自動化軌道式龍門起重機AGV掃描定位功能優(yōu)化

謝錫聰 徐良軍 周舜易

上海國際港務(wù)(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

某超大型自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)采用岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)+AGV(Automated Guided Vehicle，自動搬運車)+自動化軌道式龍門起重機(以下簡稱軌道吊)。在該工藝系統(tǒng)中，碼頭與堆場間的水平運輸采用無人駕駛AGV,碼頭裝卸船作業(yè)大多采用雙小車岸橋,堆場作業(yè)采用自動化軌道吊，堆場和軌道垂直碼頭布置。為了避免同一堆場中，裝卸船作業(yè)與外集卡進提箱互相影響，每個箱區(qū)分布有海陸側(cè)2臺軌道吊，分別進行裝卸船作業(yè)和外集卡交互作業(yè)，或通過接力方式提高繁忙側(cè)的作業(yè)效率[1]。由于洋山深水港四期自動化碼頭是深水碼頭，存在大量的水水中轉(zhuǎn)作業(yè)，只在箱區(qū)末端與AGV交互的無懸臂軌道吊已經(jīng)不能滿足碼頭需求，新增加的懸臂吊可以直接在箱區(qū)中段與懸臂下的AGV直接交互，減少軌道吊帶箱作業(yè)時間，在降低能耗的同時可提高轉(zhuǎn)運效率。

自動化碼頭的裝卸船作業(yè)直接由AGV在岸橋與軌道吊間中轉(zhuǎn)，與傳統(tǒng)的人工或半人工的物料輸送方式相比,AGV系統(tǒng)可減輕勞動強度,降低危險性,提高生產(chǎn)效率,在各行各業(yè)均可發(fā)揮重要作用[2]。最初方案使用軌道吊和AGV自身的定位系統(tǒng)來判定設(shè)備的位置，兩者不存在直接的交互流程。長時間作業(yè)后，軌道吊結(jié)構(gòu)變化、AGV定位偏差和地基沉降不均勻?qū)е伦鳂I(yè)精度出現(xiàn)一定程度降低，交互作業(yè)無法自動完成的情況時有發(fā)生，偏差甚至可達到1 m以上，導(dǎo)致集裝箱部分懸空在AGV上，從而降低碼頭作業(yè)效率，增加人工作業(yè)成本和事故隱患。

設(shè)備結(jié)構(gòu)形變、AGV定位偏差和地基沉降在所難免，需要加入可以修正誤差的系統(tǒng)。為了提高對AGV的放箱精度，參考陸側(cè)集卡掃描功能提出了AGV掃描功能。選用小車架上現(xiàn)有的探頭，在原本的自動作業(yè)掃描軟件maxview中加入對AGV的掃描功能，使得軌道吊能通過激光掃描儀識別AGV上選取的參考點，計算獲得AGV與軌道吊的相對位置，在吊具下降過程中，通過控制吊具上架微動機構(gòu)對較小的偏差進行調(diào)整，或者在檢測出較大的偏差后停止作業(yè)，提示遠程操作員手動介入。

2 功能需求分析

2.1 流程分析

最初方案是在TOS(Teminal Operation System,碼頭管理系統(tǒng))發(fā)出對AGV交互作業(yè)的抓放箱指令后，軌道吊會得到抓放箱的大小車具體位置，然后參照編碼器反饋數(shù)值移動到目的位，同時向TOS發(fā)出交互區(qū)起升下降申請，即通過TOS確認AGV已到位。到達目的位后，吊具下降到9 m等待TOS的交互區(qū)允許，若AGV已到位，TOS會返回交互區(qū)許可，軌道吊自動下降吊具，得到著箱信號后，開鎖拉起吊具，到達安全高度后反饋給TOS交互作業(yè)結(jié)束，TOS轉(zhuǎn)發(fā)給AGV允許駛離。

流程中，軌道吊對于碼頭定位依賴基于磁釘、flag板和編碼器定位的大車單機定位系統(tǒng)。實際使用中發(fā)現(xiàn)，軌道沉降導(dǎo)致磁釘、flag板的位置偏差，下雨或者軌道油污引起行走輪打滑，設(shè)備結(jié)構(gòu)上的形變等都可能會導(dǎo)致出現(xiàn)定位偏差。AGV的定位由外部的獨立信號源(磁釘)提供精確的位置信號,不斷修正AGV慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累積定位誤差[3]，但隨著地面沉降，磁釘?shù)奈恢米兓?，并不能保證和軌道吊相對位置的精度。因此加入AGV掃描功能，直接獲取AGV與軌道吊的相對位置，然后通過微動補償掃描到的偏差，可以提高自動作業(yè)精度。

2.2 功能要求

(1)為了減小優(yōu)化難度，盡可能保留原有作業(yè)流程，選擇在軌道吊大小車停止后，吊具下降過程中加入對AGV進行掃描作業(yè)。

(2)AGV交互作業(yè)按作業(yè)箱型可以分為4類，即45 ft集裝箱、40 ft集裝箱、20 ft前箱和20 ft后箱，由于掃描開始后大小車位置固定，所以這4種作業(yè)得到的掃描數(shù)據(jù)都不同，需要分別處理。

(3)系統(tǒng)需要得到大小車方向上需要微動的距離，并判斷出偏差是否在微動極限范圍內(nèi)，著箱后能夠檢測出集裝箱是否有傾斜或偏差。

3 優(yōu)化方案

3.1 流程優(yōu)化

在原有流程中，軌道吊得到TOS給出的交互允許后，下降吊具直接著箱。加入掃描功能后，軌道吊大小車到達目的位，掃描功能開啟，實時檢測設(shè)備相對位置；吊具下降至9 m，得到TOS的交互允許后，參照掃描數(shù)據(jù)判定AGV是否到位；若AGV掃描數(shù)據(jù)偏差過大跳入手動作業(yè)狀態(tài)，若AGV到位繼續(xù)下降吊具同時微動開始調(diào)整作業(yè)；著箱后判定放箱是否正常，若集裝箱出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)或傾斜，跳入手動作業(yè)，若放箱成功，吊具開鎖起升上升后AGV掃描功能關(guān)閉。作業(yè)流程見圖1。

圖1 AGV作業(yè)流程優(yōu)化

3.2 AGV和吊具位置識別

軌道吊原有的激光測距探頭包括安裝在小車架下方的1#、2#和3#，其中1#和2#以小車架為中心對角對稱，3#在步道最外側(cè)；4#和5#探頭在小車架外緊靠大梁(見圖2)。

1.1#探頭 2.2#探頭 3.3#探頭 4.4#探頭 5.5#探頭 6.6#探頭

AGV20 ft集裝箱作業(yè)使用1#、2#、3#探頭進行掃描，其中1#和2#獲取AGV小車方向和旋轉(zhuǎn)的偏差，3#獲取大車方向的偏差。40 ft和45 ft集裝箱作業(yè)，由于AGV邊緣形狀復(fù)雜，大車方向坐標難以判定，使用4#和5#兩個探頭掃描偏差，小車方向和旋轉(zhuǎn)偏差同樣使用1#和2#探頭。通過識別AGV上選取的參考點，maxview可以計算出AGV的相應(yīng)位置。

同理，通過識別吊具上的3個反光板計算吊具位置，其中2個在上架對角，由1#和2#探頭識別計算吊具小車方向坐標；1個在吊具陸側(cè)或海側(cè)邊緣，由3#、4#和5#探頭分別識別20 ft、40 ft和45 ft狀態(tài)下吊具大車方向的坐標。反光板和探頭激光分布見圖3。

1.1#探頭激光束 2.2#探頭激光束 3.3#探頭激光束 4.4#和5#探頭激光束 5.1#反光板 6.2#反光板 7.3#反光板

3.3 微動控制

對比掃描出的吊具位置和AGV位置，計算兩者偏差可以得出微動需要調(diào)整的距離。為了避免著箱時小車架中心和吊具中心相差過大，導(dǎo)致集裝箱傾斜，應(yīng)加入相應(yīng)的限制范圍，限定小車編碼器反饋的位置和掃描得出的AGV位置的偏差。

假設(shè)吊具中心小車方向為X1，大車方向為Y1，相應(yīng)的AGV坐標為(X2，Y2)，小車中心為(X3，Y3)，限定值為T。當(dāng)AGV位置和小車架中心位置偏差小于限定值時，小車方向微動調(diào)整距離為：

X=X1-X2+(X3-X2)

(1)

大車方向微動調(diào)整距離為：

Y=Y1-Y2+(Y3-Y2)

(2)

若偏差大于限定值則小車方向微動調(diào)整距離為：

X=X1-X2+T

(3)

大車方向微動調(diào)整距離為：

Y=Y1-Y2+T

(4)

3.4 偏差判定

(1)AGV偏差判定。當(dāng)?shù)蹙呦陆抵? m安全高度得到下降允許時，只有在識別到AGV上的參考點，并且掃描得出的AGV位置與理想位置(數(shù)據(jù)庫中AGV每個交互位的固定位置)各方向偏差小于15 cm時，maxview才會認為掃描到的目標是AGV且掃描數(shù)據(jù)有效，否則軌道吊跳出自動報錯。

(2)下降過程中，實時計算吊具和AGV各方向偏差，輸出微動需要移動的距離，并判斷是否大于微動調(diào)整極限，微動行程為20 cm，即偏差調(diào)整極限為±10 cm。

(3)放箱偏差判定。著箱后，確定各方向掃描數(shù)據(jù)有效后，比較偏差與設(shè)定范圍大小，確定著箱成功后輸出開鎖允許。

4 結(jié)語

在AGV掃描功能投入使用后，軌道吊與AGV交互作業(yè)中，抓箱作業(yè)成功率由90%上升至98%，放箱成功率由75%上升至85%，手動介入率顯著下降。根據(jù)掃描得出的AGV與軌道吊相對位置，系統(tǒng)能夠自主判斷集裝箱下降后是否能完全著箱于AGV上，并決定是否給出下降允許，從根源上杜絕了放箱作業(yè)時集裝箱懸空的情況，解決了由于AGV大車運行軌跡偏離、軌道沉降及軌道吊自身吊具不水平等原因引起無法正常自動抓放箱的問題。