歐陽(yáng)興東 張春光 劉洪傳 黃開(kāi)萍 周智恒鄧永裕 陳 煒 董美蓉

1 廣州發(fā)展燃料港口有限公司 2 華南理工大學(xué)電力學(xué)院

1 引言

散貨裝船機(jī)是用于裝載煤炭、礦石、谷物等散裝貨物的專用設(shè)備,在港口物流中發(fā)揮重要的作用。傳統(tǒng)散貨裝船機(jī)通常依靠人工操作進(jìn)行貨物裝載,存在一些由主客觀因素導(dǎo)致的安全隱患;由于裝船機(jī)操作空間狹小、工作環(huán)境復(fù)雜,人工操作容易受到影響,從而增加事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn);裝船機(jī)在裝載過(guò)程中需要與船舶緊密對(duì)接,如果操作不慎可能會(huì)引發(fā)意外事故,導(dǎo)致人員傷害和設(shè)備損壞等問(wèn)題[1]。

為了解決上述問(wèn)題,已有研究者提出一些優(yōu)化方案。楊文博提出一種基于編碼器的溜筒防碰撞限位策略,通過(guò)設(shè)置裝船機(jī)整機(jī)行走及臂架伸縮極限限位的方法,為溜筒限定安全作業(yè)區(qū)。這種機(jī)械限位的方法只有當(dāng)溜筒運(yùn)動(dòng)到極限位置才能觸發(fā)響應(yīng),而無(wú)法應(yīng)對(duì)諸如船體漂移引發(fā)的碰撞等突發(fā)狀況[2]。閆超結(jié)合裝船機(jī)工作實(shí)際情況,通過(guò)在溜筒平臺(tái)安裝雷達(dá)傳感器的形式設(shè)計(jì)出一套保護(hù)裝置,使得溜筒防碰撞響應(yīng)更加靈活,可提高設(shè)備安全性[3]。實(shí)際上,裝船機(jī)在裝料作業(yè)和移艙過(guò)程中涉及到整機(jī)行走、懸臂回轉(zhuǎn)、懸臂俯仰和溜筒伸縮等不同的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),除了溜筒可能與船艙、雨傘架等發(fā)生碰撞外,大車及懸臂也存在一定的碰撞隱患,特別是在無(wú)人化智能裝船系統(tǒng)中,需要整體考慮各部件的潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。如何根據(jù)不同的碰撞情景,作出正確及時(shí)的安全預(yù)警和動(dòng)作響應(yīng),合理設(shè)計(jì)碰撞情形下各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的聯(lián)鎖控制機(jī)制,對(duì)于提高裝船機(jī)安全性能和工作效率具有重要意義。

激光雷達(dá)是一種先進(jìn)感知硬件,具有探測(cè)范圍廣、分辨率高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)(輔助)駕駛、智能機(jī)器人和地形測(cè)繪等領(lǐng)域。因此提出基于激光雷達(dá)和智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)的自動(dòng)化裝船機(jī)防撞方案,可以實(shí)現(xiàn)裝船機(jī)工作時(shí)的全方位安全監(jiān)控和防撞預(yù)警,旨在提高散貨裝船機(jī)的安全性和港口的運(yùn)營(yíng)水平。

2 設(shè)計(jì)方案

該移動(dòng)可回轉(zhuǎn)式裝船機(jī)主要用于裝煤,裝船能力為1 500 t/h。有效工作運(yùn)行距離約為±70 m,最大行走速度30 m/min;回轉(zhuǎn)范圍為-90°～90°,最大回轉(zhuǎn)速度0.5 r/min;俯仰角度0～30°,最大俯仰速度3.6 m/min;溜筒伸縮行程4.5 m,最大伸縮速度5 m/min。裝船機(jī)工作中,大車沿軌道方向行走,懸臂沿旋轉(zhuǎn)中心軸回轉(zhuǎn)或在鋼索牽引下小角度俯仰,溜筒則沿豎直方向伸縮。根據(jù)不同機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),需要采取不同的雷達(dá)安裝方案,分別在大車4根立柱、懸臂兩側(cè)和溜筒上方共安裝7個(gè)半固態(tài)棱鏡架構(gòu)激光雷達(dá)。

所安裝的激光雷達(dá)能以自身為頂點(diǎn),向前方錐形空間內(nèi)發(fā)射探測(cè)信號(hào)(激光束),接收目標(biāo)反射回來(lái)的回波信號(hào)后,分析目標(biāo)物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息,輸出3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對(duì)于大車,安裝在前后4根立柱上的激光雷達(dá)能夠獲取行走軌道及其附近空間點(diǎn)云,可確保大車前進(jìn)、后退路線附近空間的全方面監(jiān)控;安裝在回轉(zhuǎn)平臺(tái)懸臂兩側(cè)的激光雷達(dá)能夠探測(cè)懸臂回轉(zhuǎn)及俯仰時(shí)附近空間點(diǎn)云,實(shí)現(xiàn)探測(cè)信號(hào)在懸臂運(yùn)動(dòng)維度內(nèi)全覆蓋;安裝在溜筒上方平臺(tái)的激光雷達(dá),可獲取溜筒筒身周圍及出口下方空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該方案所采用的激光雷達(dá)及其安裝方案,具有根據(jù)特定防撞場(chǎng)景分機(jī)構(gòu)停機(jī)的自適應(yīng)功能,可以實(shí)現(xiàn)裝船機(jī)工作過(guò)程中所有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的監(jiān)控,避免無(wú)關(guān)機(jī)構(gòu)停機(jī)影響機(jī)構(gòu)壽命及生產(chǎn)運(yùn)行效率,確保在所有潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)中進(jìn)行合理高效的安全預(yù)警、動(dòng)作響應(yīng)和多機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖控制。

3 智能防撞系統(tǒng)

3.1 大車防撞模塊

大車的防撞由點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與重構(gòu)、智能預(yù)警邏輯判斷、動(dòng)作指令分發(fā)三大模塊組成,其基本實(shí)現(xiàn)邏輯見(jiàn)圖1。

圖1 大車防撞功能實(shí)現(xiàn)邏輯

原始點(diǎn)云的獲取將根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需求調(diào)整識(shí)別區(qū)域,以剔除點(diǎn)云重構(gòu)過(guò)程中的無(wú)效點(diǎn)云數(shù)據(jù),從而減小點(diǎn)云數(shù)據(jù)量。應(yīng)用濾波算法和法向量規(guī)則摳除背景,劃分出異物點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為避免個(gè)別點(diǎn)云噪點(diǎn)對(duì)異物識(shí)別的判斷,將密度分簇算法用于處理異物點(diǎn)云數(shù)據(jù),從而劃分出異物,如果識(shí)別存在異物則進(jìn)入安全邏輯判斷。在安全邏輯判斷處理過(guò)程中,異物與大車之間的最小距離D被計(jì)算,用于判斷安全狀態(tài),安全狀態(tài)包含正常、預(yù)警、緊急停機(jī)3種情況。

其對(duì)應(yīng)的判斷規(guī)則為:D值將作為判別障礙物是否侵入到大車安全工作范圍的依據(jù),若D大于預(yù)警距離Dwarning,則大車正常工作;若D小于Dwarning,預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出響應(yīng)指令,設(shè)備相應(yīng)地發(fā)出警報(bào)和/或亮警報(bào)燈。

預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出響應(yīng)指令后會(huì)同步進(jìn)行下一步判別:若D大于等于停機(jī)距離Dshutdown,則保持警報(bào)和警燈閃爍,大車仍正常工作;若D小于Dshutdown,則系統(tǒng)進(jìn)入緊急停機(jī)狀態(tài),機(jī)器緊急停機(jī),并將程序識(shí)別的結(jié)果儲(chǔ)存,以便于工作人員快速排查障礙物。至此,一幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理分析與識(shí)別完成,程序自動(dòng)調(diào)取下一幀原始點(diǎn)云數(shù)據(jù),進(jìn)入新一輪的循環(huán)并覆蓋上一幀指令,從而實(shí)現(xiàn)防撞模塊的連續(xù)運(yùn)行。

3.2 懸臂防撞模塊

為實(shí)現(xiàn)懸臂防撞功能,需要對(duì)激光雷達(dá)掃描得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步處理與分析,并在相應(yīng)情況下實(shí)現(xiàn)障礙物識(shí)別,以及后續(xù)的預(yù)警響應(yīng)。防撞功能基本實(shí)現(xiàn)邏輯見(jiàn)圖2。

圖2 懸臂防撞功能實(shí)現(xiàn)邏輯

首先讀取雷達(dá)掃描得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù),再根據(jù)懸臂實(shí)際安全工作范圍對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剪除濾波、扣除背景、劃分出防撞監(jiān)控區(qū)域。由于懸臂工作時(shí)圍繞回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)或小角度俯仰運(yùn)動(dòng),即僅在接近與懸臂下平面平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),故對(duì)懸臂進(jìn)行幾何特征識(shí)別,采用隨機(jī)抽樣一致算法實(shí)現(xiàn)下平面的分割與提取;隨后,將整個(gè)監(jiān)控區(qū)域向該平面投影降維,此時(shí)懸臂應(yīng)具有明顯完整輪廓,可采用類聚算法將其與障礙物的點(diǎn)云簇進(jìn)行識(shí)別和區(qū)分。根據(jù)類聚算法結(jié)果,若返回類數(shù)目為1,表明只有懸臂投影存在,懸臂正常工作;若返回類數(shù)目大于1(即存在有不同于懸臂的其他障礙物的投影),則需根據(jù)與原點(diǎn)(激光雷達(dá)安裝位置)之間的特征關(guān)聯(lián)性識(shí)別出屬于懸臂投影的聚類。以距離特征為例,根據(jù)激光雷達(dá)安裝方案,懸臂應(yīng)與雷達(dá)相距最近,從點(diǎn)云投影上看,懸臂點(diǎn)云簇與原點(diǎn)距離接近0,借此可以簡(jiǎn)單識(shí)別出屬于懸臂本身的點(diǎn)云簇;再以懸臂投影為基準(zhǔn),計(jì)算其他障礙物投影到懸臂投影的最小距離D。

D值將作為判別障礙物是否侵入到懸臂安全工作范圍的依據(jù):若D大于二級(jí)預(yù)警距離Dwarning,則懸臂正常工作;若D小于Dwarning,預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出響應(yīng)指令,設(shè)備相應(yīng)地發(fā)出警報(bào)或亮警報(bào)燈。

防撞系統(tǒng)發(fā)出二級(jí)預(yù)警響應(yīng)時(shí),還需進(jìn)行下一步判別:若D大于等于一級(jí)預(yù)警距離Dshutdown,則保持警報(bào)和警燈閃爍,但懸臂仍正常工作;若D小于Dshutdown,則系統(tǒng)進(jìn)入一級(jí)預(yù)警狀態(tài),機(jī)器緊急停機(jī),并將程序識(shí)別的結(jié)果儲(chǔ)存,以便于工作人員快速排查障礙物。至此,一幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理分析與識(shí)別完成,程序自動(dòng)調(diào)取下一幀原始點(diǎn)云數(shù)據(jù),進(jìn)入新一輪的循環(huán)并覆蓋上一幀指令,從而實(shí)現(xiàn)防撞模塊的連續(xù)運(yùn)行。

3.3 溜筒防撞模塊

溜筒防撞功能目的是完成對(duì)船壁面、雨傘架等障礙物的識(shí)別,必要情況下對(duì)溜筒運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)出停機(jī)指令?；緦?shí)現(xiàn)邏輯見(jiàn)圖3。

圖3 溜筒防撞功能實(shí)現(xiàn)邏輯

第一步,讀取雷達(dá)掃描得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)初始點(diǎn)云坐標(biāo)變換以及編碼器數(shù)據(jù)完成溜筒出料口位置的實(shí)時(shí)定位;第二步,考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在大量煤灰,原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中有大量噪點(diǎn)干擾,通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)自帶的強(qiáng)度信息完成煤灰噪點(diǎn)的濾除;第三步,在已定位好的出料口圓心及已獲得溜筒工作區(qū)域的干凈點(diǎn)云基礎(chǔ)上,通過(guò)圓柱形搜索算法配合歐式聚類算法搜索溜筒周邊區(qū)域的點(diǎn)云,對(duì)于聚類成功的點(diǎn)云計(jì)算其位置及到溜筒的平面距離;第四步,根據(jù)異物點(diǎn)到溜筒的距離和位置,判斷是否發(fā)出對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)的停機(jī)指令。

周邊點(diǎn)云的位置,以出料口圓心和半徑作為搜索依據(jù),可分為3部分區(qū)域:安全區(qū)域(R>5 m)、減速區(qū)域(R=3～5 m)、急停區(qū)域(R<3 m)。如果急停區(qū)域存在異物的歐式類,則認(rèn)為有異物進(jìn)入溜筒工作區(qū)域,需要緊急停機(jī);同時(shí)根據(jù)異物的歐式類平均坐標(biāo)判斷異物方向。區(qū)域劃分見(jiàn)圖4,以溜筒中心為原點(diǎn),平行懸臂方向作為y軸、垂直懸臂方向作為x軸共劃分為4個(gè)區(qū)域,檢測(cè)到不同區(qū)域的異物則停止對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu);例如異物平均坐標(biāo)位于雷達(dá)坐標(biāo)的象限1,則發(fā)出懸臂右擺及大車右行的停機(jī)指令。如果急停區(qū)域內(nèi)沒(méi)有異物類,則繼續(xù)判斷異物類的位置;如果異物類在減速區(qū)域內(nèi),則發(fā)出減速提醒信號(hào);如果異物類在安全區(qū)域則判斷當(dāng)前溜筒可正常作業(yè)。

圖4 溜筒異物方向判斷示意圖

4 功能驗(yàn)證

基于激光雷達(dá)的散貨裝船機(jī)智能防撞系統(tǒng)搭建分為硬件與軟件部分。硬件部分主要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取和傳輸,軟件部分主要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理分析、防撞限位控制和信息顯示。數(shù)據(jù)處理分析和限位控制主要由數(shù)據(jù)處理服務(wù)器完成,防撞信息顯示主要由客戶端電腦完成。對(duì)硬件感知、數(shù)據(jù)處理、防撞判別響應(yīng)、界面顯示的完整流程進(jìn)行實(shí)際效果驗(yàn)證,確保裝船機(jī)防撞功能穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

大車根據(jù)行使方向調(diào)用行使方向上的2個(gè)激光雷達(dá),激光雷達(dá)自主獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。監(jiān)控范圍內(nèi)出現(xiàn)障礙物時(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和防撞識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖5,(a) 為監(jiān)控范圍出現(xiàn)障礙物的點(diǎn)云圖;(b)為濾波、裁剪后的重構(gòu)圖像;(c) 為經(jīng)大車防撞程序處理后識(shí)別到障礙物。分別設(shè)置Dwarning和Dshutdown值為5 m和3 m,在大車作業(yè)過(guò)程中與模擬障礙物間距離達(dá)到相應(yīng)預(yù)警值時(shí),均能準(zhǔn)確發(fā)出警報(bào)或者停機(jī)響應(yīng)。

圖5 大車防撞效果(以前進(jìn)為例)

懸臂總長(zhǎng)度約21 m,寬度約4 m,高度約2.1 m(不包括溜筒),尾端與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接處約3 m,故根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置懸臂單側(cè)監(jiān)控范圍為長(zhǎng)18 m×寬9 m×高6 m,左右兩側(cè)激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)兩側(cè)監(jiān)控范圍的覆蓋。監(jiān)控范圍內(nèi)出現(xiàn)障礙物時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和防撞識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖6,(a) 為監(jiān)控范圍出現(xiàn)障礙物的點(diǎn)云圖;(b) 為經(jīng)懸臂防撞程序處理后識(shí)別到障礙物。分別設(shè)置Dwarning和Dshutdown值為4 m和2 m,在懸臂作業(yè)過(guò)程中與模擬障礙物間距離達(dá)到相應(yīng)預(yù)警值時(shí),均能準(zhǔn)確發(fā)出警報(bào)或者停機(jī)響應(yīng)。

圖6 懸臂(左側(cè))防撞效果

實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中,溜筒防撞某時(shí)間段在同一監(jiān)控區(qū)域的識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖7(深色部分為識(shí)別的到點(diǎn)云)。對(duì)比以下3幅圖片,可以發(fā)現(xiàn)異物(船艙壁面)只有在搜索半徑5 m區(qū)域內(nèi)能被搜索到,判定溜筒此時(shí)無(wú)碰撞風(fēng)險(xiǎn),可以照常工作。

圖7 溜筒防撞程序識(shí)別的不同區(qū)域障礙物

客戶端界面主要由裝船機(jī)信息模塊、裝船泊位俯視模塊、船舶三維點(diǎn)云模塊和各機(jī)構(gòu)防撞信息模塊組成。各機(jī)構(gòu)防撞信息模塊劃分為大車左右行、懸臂左右擺和溜筒防撞,3類運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不同方向的防撞預(yù)警信息實(shí)時(shí)顯示;船舶三維點(diǎn)云模塊顯示裝船過(guò)程的實(shí)時(shí)三維點(diǎn)云圖;裝船泊位俯視模塊以俯視視角顯示溜筒與船艙的相對(duì)位置;裝船機(jī)信息模塊顯示裝船機(jī)位置的相關(guān)參數(shù)。此外,運(yùn)行人員可自定義3類運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的防撞范圍、報(bào)警和限位停機(jī)距離。根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的防撞測(cè)試,主界面均能顯示相應(yīng)的預(yù)警結(jié)果,界面顯示功能穩(wěn)定可靠,該智能防撞系統(tǒng)取得了良好的實(shí)施效果。

5 結(jié)語(yǔ)

港口智能化是港口行業(yè)發(fā)展方向。基于激光雷達(dá)的散貨裝船機(jī)智能防撞系統(tǒng)綜合考慮大車、懸臂、溜筒等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn),借助先進(jìn)激光雷達(dá)的高精度感知能力和智能數(shù)據(jù)處理程序的高效性,可為裝船機(jī)的安全可靠運(yùn)行提供保障。