自動化集裝箱碼頭AGV防撞技術

上海國際港務(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

洋山深水港四期自動化碼頭是目前最大的自動化集裝箱碼頭，AGV(Automated Guided Vehicle，自動導引車)取代傳統(tǒng)集卡成為碼頭主要的水平運輸設備[1]，AGV在VMS(Vehicle Management System，車隊調(diào)度系統(tǒng))的調(diào)度下，自動按照既定的運行軌跡行駛，完成集裝箱的中轉任務。在自動化碼頭中，AGV動作頻繁、工況復雜，需要與岸橋、場橋進行大量的交互作業(yè)。為了避免與碼頭上其他的設備設施發(fā)生碰撞，AGV自身的防撞技術顯得格外重要，不僅要確保AGV在運行過程中的安全，也要確保在不同交互工況下各類設備及人員的安全[2]。目前，主要的單機保護措施有激光器保護、超聲波傳感器保護、機械防撞保護3種模式。

洋山深水港四期碼頭地理環(huán)境較復雜，濕度、鹽霧較大，整體自然環(huán)境相對較差，對各類傳感器精度影響很大。無論是激光器還是超聲波傳感器，在雨天霧天可能會誤報故障；表面灰塵雜物、設備安裝精度、碼頭作業(yè)震動等因素也會影響設備的正常工作，因此需要構建完善的防撞系統(tǒng)，保障作業(yè)安全。

2 主要防撞技術

2.1 單機保護措施

(1)激光器保護

激光防撞傳感器安裝時中心位置距離地面0.916 m，且處在水平位置，可以掃描-5°～185°的一個平面，掃描距離0.7 ～80 m(見圖1)。采用成熟的激光-時間飛行原理及多重回波技術，可掃描某一區(qū)域，并根據(jù)區(qū)域內(nèi)各個點與掃描儀的相對位置，返回其測量值。激光防撞傳感器測量數(shù)據(jù)為極坐標形式，返回的為測量物體與傳感器的相對距離及角度。通常情況下，激光防撞傳感器感應到障礙物對應在7.5 m處減速，在1.5 m處停車。

激光器對設備安裝精度要求較高，若固定螺絲松動會對其測量精度造成影響。在頂升支架區(qū)域內(nèi)，反光板的安裝精度要求也比較高，且激光反光板表面可能會因有吊具落下的油污等對激光器造成影響，因此也要按時清潔，保養(yǎng)任務比較繁雜。

(2)超聲波傳感器保護

超聲波保護是在AGV在頂升支架區(qū)域內(nèi)特有的保護。超聲波傳感器會檢測前方一段距離內(nèi)是否有障礙物，若支架上本身已有集裝箱而系統(tǒng)調(diào)度AGV帶載進入支架時，超聲波傳感器將檢測到支架上的障礙物，控制器根據(jù)超聲波傳感器的返回值發(fā)出AGV急停指令，使AGV緊急停車，從而起到保護作用。

圖1 激光測距儀掃描面積

(3)機械防撞保護

保險杠作為最基本的保護措施，是AGV最后一道防線，當保險杠受到外力時，常感應限位脫開，AGV車輪抱閘停車。

2.2 系統(tǒng)保護

AGV車隊由VMS統(tǒng)一調(diào)度，VMS在接受TOS(Terminal Operation System，碼頭管理系統(tǒng))發(fā)出的任務后規(guī)劃路徑，發(fā)送指令給AGV，AGV利用安裝于車輛前后的導航天線識別埋在碼頭地面下的磁釘，從而獲取當前位置，并結合AGV起始位置、當前車輛速度以及行駛方向等，計算當前姿態(tài)并將數(shù)據(jù)反饋給VMS，由VMS生成鎖閉區(qū)。鎖閉區(qū)分為自身鎖閉區(qū)(Self)、已申請鎖閉區(qū)(Claim)以及嘗試申請鎖閉區(qū)(Try Lock)3類。Self區(qū)包含了車體自身的區(qū)域，需保證任何工況下的車體覆蓋；Claim區(qū)對應當前AGV已經(jīng)獨占的鎖閉區(qū)；Try Lock區(qū)對應當前嘗試申請的鎖閉區(qū)。

帶載的AGV質(zhì)量較大，相同速度下慣性較大，所以針對不同的工況，系統(tǒng)對AGV的速度做出了限制(見表1)。

表1 AGV工況對應表

3 不同工況下的防撞技術應用

3.1 AGV的基本運行狀態(tài)

根據(jù)AGV的運行狀態(tài)，激光保護分為直行保護、斜行保護、轉彎保護3種主要類型。激光保護基于多邊形區(qū)域的障礙物檢測，多邊形區(qū)域的選擇以AGV完成相關運行動作時，AGV車身外輪廓形成的包絡線為原型。考慮到AGV運行中存在的位置誤差以及激光器的探測誤差，對輪廓包絡線進行調(diào)整，可以提前檢測到AGV運行路徑上出現(xiàn)的障礙物，并根據(jù)車速、載重等信息，計算可控停車和緊急停車的臨界距離。

3.2 AGV的工作環(huán)境

(1)碼頭前方作業(yè)區(qū)

AGV水平運輸作業(yè)區(qū)布置在岸橋陸側軌后，由裝卸區(qū)、緩沖區(qū)和行駛區(qū)3個功能區(qū)組成[3](見圖2)。

裝卸區(qū)位于岸橋后伸距下方，裝卸車道為單向布置，采用1臺岸橋?qū)鄺l裝卸車道的作業(yè)方式。

結合岸橋的吊具形式，裝卸區(qū)的車道數(shù)定為7條，其中4條為裝卸車道，3條為穿越車道。AGV在裝卸區(qū)完成裝卸后穿越車道轉彎進入緩沖區(qū)，然后根據(jù)控制系統(tǒng)指令進入相應的行駛車道和指定箱區(qū)。行駛區(qū)車道采用雙向布置，設6條車道，雙向各3條車道(見圖3)。

圖2 碼頭前方作業(yè)區(qū)

圖3 AGV在碼頭生產(chǎn)區(qū)的鎖閉形式

(2)自動化堆場交互區(qū)

AGV進入支架采用線性擬合及距離防撞法[4]。AGV 在支架區(qū)域的運動過程中，前后2 個180°防撞傳感器可以探測到預先安裝在支架側邊的防撞板。防撞傳感器實時采集防撞板有效范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行干擾濾波后，利用線性擬合的方法求取防撞板在傳感器坐標系中的直線方程。通過計算AGV 輪廓的4 個頂點到防撞板直線方程的距離，判斷AGV 是否離支架太近，若太近，將觸發(fā)安全模塊，使AGV停車，從而避免碰撞事故的發(fā)生。

在AGV進入支架過程中，避障系統(tǒng)使用SICK數(shù)據(jù)，構建矩形區(qū)域，實時檢測是否有障礙物在支架內(nèi)部，將AGV 防撞包圍盒實時投影到碼頭磁釘坐標系中,比較AGV 防撞包圍盒與緩沖支架防撞包圍盒兩者之間是否存在重疊。若2個包圍盒出現(xiàn)重疊部分，代表AGV 與緩沖支架距離太近，將會觸發(fā)防撞安全控制器。

4 結語

盡管AGV防撞保護使用了多種技術和措施，但仍然存在部分盲區(qū)，如車身中間兩側等區(qū)域，因此在自動化區(qū)域內(nèi)仍要盡可能地保持AGV作業(yè)環(huán)境良好，避免其在運行過程中受到影響，造成部件損壞。