關(guān) 坤

（天津港中煤華能煤碼頭有限公司，天津 300459）

0 引言

為了提高門(mén)座式起重機(jī)作業(yè)的安全性和效率，并適應(yīng)快速變化的生產(chǎn)需求，無(wú)人自動(dòng)化技術(shù)成為解決方案之一。以門(mén)座式起重機(jī)為對(duì)象，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)一種基于無(wú)人自動(dòng)化的路徑規(guī)劃系統(tǒng)，使門(mén)座式起重機(jī)能夠自主感知、規(guī)劃和執(zhí)行起重作業(yè)。通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)門(mén)座式起重機(jī)在裝卸中的自主化操作并提高作業(yè)的安全性和效率。

1 系統(tǒng)組成

門(mén)座式起重機(jī)無(wú)人自動(dòng)化的路徑規(guī)劃系統(tǒng)主要由上位機(jī)、門(mén)座式起重機(jī)無(wú)人自動(dòng)化的路徑規(guī)劃算法軟件、門(mén)座機(jī)、三維建模與動(dòng)作規(guī)劃系統(tǒng)、圖像傳感器和激光傳感器6 個(gè)部分組成。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

其中，上位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)發(fā)送指令和接收反饋信息。它與路徑規(guī)劃算法軟件進(jìn)行通信，將計(jì)算得到的路徑規(guī)劃結(jié)果發(fā)送給門(mén)座機(jī)；路徑規(guī)劃算法軟件運(yùn)行在上位機(jī)中，根據(jù)輸入的起點(diǎn)、終點(diǎn)、障礙物等信息，計(jì)算出起重機(jī)運(yùn)動(dòng)的最佳路徑；門(mén)座機(jī)通過(guò)接收上位機(jī)發(fā)送的路徑規(guī)劃結(jié)果，控制起重機(jī)沿著規(guī)劃路徑執(zhí)行移動(dòng)和起重操作，同時(shí)門(mén)座機(jī)可以通過(guò)各種傳感器獲取自身狀態(tài)和環(huán)境信息，并將其反饋給上位機(jī)；三維建模與動(dòng)作規(guī)劃系統(tǒng)用于創(chuàng)建場(chǎng)景模型和規(guī)劃起重機(jī)運(yùn)動(dòng)，它可以對(duì)起重機(jī)和環(huán)境進(jìn)行三維建模，并基于這些模型進(jìn)行動(dòng)作規(guī)劃，生成可執(zhí)行的路徑規(guī)劃；圖像傳感器和激光傳感器用于獲取環(huán)境信息和起重機(jī)狀態(tài)并提供給路徑規(guī)劃算法軟件使用，以幫助生成合適的路徑規(guī)劃。

2 設(shè)計(jì)思路

三維激光雷達(dá)建模系統(tǒng)通過(guò)使用圖像傳感器、激光傳感器對(duì)門(mén)座式起重機(jī)周?chē)沫h(huán)境信息進(jìn)行建模，路徑規(guī)劃系統(tǒng)通過(guò)建模系統(tǒng)給出的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)算法規(guī)劃出物料區(qū)、過(guò)道區(qū)、甲板區(qū)、船艙區(qū)和障礙物區(qū)5 個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)再根據(jù)不同的區(qū)域匹配不同的處理策略。由于物料區(qū)周邊有建筑，使物料區(qū)的大小受抓斗高度的影響，因此這里把物料區(qū)坐標(biāo)系Z 軸相分成兩個(gè)區(qū)域：MZ1（底層區(qū)域）和MZ2（高層區(qū)域），由于地面建筑物的影響，MZ1 底層區(qū)域工作區(qū)域相對(duì)較小，而MZ2 高層區(qū)域工作區(qū)域則相對(duì)較大。把船艙區(qū)分為船艙下方CZ1 區(qū)和船艙上方CZ2 區(qū)，抓斗和船艙4 個(gè)邊需要保持一定的安全距離，因此，系統(tǒng)會(huì)在抓斗閉合和打開(kāi)時(shí)判斷抓斗的最大外徑（抓斗閉合狀態(tài)和打開(kāi)狀態(tài)的外徑不一致），并在此基礎(chǔ)上判斷抓斗是否可以安全下降至船艙內(nèi)。當(dāng)進(jìn)行卸船操作時(shí)抓斗已進(jìn)入船艙內(nèi)部，此時(shí)以抓斗的中心點(diǎn)作為坐標(biāo)O 點(diǎn)進(jìn)行參考，判斷抓斗與船艙4 邊是否為安全距離，從而確保門(mén)座式起重機(jī)卸船作業(yè)操作的安全性。完成門(mén)座式起重機(jī)的路徑規(guī)劃需要實(shí)現(xiàn)以下3 點(diǎn)要求：

（1）將抓斗的多個(gè)動(dòng)作流程之間引入兩軸聯(lián)動(dòng)和3軸聯(lián)動(dòng)，旨在提高門(mén)座式起重機(jī)裝卸船的作業(yè)效率，使其更接近于人工作業(yè)時(shí)的動(dòng)作流程。例如，當(dāng)抓斗需要進(jìn)入MZ2 區(qū)時(shí)，可以同時(shí)進(jìn)行支撐、旋轉(zhuǎn)和變幅動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)3 軸聯(lián)動(dòng)，從而節(jié)省30～50 s 的時(shí)間。當(dāng)抓斗向CZ1區(qū)移動(dòng)時(shí)，只需進(jìn)入CZ2 區(qū)域就可以下放抓斗，實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)省約5～10 s 的時(shí)間。此外，當(dāng)抓斗從MZ2 區(qū)域移動(dòng)到CZ2 區(qū)域時(shí)，如果甲板區(qū)域存在障礙物，則可以計(jì)算出安全旋轉(zhuǎn)角度，然后基于計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)增幅和旋轉(zhuǎn)的兩軸聯(lián)動(dòng)，從而節(jié)省5～10 s 的時(shí)間。圖2a）展示了抓斗在X、Y 軸坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡，模擬了抓斗從A 點(diǎn)向B 點(diǎn)的移動(dòng)過(guò)程。其中，實(shí)線(xiàn)表示未采用多軸聯(lián)動(dòng)方案，而虛線(xiàn)表示采用多軸聯(lián)動(dòng)方案，粗實(shí)線(xiàn)表示兩種方案的重疊部分。由圖可見(jiàn)，多軸聯(lián)動(dòng)方案下的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)更平滑，路徑最短，加減速所消耗的時(shí)間最少，避免了通過(guò)A→C→D→B 的作業(yè)路徑，效果非常理想，工作效率也更加高效。圖2b）顯示了抓斗在Y、Z 軸坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡，同樣包括抓斗從A 點(diǎn)向B點(diǎn)的移動(dòng)。由圖2b）可見(jiàn)兩條路徑形成了一個(gè)類(lèi)似直角三角形的圖案，通過(guò)幾何分析可知直角三角形的斜邊相較于兩直角邊之和長(zhǎng)度更短，因此規(guī)劃出了最短路徑，節(jié)省了一段門(mén)機(jī)加、減速的時(shí)間，同樣達(dá)成了更高效的工作。綜上可得出門(mén)機(jī)作業(yè)時(shí)采用多軸聯(lián)動(dòng)方案可以大大縮短單次作業(yè)的工作周期，顯著提高了工作效率。

圖2 多軸聯(lián)動(dòng)示意

（2）由于在作業(yè)的過(guò)程中地圖中會(huì)存在一定數(shù)量的障礙物，并且障礙物有高低不等、大小不一的情況。為了避免抓斗與障礙物發(fā)生碰撞妨礙作業(yè)的正常進(jìn)行，系統(tǒng)在每次動(dòng)作前都會(huì)先計(jì)算好門(mén)座式起重機(jī)下一次的動(dòng)作的目標(biāo)點(diǎn)，再根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)來(lái)規(guī)定門(mén)座式起重機(jī)作業(yè)的行動(dòng)軌跡。同時(shí)貨船的種類(lèi)也具有多樣性，常見(jiàn)的船型中有一些特殊部件可視為障礙物，例如豎直打開(kāi)的艙門(mén)蓋、操作開(kāi)啟艙門(mén)的吊機(jī)等。豎直開(kāi)啟的艙門(mén)蓋高度通常高于甲板高度3～4 m，針對(duì)這種作業(yè)情況，根據(jù)門(mén)座式起重機(jī)?？康奈恢貌煌煞譃? 種不同的處理方案。

第一種艙口區(qū)域和過(guò)道區(qū)域直接相連的情況，此時(shí)系統(tǒng)通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)判斷門(mén)座式起重機(jī)作業(yè)路徑中不存在艙門(mén)蓋、操作開(kāi)啟艙門(mén)的吊機(jī)等障礙物，因此抓斗可以以直線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡從甲板區(qū)進(jìn)入CZ2（艙口區(qū)）。該情況最為理想，無(wú)需系統(tǒng)進(jìn)行路徑的演算從而實(shí)現(xiàn)避障操作，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)算資源消耗最小。門(mén)機(jī)抓斗無(wú)避障運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)如圖3 所示。

圖3 無(wú)避障運(yùn)行路線(xiàn)

第二種是路徑中存在障礙物的情況，系統(tǒng)首先判斷障礙物在坐標(biāo)系中的位置，并通過(guò)抓斗和占該物各自在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算出抓斗運(yùn)行的最優(yōu)路徑。如果出現(xiàn)路徑上的內(nèi)側(cè)距離不足以讓抓斗安全通過(guò)、并且此時(shí)障礙物高度過(guò)高無(wú)法越過(guò)的情況，系統(tǒng)將采用繞過(guò)避障的方法，根據(jù)障礙物的位置和高度，計(jì)算出一條繞行路徑，使抓斗能夠安全地繞過(guò)障礙物，繼續(xù)完成裝卸作業(yè)。該方案可以有效地應(yīng)對(duì)路徑中的障礙物，保證抓斗與障礙物之間有足夠的安全距離，避免碰撞和損壞的發(fā)生，從而保護(hù)貨物和設(shè)備的完整性，確保裝卸船流程的順利進(jìn)行，提高裝卸船流程的效率和安全性。門(mén)座式起重機(jī)抓斗繞過(guò)避障運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)如圖4 所示。

圖4 繞行避障路線(xiàn)

第三種是過(guò)道與甲板區(qū)之間存在艙門(mén)的情況，如果采用方法二的繞過(guò)避障法則需要抓斗進(jìn)行大幅度的擺動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)，需要額等待抓斗停止晃動(dòng)的時(shí)間，并且抓斗加、減速也需要消耗時(shí)間，總體工作流程所需要的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于提升工作效率?？紤]到艙門(mén)高度在門(mén)機(jī)抓手可跨越的高度范圍內(nèi)，因此此時(shí)采用越過(guò)避障法最為合適，系統(tǒng)判斷抓斗提升高度至高于艙門(mén)避開(kāi)障礙后才可進(jìn)入CZ2（艙口區(qū)），門(mén)座式起重機(jī)只需提升抓斗高度并以直線(xiàn)軌跡越過(guò)艙門(mén)再落下抓斗即可完成避障操作，從而順利完成裝卸船作業(yè)。處于該情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整門(mén)座式起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)策略，避免抓斗與艙門(mén)發(fā)生碰撞或其他意外情況，實(shí)現(xiàn)維護(hù)作業(yè)的安全性，并且節(jié)省了額外的移動(dòng)時(shí)間和路徑長(zhǎng)度，達(dá)到了提升工作效率的效果。需要注意的是，越過(guò)避障法只適用于艙門(mén)高度較低并且抓斗提升高度足夠的情況。如果艙門(mén)高度過(guò)高或抓斗提升高度不足，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)采用繞過(guò)避障的方法。門(mén)座式起重機(jī)抓斗越過(guò)避障運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)如圖5 所示。

圖5 越行避障

（3）在裝卸船流程之間加入了多個(gè)位置和動(dòng)作之間的互鎖。首先，系統(tǒng)會(huì)先計(jì)算抓斗的安全高度，并判斷是否在安全范圍內(nèi)。如果抓斗的高度不在安全范圍內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)將其提升至安全高度，以確保與甲板之間有足夠的安全距離。這樣可以避免抓斗在移動(dòng)過(guò)程中與甲板發(fā)生刮蹭或碰撞，保護(hù)貨物和設(shè)備的完整性；另外，在變幅位置的移動(dòng)前，系統(tǒng)會(huì)將其縮回至安全位置。這樣可以確保與旁邊的門(mén)機(jī)之間留有足夠的安全距離，避免發(fā)生刮蹭或碰撞。這種互鎖機(jī)制可以有效防止門(mén)機(jī)之間的干擾，保證每臺(tái)門(mén)機(jī)都能按照預(yù)定路徑和動(dòng)作進(jìn)行作業(yè)，避免意外事故的發(fā)生；當(dāng)抓斗和變幅位置都滿(mǎn)足安全條件時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)允許進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。如果其中一個(gè)條件不滿(mǎn)足，系統(tǒng)會(huì)立即停止旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行必要的調(diào)整，直到抓斗和變幅位置都處于安全狀態(tài)。這種互鎖機(jī)制確保了不同位置和動(dòng)作之間的協(xié)調(diào)性，避免了可能的碰撞或損壞，保障了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

通過(guò)引入這些位置和動(dòng)作之間的互鎖機(jī)制，路徑規(guī)劃系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的安全控制，減少門(mén)座式起重機(jī)運(yùn)作過(guò)程中錯(cuò)誤和意外事故的發(fā)生。這種增加了系統(tǒng)安全性、可靠性和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)，使門(mén)座式起重機(jī)裝卸船作業(yè)的流程更加高效、平穩(wěn)和安全。

3 結(jié)束語(yǔ)

門(mén)座式起重機(jī)無(wú)人自動(dòng)化的路徑規(guī)劃系統(tǒng)是由上位機(jī)、路徑規(guī)劃算法軟件、門(mén)座機(jī)、三維建模與動(dòng)作規(guī)劃系統(tǒng)、圖像傳感器和激光傳感器6 個(gè)部分組成，這些部分之間密切協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)門(mén)座式起重機(jī)無(wú)人自動(dòng)化的路徑規(guī)劃系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)通過(guò)采用多軸聯(lián)動(dòng)方案和多重避障策略，實(shí)現(xiàn)了抓斗在物料區(qū)、過(guò)道區(qū)、甲板區(qū)、船艙區(qū)和障礙物區(qū)之間的高效、安全移動(dòng)和裝卸船操作。同時(shí)，系統(tǒng)還引入位置和動(dòng)作之間的互鎖機(jī)制，確保門(mén)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的安全性和穩(wěn)定性。這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和功能極大地提高了門(mén)座式起重機(jī)裝卸船操作的作業(yè)效率，為裝卸船流程的順利進(jìn)行提供了強(qiáng)有力的支持。同時(shí)，該系統(tǒng)的使用可以避免裝卸船過(guò)程中可能發(fā)生的碰撞或其他意外情況，為門(mén)座式起重機(jī)無(wú)人自動(dòng)化作業(yè)的安全提供了強(qiáng)有力的保障。