duì)值編碼器及小車激光距離傳感器同樣采用Profinet通訊協(xié)議與PLC 連接，測(cè)量吊具在小車和起升方向的實(shí)時(shí)位置；速度傳感器反饋出各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)速度；2D激光雷達(dá)用于集裝箱位置的測(cè)量。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

集裝箱自動(dòng)定位系統(tǒng)是基于激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)吊具-集裝箱快速精確對(duì)箱控制。系統(tǒng)主要包括集裝箱箱型數(shù)據(jù)庫(kù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、集裝箱自動(dòng)定位、起重運(yùn)動(dòng)控制與流程可視化等功能模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)Fig.3 System function design

1.3 工作流程

集裝箱定位系統(tǒng)為自動(dòng)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)吊具-集裝箱的對(duì)箱作業(yè)而開發(fā)，需要完成集裝箱位置檢測(cè)與起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，具體作業(yè)流程如下：

1）建立起重機(jī)的參考坐標(biāo)系OXYZ，計(jì)算2D激光雷達(dá)坐標(biāo)系的平移矩陣；

2）定位開始后，激光雷達(dá)開始工作，獲取得到一系列極坐標(biāo)點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理模塊將極坐標(biāo)下的點(diǎn)轉(zhuǎn)化成直角坐標(biāo)系OXYZ的位置點(diǎn)，處理該數(shù)據(jù)點(diǎn)集合得到集裝箱側(cè)邊的中心坐標(biāo)，該值經(jīng)過坐標(biāo)變換后確定為起重機(jī)大車定位目標(biāo)值；

3）根據(jù)集裝箱中心點(diǎn)位置計(jì)算出起重機(jī)吊具與集裝箱之間的位置差值；

4）將計(jì)算得到的差值通過西門子S7 協(xié)議寫入PLC，控制起重機(jī)運(yùn)動(dòng)調(diào)整吊具位置，運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行第2）、第3）步，直到起重機(jī)吊具與集裝箱位置差值為0；

5）第2）～4）步執(zhí)行的同時(shí)，起重機(jī)根據(jù)固定參數(shù)值對(duì)小車、起升進(jìn)行定位控制，直到到達(dá)設(shè)定位置；

6）起重機(jī)吊具-集裝箱自動(dòng)完成對(duì)箱作業(yè)后，語(yǔ)音提示操作人員進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 集裝箱位置檢測(cè)

2D激光雷達(dá)以極坐標(biāo)方式返回測(cè)量結(jié)果，數(shù)據(jù)報(bào)文在解碼后可得到下列矩陣：

轉(zhuǎn)換后獲得一系列直角坐標(biāo)系下的點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步進(jìn)行分析處理，可得到集裝箱中心點(diǎn)坐標(biāo)。

2.1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于2D 激光雷達(dá)工作在室外環(huán)境，光照強(qiáng)度變化大，集裝箱表面顏色不一，在測(cè)量數(shù)據(jù)采集過程中，不可避免會(huì)采集到一些干擾點(diǎn)，在進(jìn)行集裝箱位置檢測(cè)之前，需要進(jìn)行濾波處理以刪除這些干擾點(diǎn)。常用的方式包括基于統(tǒng)計(jì)分布法、基于距離法、基于聚類法和基于密度法等[3]。

集裝箱定位系統(tǒng)選用基于統(tǒng)計(jì)分布的方法實(shí)現(xiàn)干擾點(diǎn)的檢測(cè)和剔除，由于2D 激光雷達(dá)返回?cái)?shù)據(jù)序列是以掃描起始角為起點(diǎn)、掃描角分辨率為增量的有序距離值，通過坐標(biāo)變換后的數(shù)據(jù)點(diǎn)集合同樣可認(rèn)定是有序數(shù)據(jù)集，因此不用對(duì)其進(jìn)行排序處理。干擾點(diǎn)檢測(cè)與剔除算法具體處理步驟如下：

1)加載點(diǎn)云集合Xin；

2)計(jì)算每一點(diǎn)在半徑r內(nèi)的鄰域點(diǎn)個(gè)數(shù)P=[p0,p1,p2,…,pi,…,pn]；

3) 遍歷P，刪除pi＜k對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到干擾點(diǎn)剔除后的點(diǎn)云集合Xout。

2.1.2 基于平行坐標(biāo)系的集裝箱位置檢測(cè)

平行坐標(biāo)法常用于多維空間的兩維表示，使多維數(shù)據(jù)的表示更加直觀，同樣可以用平行坐標(biāo)中的點(diǎn)與平面直角坐標(biāo)中的直線相對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系來求解出直線方程[4-5]。直線方程y=kx+b，根據(jù)直線斜率不同，需要構(gòu)造不同的平行坐標(biāo)系來反映直線的交點(diǎn)位置。圖4a中直線l1斜率k＜0，平行坐標(biāo)系下交點(diǎn)位于由x軸和y軸構(gòu)成的區(qū)間內(nèi)，如圖4b所示，交點(diǎn)坐標(biāo)為[d/(1-k),b/(1-k)]。圖4c 中直線l2斜率k＞0，平行坐標(biāo)系下交點(diǎn)位于由-x軸和y軸構(gòu)成的區(qū)間內(nèi)，如圖4d 所示，交點(diǎn)坐標(biāo)為[d/(1+k),b/(1+k)]。圖中，b為直線y=kx+b的截距。

圖4 平行坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Correspondence between parallel and rectangular coordinates

結(jié)合上述分析，對(duì)于數(shù)據(jù)點(diǎn)在直線方程未知的情況下，可先在平行坐標(biāo)系下表示，通過交點(diǎn)坐標(biāo)推導(dǎo)直線方程。令平行坐標(biāo)系中的交點(diǎn)坐標(biāo)為(u,v)，對(duì)應(yīng)的直線方程參數(shù)為

借鑒Hough 直線檢測(cè)方法的思路[6-7]，可得到基于平行坐標(biāo)系變換方式實(shí)現(xiàn)集裝箱的位置檢測(cè)算法?；谄叫凶鴺?biāo)系的集裝箱位置檢測(cè)具體計(jì)算步驟如下：

1）加載干擾點(diǎn)剔除后的點(diǎn)云集合Xout；

2）逐一取出Xout中點(diǎn)數(shù)據(jù)，將其映射到平行坐標(biāo)系下，計(jì)算所有直線交點(diǎn)值K=[k0,k1,k2,…]；

3）對(duì)K進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出交點(diǎn)值及相交線段數(shù)量，并對(duì)滿足交點(diǎn)偏差r內(nèi)的交點(diǎn)做均值處理，得到K1=[k0,k1,k2,…]；

4)遍歷K1，剔除相交線段小于直線包含最小點(diǎn)個(gè)數(shù)m的交點(diǎn)，得到K2=[k0,k1,k2,…]；

5）根據(jù)式（3），得出K2內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系下的直線方程；

6）計(jì)算Xout中各點(diǎn)與直線的距離，得出小于直線距離偏差點(diǎn)d的數(shù)據(jù)點(diǎn)X1=[x0,x1,x2,…]；

7）計(jì)算X1相鄰兩點(diǎn)差值，找出分段點(diǎn)，得出分段直線；

8）分段直線與集裝箱信息比對(duì)，計(jì)算得出集裝箱中心位置（x，y）。

與Hough 變換實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)映射需要通過執(zhí)行ρ=xcosθ+ysinθ計(jì)算的方式不同[6-7]，采用平行坐標(biāo)方法來檢測(cè)直線段不需要進(jìn)行計(jì)算便可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)映射，計(jì)算量較Hough變換更小，且運(yùn)算速度更快。

2.2 起重機(jī)精確定位

集裝箱位置檢測(cè)單元在起重機(jī)卸車作業(yè)時(shí)能夠精確反饋集裝箱中心點(diǎn)位置給起重機(jī)控制系統(tǒng)。需要系統(tǒng)識(shí)別到集裝箱詳細(xì)位置信息后對(duì)起重機(jī)大車、小車、起升進(jìn)行精確定位控制，從而最終實(shí)現(xiàn)在鐵道作業(yè)區(qū)內(nèi)起重機(jī)吊具與集裝箱的自動(dòng)對(duì)箱工作。

2.2.1 運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

起重機(jī)定位控制方法很多，其中軌跡規(guī)劃以運(yùn)動(dòng)速度為調(diào)整對(duì)象，通過預(yù)設(shè)軌跡的方式實(shí)現(xiàn)定位控制。合理的參考軌跡能夠有效保證起重機(jī)的定位精度。

軌跡規(guī)劃方法應(yīng)用到門式起重機(jī)精確定位需要注意兩點(diǎn)：1）結(jié)合起重機(jī)的實(shí)際情況，加速度不能過大且需要連續(xù)；2）動(dòng)力電機(jī)為變頻電機(jī)，低速條件下無(wú)法輸出足夠轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，需要高于最小運(yùn)行速度運(yùn)行。

綜合考慮后，本文規(guī)劃的起重機(jī)速度分為加速、高速、減速和低速4段，如下式：

依據(jù)軌跡規(guī)劃速度計(jì)算公式繪制大小車速度隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

圖5 軌跡規(guī)劃速度曲線Fig.5 Velocity curve of planned trajectory

2.2.2 定位實(shí)現(xiàn)

確保準(zhǔn)確地執(zhí)行規(guī)劃軌跡的速度曲線是起重機(jī)精確定位的前提，然而起重機(jī)大車和小車機(jī)構(gòu)均采用輪式傳動(dòng)，在運(yùn)行過程中必定會(huì)出現(xiàn)車輪打滑的情況。車輪打滑使得目標(biāo)速度和實(shí)際速度出現(xiàn)偏差，偏離規(guī)劃的實(shí)時(shí)速度，也將影響最終的定位精度。因此，定位過程需要兼顧速度匹配與打滑累計(jì)誤差的消除。

起重機(jī)定位流程如圖6 所示，通過模糊PID[8]算法動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)定速度，從而保證正常運(yùn)行狀態(tài)以及存在車輪打滑情況下實(shí)際反饋速度與規(guī)劃速度的匹配。結(jié)合位置傳感器的實(shí)時(shí)位置檢測(cè)，能夠有效消除打滑導(dǎo)致的累計(jì)誤差，從而實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的精確定位。速度匹配通過模糊PID算法實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)如下：

圖6 定位實(shí)現(xiàn)過程Fig.6 Positioning implementation process

1）模糊化設(shè)計(jì)：輸入量為速度偏差e和偏差變化率ec，輸出量為ΔKP,ΔKi,ΔKd，設(shè)置基本論域?yàn)椋?10，10），確定出輸入與輸出變量的隸屬度函數(shù)；

2）制定模糊規(guī)則：總結(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出ΔKP,ΔKi,ΔKd三個(gè)參數(shù)的模糊規(guī)則表；

3）PID參數(shù)初始化：設(shè)定初始值KP,Ki,Kd；

4）PID 參數(shù)調(diào)整：依據(jù)e，ec實(shí)時(shí)值，查詢模糊規(guī)則表，找出對(duì)應(yīng)的ΔKP,ΔKi,ΔKd，更新PID參數(shù)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用案例

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行集裝箱定位系統(tǒng)開發(fā)，并在成都鐵路局某集裝箱貨場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用。檢測(cè)裝置如下：選擇SICK 公司型號(hào)為L(zhǎng)MS151 激光雷達(dá)，角分辨率為0.25°，選擇該公司型號(hào)為AFM60編碼器，誤差極限為0.03°；選擇DIMETIX公司DAN-30-150激光測(cè)距儀，精度為3 mm。

在Visual Studio 2017 環(huán)境下采用C++語(yǔ)言完成大車方向集裝箱位置檢測(cè)程序開發(fā)，程序主要包括2D 激光掃描儀器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、基于平行坐標(biāo)集裝箱位置檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)、過程可視化、測(cè)量結(jié)果傳送（PLC 通訊）5 大模塊。檢測(cè)的過程數(shù)據(jù)如圖7 所示，預(yù)處理算法能夠?qū)Ω蓴_點(diǎn)進(jìn)行有效濾除，數(shù)據(jù)點(diǎn)在平行坐標(biāo)系下交點(diǎn)集中在x，y軸構(gòu)成的區(qū)域內(nèi)，通過前面敘述的基于平行坐標(biāo)系的集裝箱位置檢測(cè)算法可準(zhǔn)確計(jì)算出集裝箱中心位置。

圖7 集裝箱位置檢測(cè)各階段數(shù)據(jù)Fig.7 Products at all stages of the container positioning system

集裝箱自動(dòng)定位系統(tǒng)配置人機(jī)界面，如圖8所示。人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示起重機(jī)狀態(tài)信息并具備下發(fā)自動(dòng)對(duì)箱命令的功能。

圖8 觸摸屏程序界面Fig.8 HMI program interface

為了測(cè)試系統(tǒng)的工作效率，以人工手動(dòng)作業(yè)作為比對(duì)數(shù)據(jù)，各自隨機(jī)選取100 次集裝箱裝卸作業(yè)過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 操作數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of operation data

4 結(jié)論

針對(duì)鐵路貨場(chǎng)起重機(jī)作業(yè)時(shí)集裝箱對(duì)箱工作難度高、作業(yè)效率低的問題，設(shè)計(jì)了一套基于激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的集裝箱定位系統(tǒng)。運(yùn)用2D激光雷達(dá)掃描得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)集合，采用基于平行坐標(biāo)系數(shù)據(jù)變換方式對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析處理以實(shí)現(xiàn)集裝箱的位置檢測(cè)。結(jié)合起重機(jī)位置檢測(cè)和定位算法，讓集裝箱對(duì)箱工作自動(dòng)化。通過實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證表明：該系統(tǒng)方案可行，實(shí)現(xiàn)了集裝箱對(duì)箱的自動(dòng)作業(yè)，降低了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，作業(yè)效率提高了15%。