雜貨碼頭門座起重機(jī)自動(dòng)化改造關(guān)鍵技術(shù)

遲金生

國(guó)能黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司

1 引言

門座起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱門機(jī))作為大型機(jī)械裝備，因其具有作業(yè)范圍較大、裝卸效率高、操作方便等特點(diǎn)，大量裝備于碼頭作業(yè)區(qū)[1]。門機(jī)傳統(tǒng)作業(yè)方式是依靠司機(jī)室內(nèi)的操作人員進(jìn)行操控，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，作業(yè)效率不能保證，安全風(fēng)險(xiǎn)隱患大。為了適應(yīng)當(dāng)今港口的發(fā)展需求，需要提高門機(jī)的自動(dòng)化、智能化、信息化水平，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升作業(yè)安全水平和作業(yè)效率。

2 物料及船型識(shí)別技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)門機(jī)自動(dòng)化，系統(tǒng)需直接對(duì)前端傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出作業(yè)的關(guān)鍵信息，控制系統(tǒng)直接調(diào)度執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行精確的定位、取料、卸料等操作。對(duì)于貨船而言，需要對(duì)船體的主要特征進(jìn)行精確識(shí)別和定位，例如船舷高度、艙口位置、物料高度等信息。為此，運(yùn)用激光云臺(tái)掃描設(shè)備對(duì)船體進(jìn)行掃描和建模，并對(duì)建模數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取[2]。

2.1 3D激光云臺(tái)掃描設(shè)備工作方式

在門機(jī)司機(jī)室附近安裝1臺(tái)激光云臺(tái)掃描設(shè)備，用于識(shí)別船舶艙口位置、船舷高度、物料、裝卸位置等。云臺(tái)配置阻尼和重錘，抗振動(dòng)性能良好，通過云臺(tái)動(dòng)態(tài)控制激光雷達(dá)掃描俯仰角度范圍，掃描區(qū)域可覆蓋艙口以及作業(yè)片區(qū)物料等區(qū)域，保證對(duì)識(shí)別目標(biāo)數(shù)據(jù)采集的完整性。數(shù)據(jù)通過RS485接入工控機(jī)，進(jìn)行建模。

采用激光雷達(dá)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，結(jié)合相關(guān)算法，對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，結(jié)合所需識(shí)別目標(biāo)的特征結(jié)構(gòu)，在降噪后的數(shù)據(jù)中匹配特征點(diǎn)，通過特征點(diǎn)劃定目標(biāo)物體在激光視角中的空間中的位置[3]。結(jié)合空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將激光視角下的空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為實(shí)際大地物理坐標(biāo)系，準(zhǔn)確定位艙口、船舷甲板、物料區(qū)域等特征目標(biāo)的實(shí)際物理坐標(biāo)位置，確保PLC對(duì)各電氣以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的精準(zhǔn)定位控制，完成門機(jī)自動(dòng)化作業(yè)流程。

2.2 空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化

根據(jù)剛體變換原理，對(duì)于任意一個(gè)點(diǎn)(向量)V，假定其在2個(gè)坐標(biāo)系下的表示分別為Va、Vb，2個(gè)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為Rab，平移向量為tab，則有：

Va=RabVb+tab

(1)

如果采用齊次坐標(biāo)形式，設(shè)兩坐標(biāo)系之間的變換矩陣為Tab，則有：

(2)

因此，有：

Va=TabVb

(3)

從激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)，到轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)系下的點(diǎn)云，存在多個(gè)坐標(biāo)系的變換。將坐標(biāo)系進(jìn)行細(xì)分，包括激光掃描儀坐標(biāo)系、云臺(tái)轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系、云臺(tái)基座坐標(biāo)系、門機(jī)回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)系、門機(jī)坐標(biāo)系。整個(gè)坐標(biāo)系采用變換矩陣的方式表示，根據(jù)D-H變換原理進(jìn)行變換。

2.3 電氣和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作精準(zhǔn)定位控制

在門機(jī)自動(dòng)運(yùn)行過程中，各機(jī)構(gòu)的定位系統(tǒng)十分重要，只有機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確定位，方可進(jìn)行自動(dòng)起升、行走、變幅及回轉(zhuǎn)。各機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的位置檢測(cè)方式，運(yùn)用高精度絕對(duì)值多圈總線編碼器、智能角度檢測(cè)等裝置，以及RFID、衛(wèi)星差分定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)門機(jī)空間位置的實(shí)時(shí)精確定位。門機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)接收門機(jī)的定位及控制狀態(tài)信息、位置信息和機(jī)械狀態(tài)信息，判斷門機(jī)的安全狀態(tài)，進(jìn)行半自動(dòng)或全自動(dòng)作業(yè)。具體配置為：

(1)起升機(jī)構(gòu)安裝絕對(duì)值編碼器，計(jì)算起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行距離，從而得到起升機(jī)構(gòu)的位置信息。

(2)變幅機(jī)構(gòu)通過絕對(duì)值編碼器測(cè)量變幅角度，根據(jù)變幅角度和臂架長(zhǎng)度，計(jì)算出臂架各位置的高度；同時(shí)在大臂下鉸鏈處安裝角度傳感器，作為變幅機(jī)構(gòu)絕對(duì)值編碼器的冗余檢測(cè)方式。

(3)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要在大齒圈上安裝一個(gè)小的從動(dòng)齒輪，該齒輪與主齒圈配合旋轉(zhuǎn)；在從動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)軸處安裝多圈絕對(duì)值編碼器，通過編碼器的讀數(shù)可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)角度計(jì)算。在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定裝置上安裝2個(gè)電感式接近開關(guān)，2個(gè)開關(guān)間的角度為90°。在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的平臺(tái)上增加1個(gè)感應(yīng)塊，每個(gè)電感式接近開關(guān)感應(yīng)到感應(yīng)塊的位置為固定回轉(zhuǎn)角度，即+45°和-45°。當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)角度時(shí)，對(duì)應(yīng)的感應(yīng)開關(guān)動(dòng)作，給回轉(zhuǎn)角度編碼器進(jìn)行賦值，從而實(shí)現(xiàn)位置校正。

(4)行走機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪上安裝絕對(duì)值編碼器，通過從動(dòng)輪的恒定半徑計(jì)算移動(dòng)的距離?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣，軌道上有粉塵等雜質(zhì)，經(jīng)過車輪反復(fù)碾壓后可能會(huì)粘連在車輪表面，從而導(dǎo)致在運(yùn)行過程中測(cè)量值不準(zhǔn)確，所以安裝了RFID磁釘系統(tǒng)，用來讀取碼頭預(yù)埋載碼體信息，磁釘讀寫傳感器根據(jù)感應(yīng)磁釘?shù)膬?nèi)容，計(jì)算行走距離，對(duì)編碼器的數(shù)值進(jìn)行校準(zhǔn)。載碼體的安裝可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況按照5～10 m的距離間隔進(jìn)行布置[4]。

3 障礙物識(shí)別技術(shù)

在門機(jī)全自動(dòng)作業(yè)過程中，系統(tǒng)需要自動(dòng)判斷運(yùn)行路線上的障礙物情況，并在有障礙物時(shí)進(jìn)行自動(dòng)停機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)障礙物識(shí)別，將2個(gè)Sick 511激光掃描儀(2D)+伺服云臺(tái)安裝于機(jī)上電氣房左右兩側(cè)；在門機(jī)象鼻梁前端，安裝多線激光掃描儀(3D)。通過3個(gè)激光掃描儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)門機(jī)自動(dòng)運(yùn)行過程中空間范圍的動(dòng)態(tài)保護(hù)。

3.1 激光掃描儀工作方式

在門機(jī)自動(dòng)作業(yè)的過程中，激光掃描儀云臺(tái)轉(zhuǎn)軸隨門機(jī)的回轉(zhuǎn)自動(dòng)向外調(diào)整其掃描方向。在門機(jī)回轉(zhuǎn)停止的情況下，掃描面平行于臂架方向，指向正前方；在門機(jī)向左或向右以最大回轉(zhuǎn)速度回轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)側(cè)掃描儀的掃描面自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定義的最大角度，形成一定的掃描面提前量，在檢測(cè)到運(yùn)行路線上有障礙物時(shí)，生成報(bào)警信息，傳遞給PLC控制系統(tǒng)，使回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)逐漸減速至停止，避免與障礙物發(fā)生碰撞。

3.2 多線激光掃描儀工作方式

在象鼻梁頭部安裝1臺(tái)多線激光掃描儀，水平方向掃描范圍是360°，垂直方向掃描范圍近30°。在門機(jī)運(yùn)行的任意階段，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)防護(hù)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)目，在超過閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，上位機(jī)信息反饋給PLC。

3.3 障礙物識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)

門機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，防撞模塊同時(shí)啟動(dòng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)空間障礙物情況。PLC將回轉(zhuǎn)速度及方向、臂架幅度、抓斗高度等信息通過TCP協(xié)議實(shí)時(shí)傳輸至工控機(jī)，工控機(jī)依此實(shí)時(shí)調(diào)整各掃描儀的掃描角度，劃定合適的防護(hù)范圍，并對(duì)防護(hù)區(qū)域內(nèi)的障礙物情況進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果信號(hào)通過TCP協(xié)議實(shí)時(shí)反饋至PLC控制系統(tǒng)，控制門機(jī)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。

4 視頻電子圍欄技術(shù)

在回轉(zhuǎn)平臺(tái)正對(duì)陸側(cè)安裝1臺(tái)防入侵?jǐn)z像頭，根據(jù)視野內(nèi)料斗位置自動(dòng)劃定警戒區(qū)域，有人員或車輛進(jìn)入警戒區(qū)域，發(fā)出報(bào)警信號(hào)到PLC系統(tǒng)。具體包括以下功能:

(1)目標(biāo)檢測(cè)，通過圖像特征檢測(cè)的方式檢測(cè)出視野范圍內(nèi)的人和車。使用特征檢測(cè)的目的是為了剔除人和車以外的目標(biāo)引起的誤報(bào)警。若不使用特征檢測(cè)，而是使用當(dāng)前畫面與背景畫面對(duì)比方式進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，在作業(yè)過程中，可能會(huì)出現(xiàn)由抓斗、云朵影子、物料傾瀉過程中出現(xiàn)的灰塵、門機(jī)的影子等引起的誤報(bào)警。

(2)區(qū)域入侵報(bào)警。當(dāng)有既定目標(biāo)(人和車)進(jìn)入或出現(xiàn)在料斗附近區(qū)域內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并顯示引起報(bào)警的物體在攝像機(jī)畫面中的位置、尺寸和類別。料斗區(qū)域附近是指離料斗的距離小于指定參數(shù)ParExt的區(qū)域，目前暫定的ParExt值為2。既定目標(biāo)部分進(jìn)入或出現(xiàn)在入侵區(qū)域中也會(huì)觸發(fā)報(bào)警。當(dāng)目標(biāo)從區(qū)域中離開或者消失時(shí)，報(bào)警解除。

(3)報(bào)警處理。當(dāng)出現(xiàn)入侵報(bào)警時(shí)，停止作業(yè)，以防止事故的發(fā)生；當(dāng)報(bào)警解除時(shí)，作業(yè)繼續(xù)進(jìn)行。具體分為2種情況：①抓斗移動(dòng)到料斗上方準(zhǔn)備開斗卸料時(shí)，若存在入侵報(bào)警，則不進(jìn)行開斗作業(yè)；②在開斗作業(yè)過程中，若出現(xiàn)報(bào)警，則停止作業(yè)或進(jìn)行其他能夠減少危害的措施。

5 結(jié)語(yǔ)

該技術(shù)在黃驊港散雜貨碼頭6#門機(jī)自動(dòng)化改造項(xiàng)目中成功應(yīng)用，取得了明顯效果，可為同類項(xiàng)目自動(dòng)化改造提供借鑒。