輪胎式集裝箱起重機(jī)一層集裝箱自動(dòng)著箱系統(tǒng)

蔣進(jìn)軍 茅時(shí)群 譚興福

上海振華重工（集團(tuán)）有限公司 上海 200125

0 引言

隨著港口貨物吞吐量不斷增加，人力需求隨之增加，起重機(jī)智能化改造迫在眉睫。起重機(jī)智能化改造不僅能提高生產(chǎn)效率，降低人工成本，還能改善工作環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高港口的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。碼頭主要設(shè)備有岸邊集裝箱起重機(jī)（QC）、軌道式起重機(jī)（RMG，以下簡(jiǎn)稱軌道吊）、輪胎式集裝箱起重機(jī)（RTG，以下簡(jiǎn)稱輪胎吊）、自動(dòng)導(dǎo)航小車（AGV）等設(shè)備。在堆場(chǎng)中，輪胎吊（RTG）性價(jià)比高，機(jī)動(dòng)靈活，對(duì)堆場(chǎng)場(chǎng)地要求低，應(yīng)用廣泛。目前，在堆場(chǎng)里無(wú)論是軌道吊還是輪胎吊，二層箱（包括二層箱）以上基本上都實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化作業(yè)，而一層集裝箱自動(dòng)放箱僅在軌道吊上完全實(shí)現(xiàn)，在輪胎吊上并未完全實(shí)現(xiàn)，且實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，業(yè)內(nèi)未達(dá)成共識(shí)。為了進(jìn)一步提高輪胎吊自動(dòng)作業(yè)水平，研究一套適合碼頭的一層集裝箱自動(dòng)著箱系統(tǒng)非常有必要。

目前，自動(dòng)化軌道吊在一層集裝箱自動(dòng)放箱作業(yè)時(shí)普遍采用盲放方式。所謂盲放即起重機(jī)在一層集裝箱放箱作業(yè)時(shí)，在大車、小車到達(dá)目標(biāo)位置后，起升機(jī)構(gòu)下降直至著箱。一般地，集裝箱著箱后的放箱精度基本滿足要求，無(wú)需額外的系統(tǒng)或設(shè)備來(lái)輔助軌道吊進(jìn)行一層集裝箱自動(dòng)著箱。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，輪胎吊需要經(jīng)常轉(zhuǎn)場(chǎng)，且各堆場(chǎng)的地面箱角線畫線有誤差，滑觸線或大車糾偏板的安裝也存在誤差。另外，在輪胎吊作業(yè)過程中，大車行走路徑不固定，機(jī)器結(jié)構(gòu)易變形，輪胎半徑以及氣壓易發(fā)生變化。因此，實(shí)現(xiàn)輪胎吊一層集裝箱自動(dòng)著箱功能，需要有額外檢測(cè)裝置來(lái)檢測(cè)地面箱角線或其他輔助標(biāo)志物，以輔助起重機(jī)完成一層集裝箱自動(dòng)放箱。

1 常見方案概述

1.1 人工輔助

在使用輪胎吊作業(yè)的堆場(chǎng)中，最初在進(jìn)行堆場(chǎng)智能化升級(jí)改造時(shí)，主要進(jìn)行遠(yuǎn)程半自動(dòng)改造。起重機(jī)在一層集裝箱放箱時(shí)，集裝箱離地面30 cm，向控制系統(tǒng)發(fā)出人工協(xié)助請(qǐng)求，控制系統(tǒng)收到請(qǐng)求后通知遠(yuǎn)程司機(jī)操作起重機(jī)，司機(jī)通過遠(yuǎn)程操作臺(tái)的操作手柄微調(diào)吊具，將箱子放到指定位置。該方案的優(yōu)點(diǎn)是基建成本低，無(wú)需在堆場(chǎng)地面或起重機(jī)上安裝設(shè)備；缺點(diǎn)是起重機(jī)在放一層集裝箱時(shí)需要遠(yuǎn)程司機(jī)協(xié)助，占用操作臺(tái)資源。這種方案適合碼頭操作臺(tái)和司機(jī)數(shù)量比較充裕的情況，或是碼頭用戶對(duì)自動(dòng)化要求不高的場(chǎng)合。

1.2 機(jī)械導(dǎo)板

在早期，激光雷達(dá)和機(jī)器視覺等技術(shù)應(yīng)用尚不成熟，國(guó)內(nèi)第一臺(tái)全自動(dòng)起重機(jī)主要使用機(jī)械手段來(lái)實(shí)現(xiàn)一層集裝箱和一層以上集裝箱自動(dòng)著箱。起重機(jī)在一層集裝箱放箱作業(yè)時(shí)，借助堆場(chǎng)地面水泥導(dǎo)板，將集裝箱放到指定位置[1]。該方案的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)要求低，一層集裝箱放箱精度高；缺點(diǎn)是堆場(chǎng)基建要求高，施工成本高。隨著人工智能、機(jī)器視覺、激光雷達(dá)等技術(shù)的發(fā)展，該方案已逐步退出市場(chǎng)。

1.3 機(jī)器視覺定位

機(jī)器視覺定位方案即通過安裝在吊具上的攝像頭實(shí)時(shí)檢測(cè)地面黃線或標(biāo)志物位置，根據(jù)箱角線或標(biāo)志物位置推算箱位位置，輔助控制系統(tǒng)完成一層集裝箱自動(dòng)著箱。該方案又可分為2種：一種是在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，使用起重機(jī)上已有吊具攝像頭識(shí)別地面箱角線，實(shí)現(xiàn)一層集裝箱自動(dòng)著箱功能；另一種是在起重機(jī)吊具上加裝紅外相機(jī)，配紅外補(bǔ)光燈，在地面安裝標(biāo)志物，用紅外相機(jī)識(shí)別地面標(biāo)志物，實(shí)現(xiàn)一層集裝箱自動(dòng)著箱功能。

1）普通吊具攝像頭+地面箱角線

在堆場(chǎng)中，地面箱角位置一般畫了箱角線，在一層集裝箱放箱過程中，通過安裝在吊具上的監(jiān)控?cái)z像頭，識(shí)別地面箱角線，推算出箱位位置，然后將位置發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)偏差微調(diào)吊具來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確放箱。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是土建成本低，無(wú)需再增加檢測(cè)設(shè)備；缺點(diǎn)是位置識(shí)別精度以及穩(wěn)定性容易受雨水、光線、地面箱角線本身等影響，對(duì)圖像算法處理要求很高。該方案目前仍停留在測(cè)試實(shí)驗(yàn)階段，在港口無(wú)大規(guī)模使用案例。普通箱角線如圖1所示。

圖1 普通箱角線

2）紅外攝像頭+地面標(biāo)志物

針對(duì)普通攝像頭識(shí)別地面箱角線方案具有圖像處理復(fù)雜度高、穩(wěn)定性不高等缺點(diǎn)，部分廠家在地面安裝標(biāo)志物，并將地面噴涂黑色吸光材料，通過安裝在吊具鎖頭附近的紅外相機(jī)配合紅外補(bǔ)光燈，采集地面標(biāo)志物圖片，并識(shí)別標(biāo)志物位置，以實(shí)現(xiàn)一層集裝箱自動(dòng)放箱。該方案的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)志物識(shí)別可靠性高，不易受陽(yáng)光、雨水的干擾，魯棒性好，精度高；缺點(diǎn)是土建施工以及硬件成本相對(duì)較高，維護(hù)成本也相對(duì)較高。如果碼頭用戶對(duì)輪胎吊自動(dòng)化要求高，且碼頭當(dāng)?shù)厝肆Τ杀靖?，推薦使用此方案。該方案也是目前市場(chǎng)上用得相對(duì)較多的方案，地面標(biāo)志物如圖2所示。

圖2 地面標(biāo)志物

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件介紹

如圖3所示，一層集裝箱自動(dòng)著箱系統(tǒng)主要由自動(dòng)化控制器、工業(yè)控制器、紅外相機(jī)、3D激光雷達(dá)、標(biāo)志物、紅外結(jié)構(gòu)光源以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。其中，紅外相機(jī)實(shí)時(shí)采集吊具上紅外結(jié)構(gòu)光源圖片，3D激光雷達(dá)采集標(biāo)志物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，工業(yè)控制器收到紅外相機(jī)以及激光雷達(dá)采集的圖片和點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，計(jì)算吊具姿態(tài)以及目標(biāo)箱位位置，并將計(jì)算結(jié)果反饋給自動(dòng)控制化控制器。自動(dòng)化控制器接收工業(yè)控制器返回的吊具姿態(tài)以及地面箱位位置數(shù)據(jù)，控制起重機(jī)大車、小車、起升等機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

圖3 一層集裝箱自動(dòng)著箱系統(tǒng)組成

根據(jù)安裝位置不同開底標(biāo)志物分為地面標(biāo)志物和吊具標(biāo)志物。地面標(biāo)志物和吊具標(biāo)志物型號(hào)規(guī)格一樣，只是安裝位置不同。標(biāo)志物由底座和3M反光膜組成。地面標(biāo)志物安裝在集裝箱4個(gè)箱角附近，其作用主要是標(biāo)記地面每個(gè)箱位的位置，用于激光雷達(dá)掃描識(shí)別。地面標(biāo)志物安裝示意圖如圖4所示。

圖4 地面開底標(biāo)志物

吊具標(biāo)志物安裝在在吊具上的4個(gè)鎖頭附近，其作用是標(biāo)記當(dāng)前吊具上集裝箱的位置。吊具開底標(biāo)志物安裝示意圖如圖5所示。

圖5 吊具上標(biāo)志物

2.2 系統(tǒng)工作原理

起重機(jī)在一層集裝箱放箱作業(yè)時(shí)，起升下降前用3D激光雷達(dá)采集開底標(biāo)志物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，紅外相機(jī)實(shí)時(shí)采集結(jié)構(gòu)光源圖片，控制器接收到點(diǎn)云和圖片數(shù)據(jù)后即算出目標(biāo)箱位位置和吊具位置，并將位置信息發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)控制吊具微動(dòng)，將集裝箱放到指定位置。

一層集裝箱著箱后，通過激光雷達(dá)掃描地面開底標(biāo)志物和吊具開底標(biāo)志物偏差，通過兩者偏差計(jì)算集裝箱放箱偏差，如果放箱偏差超過設(shè)定閾值，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋的偏差重新放置，避免放箱偏差超過設(shè)定值。

3 開底標(biāo)志物檢測(cè)算法

3M反光膜是一種高能反光材料，激光雷達(dá)對(duì)此材料比較敏感，在測(cè)距時(shí)對(duì)應(yīng)3M反光膜上的激光點(diǎn)的能量值很高。根據(jù)3M反光膜的這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的標(biāo)志物位置提取算法，然后根據(jù)開底標(biāo)志物的位置算出當(dāng)前箱位的位置。

算法的思路是：首先，使用3D激光雷達(dá)獲取標(biāo)志物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再根據(jù)能量值初步提取標(biāo)志物上點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將標(biāo)志物點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到二維平面。其次，將二維平面上點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像格式，在圖像中提取標(biāo)志物的輪廓，根據(jù)輪廓求取標(biāo)志物的重心。最后，根據(jù)標(biāo)志物重心的像素坐標(biāo)反求標(biāo)志物重心在激光雷達(dá)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。具體步驟如下：

1）獲取原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)吊具尺寸以及標(biāo)志物的安裝位置，分別在起升、小車運(yùn)行、大車運(yùn)行等方向進(jìn)行直通濾波，縮小點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理范圍，提高數(shù)據(jù)處理速度。

2）設(shè)置初始能量閾值，根據(jù)標(biāo)志物周圍點(diǎn)能量值情況確定動(dòng)態(tài)閾值。根據(jù)動(dòng)態(tài)閾值，將大于閾值的點(diǎn)標(biāo)記為標(biāo)志物上的點(diǎn)，小于該閾值的點(diǎn)標(biāo)記為非標(biāo)志物上的點(diǎn)，從而根據(jù)標(biāo)記將點(diǎn)云數(shù)據(jù)初步提取出來(lái)。

3）在初步提取標(biāo)志物上點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，先采用最小半徑濾波，濾掉一些孤立的干擾點(diǎn)，得到最終的標(biāo)志物點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4）提取標(biāo)志物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)本身并非全部在同一平面上，采用隨機(jī)抽樣一致性進(jìn)行平面擬合，獲得標(biāo)志物所在平面方程，然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)全部投影到此平面上，三維坐標(biāo)變成二維坐標(biāo)。

具體提取過程為：隨機(jī)抽取一批種子點(diǎn)，｛pi｝（i＝1，2，…，n）對(duì)其求得擬合平面Ax+By+Cz+D＝0；向量n（A，B，C）為平面的法向量，即｛pi｝組成的協(xié)方差矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量；D為坐標(biāo)原點(diǎn)到該平面距離。

計(jì)算所有點(diǎn)pi到平面的距離d小于閾值dth則為局內(nèi)點(diǎn)，否則為局外點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)局內(nèi)點(diǎn)個(gè)數(shù)，點(diǎn)的個(gè)數(shù)用于判斷平面方程是否為最優(yōu)解。

重新選取一批種子點(diǎn)，再進(jìn)行上述平面擬合，統(tǒng)計(jì)局內(nèi)點(diǎn)，重復(fù)迭代，直到找到局內(nèi)點(diǎn)個(gè)數(shù)滿足設(shè)定值，此時(shí)對(duì)應(yīng)A、B、C即為平面法向量。

平面方程擬合出來(lái)后，再將標(biāo)志物上點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到平面上，將三維坐標(biāo)變成二維坐標(biāo)。假設(shè)p0為平面上任意一點(diǎn)，p為標(biāo)志物上點(diǎn)云數(shù)據(jù)任意一點(diǎn)，p′為p在平面上的投影點(diǎn)。將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到平面后，以p0作為像素坐標(biāo)的坐標(biāo)原點(diǎn)，分別以向量a（-B，A，0）和b＋n×a作為圖像坐標(biāo)系中的2個(gè)基準(zhǔn)方向。規(guī)定dx為基準(zhǔn)a方向的分辨率，dy為基準(zhǔn)b方向的分辨率，將平面上點(diǎn)轉(zhuǎn)換成像素坐標(biāo)。

平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為像素坐標(biāo)后，在圖像中提取標(biāo)志物上的像素點(diǎn)，然后根據(jù)像素點(diǎn)坐標(biāo)求取標(biāo)志物重心。求得重心后，反向求取重心在激光雷達(dá)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。

5）算出標(biāo)志物的位置后即可根據(jù)標(biāo)志物位置以及當(dāng)前作業(yè)工況推算出當(dāng)前箱位的位置。

4 輪胎吊一層集裝箱自動(dòng)著箱流程

起重機(jī)小車到達(dá)目標(biāo)列正上方后，立即啟動(dòng)激光雷達(dá)采集地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用標(biāo)志物檢測(cè)算法在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取標(biāo)志物位置，再根據(jù)地面的4個(gè)標(biāo)志物位置推算地面箱位位置，將位置信息反饋給自動(dòng)化控制系統(tǒng)。激光雷達(dá)掃描示意圖如圖6所示。

圖6 激光雷達(dá)掃描示意圖

一層集裝箱著箱后，控制系統(tǒng)再次啟動(dòng)3D激光雷達(dá)采集地面和吊具標(biāo)志物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，識(shí)別地面的4個(gè)標(biāo)志物和吊具4個(gè)角上的4個(gè)標(biāo)志物位置，通過吊具和地面標(biāo)志物偏差推算出集裝箱放箱偏差，將偏差反饋給自動(dòng)化控制系統(tǒng)。激光雷達(dá)掃描示意圖如圖7所示。

圖7 激光雷達(dá)掃描示意圖

1）起重機(jī)大車、小車到達(dá)目標(biāo)位置后，使用3D激光雷達(dá)檢測(cè)地面標(biāo)志物位置，將標(biāo)志物位置換算成集裝箱的箱位位置，再將目標(biāo)箱位位置發(fā)送給控制系統(tǒng)。

2）如果目標(biāo)箱位位置無(wú)異常，控制系統(tǒng)控制吊具下降，下降過程中實(shí)時(shí)調(diào)整吊具姿態(tài)，吊具在著箱前30 cm高時(shí)判斷吊具姿態(tài)是否在目標(biāo)位置誤差范圍內(nèi)，如吊具姿態(tài)在目標(biāo)位置誤差范圍內(nèi)，則起升繼續(xù)下降；如不在目標(biāo)位置誤差范圍內(nèi)，則繼續(xù)調(diào)整吊具，直至吊具姿態(tài)在目標(biāo)位置誤差范圍內(nèi)。

3）吊具姿態(tài)調(diào)整到位后，吊具繼續(xù)下降直至著箱。

4）集裝箱著箱后，控制系統(tǒng)再次啟動(dòng)激光雷達(dá)，掃描地面標(biāo)志物和吊具標(biāo)志物偏差，并將偏差轉(zhuǎn)換成集裝箱放箱偏差。如果放箱偏差超過設(shè)定值，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋的放箱偏差，將集裝箱拉離地面30 cm，再次調(diào)整吊具，調(diào)整到位后起升下降，直至著箱。如果放箱精度滿足設(shè)定值，吊具開鎖，放箱完成。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過分析比較目前常見的一層集裝箱自動(dòng)著箱的方案，針對(duì)不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行闡述，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)碼頭實(shí)際情況，開發(fā)出輪胎吊一層集裝箱自動(dòng)著箱系統(tǒng)。實(shí)際測(cè)試表明，系統(tǒng)可有效消除輪胎吊在自動(dòng)作業(yè)中由于輪胎氣壓、機(jī)械變形、大車定位等因素帶來(lái)的誤差，實(shí)現(xiàn)輪胎吊一層集裝箱自動(dòng)著箱。系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，精度滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，能適應(yīng)如強(qiáng)光、雨天、夜晚等工況。結(jié)果表明該系統(tǒng)可進(jìn)一步提高輪胎吊自動(dòng)化作業(yè)水平，加快碼頭升級(jí)改造步伐。該方案的局限性是地面同樣需要安裝輔助標(biāo)志物，方案的成本相對(duì)也較高，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，利用機(jī)器視覺方案檢測(cè)地面箱角線仍是后續(xù)發(fā)展的方向。