船用裝卸臂自動對接設(shè)計(jì)

李萌

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

船用卸料臂是液貨碼頭上的關(guān)鍵核心設(shè)備之一，當(dāng)液貨運(yùn)輸船抵港完成靠泊作業(yè)后，卸料臂與液貨運(yùn)輸船上的輸送法蘭連接，從而建立起運(yùn)輸船與液貨碼頭上輸送管線間的輸送通路，實(shí)現(xiàn)船岸間液貨的安全快速裝卸。通過人工操作進(jìn)行卸料臂與液貨運(yùn)輸船對接存在對接位置控制不準(zhǔn)確，需要操作人員通過撬杠輔助對位，勞動強(qiáng)度大，對接效率低等問題。為此，考慮在現(xiàn)有的船用裝卸臂控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加視覺識別、軌跡規(guī)劃、動態(tài)決策和運(yùn)動控制等模塊，實(shí)現(xiàn)船岸間的自動對接，降低對接作業(yè)勞動強(qiáng)度，提升對接效率。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

船用裝卸臂由裝卸臂本體、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成。根據(jù)碼頭設(shè)計(jì)要求，接收站碼頭一般配備4～5臺裝卸臂本體(本設(shè)計(jì)中為4臺裝卸臂，可擴(kuò)展為5臺臂)，其中1臺臂為氣相臂，其余為液相臂，各裝卸臂組成結(jié)構(gòu)基本相同。液壓系統(tǒng)由提供液壓動力的總站和實(shí)現(xiàn)液壓控制的分站組成，4臺裝卸臂本體共用一個液壓總站，每臺裝卸臂本體配備1個獨(dú)立的液壓分站；電氣系統(tǒng)由位于裝卸臂本體上傳感器，位于碼頭現(xiàn)場的本地控制臺、遙控器和位于遠(yuǎn)程控制室的PLC冗余控制器組成。船用裝卸臂現(xiàn)場布局見圖1。

圖1 船用裝卸臂的現(xiàn)場布局

1.2 系統(tǒng)要求

針對船岸自動對接特點(diǎn)，LNG等液貨船用裝卸臂自動對接具有如下要求：①精準(zhǔn)控制，通過視覺識別、軌跡規(guī)劃完成船用裝卸臂與目標(biāo)法蘭之間的全自動對接；②范圍要求，在裝卸臂包絡(luò)范圍、工作范圍內(nèi)，視覺識別模塊都能夠準(zhǔn)確識別目標(biāo)法蘭；③惡劣環(huán)境條件適用性，在裝卸臂處于雨霧、微風(fēng)、不同的光照等條件下，視覺識別模塊都能夠精準(zhǔn)識別；④急停功能，保證在設(shè)備運(yùn)行過程中，可以隨時(shí)停止船用裝卸臂的運(yùn)行，以防止人員等突然闖入，同時(shí)，在緊急情況下自動切換為手工對接，以防止帶來安全事故；⑤對接速度，裝卸臂應(yīng)平穩(wěn)運(yùn)動至目標(biāo)法蘭口附近，在接近目標(biāo)法蘭時(shí)，速度應(yīng)控制緩慢，以防裝卸臂與目標(biāo)法蘭發(fā)生撞擊。

2 自動對接策略

自動對接策略采用模塊化設(shè)計(jì)，由視覺識別模塊、軌跡規(guī)劃模塊、動態(tài)決策模塊及控制模塊四部分組成，當(dāng)液貨運(yùn)輸船靠泊到位后，由安裝在裝卸臂固定位置上的視覺相機(jī)進(jìn)行視覺掃描，并快速識別船上的目標(biāo)法蘭接口，然后經(jīng)由軌跡規(guī)劃模塊根據(jù)視覺識別的目標(biāo)法蘭相對位置，進(jìn)行船用裝卸臂自動對接的軌跡參數(shù)計(jì)算；根據(jù)軌跡計(jì)算參數(shù)，由動態(tài)決策模塊進(jìn)行處理，判斷軌跡是否出現(xiàn)異常并作出反應(yīng)，同時(shí)動態(tài)的得出下一插補(bǔ)點(diǎn)關(guān)節(jié)角度；由控制模塊進(jìn)行裝卸臂目標(biāo)軌跡運(yùn)動的控制算法設(shè)計(jì)，計(jì)算出裝卸臂達(dá)到預(yù)定軌跡的序列點(diǎn)，經(jīng)由PLC發(fā)出各關(guān)節(jié)運(yùn)動角度命令。自動對接流程見圖2。

圖2 自動對接流程

2.1 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

控制系統(tǒng)在PCS7軟件中創(chuàng)建一個項(xiàng)目，再進(jìn)行硬件組態(tài)，如SIMATIC400機(jī)架、CPU模塊、電源模塊、輸入輸出模塊(I/O)、MODBUS通訊模塊、PROFIBUS-DP編碼器等，并創(chuàng)建冗余PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)?？刂葡到y(tǒng)硬件具有電源冗余、CPU冗余、I/O冗余、DP總線冗余的特點(diǎn)、保證系統(tǒng)可靠、安全。

2.2 視覺識別

采用視覺相機(jī)成像，相機(jī)固定在特制的防爆外殼內(nèi)，并安裝在裝卸臂的固定位置上，相機(jī)工作情況下對環(huán)境進(jìn)行視覺掃描(見圖3)，快速識別到運(yùn)輸船的目標(biāo)法蘭接口，并且將法蘭的坐標(biāo)位置傳送PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行解析；另外，通過提前預(yù)設(shè)障礙物的特征信息，相機(jī)在視場掃描中，可以準(zhǔn)確判斷碼頭作業(yè)過程中的障礙物，發(fā)出緊急避障的信號，以便自動對接系統(tǒng)進(jìn)行避障動作。

圖3 目標(biāo)法蘭成像識別

2.3 軌跡規(guī)劃模塊

軌跡規(guī)劃模塊根據(jù)目標(biāo)法蘭相對位置，完成船用裝卸臂自動對接的軌跡參數(shù)計(jì)算。模塊流程見圖4。

圖4 軌跡規(guī)劃模塊流程

首先，將視覺識別輸入的目標(biāo)法蘭的位置轉(zhuǎn)換成路徑規(guī)劃所需要的目標(biāo)點(diǎn)的位置和姿態(tài)，作為軌跡規(guī)劃模塊的輸入。接下來，根據(jù)輸入進(jìn)行各步驟的處理。

1)根據(jù)裝卸臂運(yùn)行的實(shí)際工況，提前在笛卡爾坐標(biāo)系中合理選擇個路徑點(diǎn),,…,。路徑點(diǎn)的選取，主要考慮裝卸臂的避障以及到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的快速性。對于避障，主要考慮不能與欄桿及船體相碰。在設(shè)計(jì)路徑時(shí)，有意選取離障礙物較遠(yuǎn)的路徑點(diǎn)并盡量使得裝卸臂能夠更快到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

2)將其關(guān)鍵路徑點(diǎn)通過D-H逆運(yùn)動學(xué)轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間(通過D-H運(yùn)動學(xué)反解公式計(jì)算得到每個路徑點(diǎn)對應(yīng)的各關(guān)節(jié)角坐標(biāo)值)。

3)對關(guān)節(jié)空間中相鄰兩個路徑點(diǎn)對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度，指定插值軌跡類型，并計(jì)算得到相應(yīng)的軌跡規(guī)劃參數(shù)，將其賦值給動態(tài)決策模塊。

2.4 動態(tài)決策模塊

動態(tài)決策模塊是對軌跡規(guī)劃模塊計(jì)算得到的軌跡參數(shù)進(jìn)行處理，動態(tài)得到下一插補(bǔ)點(diǎn)的關(guān)節(jié)角度。動態(tài)決策模塊分為3步。

第一步，判斷裝卸臂狀態(tài)，若裝卸臂正常運(yùn)行，計(jì)算得到下一插值點(diǎn)的角度與角速度并轉(zhuǎn)到第三步；若接收到異常處理信號，轉(zhuǎn)到第二步。

第二步，當(dāng)裝卸臂遇到異常需要緊急停止時(shí)，接收異常處理模塊的輸出，控制裝卸臂平穩(wěn)停止運(yùn)行。

第三步，將裝卸臂下一時(shí)刻運(yùn)動的關(guān)節(jié)角度和角速度傳給自動對接控制模塊。

2.5 控制模塊

裝卸臂的控制模塊通過關(guān)節(jié)安裝有編碼器，將裝卸臂關(guān)節(jié)移動角度傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，控制系統(tǒng)計(jì)算出使裝卸臂關(guān)節(jié)角度到達(dá)給定軌跡序列點(diǎn)(所有目標(biāo)軌跡序列點(diǎn)控制周期相同)所需液壓閥開度信號，發(fā)送給PLC使之產(chǎn)生驅(qū)動力，使關(guān)節(jié)沿預(yù)定軌跡移動直至裝卸臂末端到達(dá)給定軌跡序列點(diǎn)位置。

控制模塊(見圖5)采用雙環(huán)PI控制實(shí)現(xiàn)對軌跡的跟蹤，通過裝卸臂的關(guān)節(jié)處的編碼器進(jìn)行反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖5 控制模塊

雙閉環(huán)控制是位置外環(huán)與速度內(nèi)環(huán)的組合控制方案，可以提高系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的性能。首先，動態(tài)決策模塊輸出的各關(guān)節(jié)角度為設(shè)定目標(biāo)，經(jīng)過位置PI控制器、速度PI控制器轉(zhuǎn)化后的模擬控制信號驅(qū)動比例換向閥動作，從而驅(qū)動裝卸臂動作，使裝卸臂各關(guān)節(jié)跟隨所規(guī)劃的軌跡運(yùn)動，最終實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)法蘭自動對接。

2.6 PLC程序生成

基于模型的設(shè)計(jì)是一種形式化的軟件開發(fā)方法。特點(diǎn)：需求文檔與設(shè)計(jì)結(jié)果的全程跟蹤、雙向鏈接，圖形化表達(dá)邏輯、算法，將軟件模塊化，分解為功能塊。使用基于模型的設(shè)計(jì)，可在虛擬仿真階段，仿真樣機(jī)與設(shè)計(jì)的算法或邏輯，因此，節(jié)省時(shí)間和金錢。尤其是對復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行離線編程時(shí)，優(yōu)勢更加明顯。

根據(jù)自動對接策略需求，在Simulink/Stateflow環(huán)境下，將文本化的需求轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行、可跟蹤的模型。并在Simulink環(huán)境中，建立軌跡規(guī)劃模塊、動態(tài)決策模塊、控制模塊等仿真模型(見圖6)，對所建立的模型進(jìn)行連續(xù)不斷的檢查、仿真與驗(yàn)證。然后，將各功能塊的代碼移植西門子400 PLC的集成開發(fā)環(huán)境中。

圖6 Simulink模型

2.7 液壓機(jī)構(gòu)建模

本裝卸臂驅(qū)動系統(tǒng)為全液壓驅(qū)動系統(tǒng)，液壓缸的模型見圖7。

圖7 液壓缸模型

流量為單位時(shí)間內(nèi)流進(jìn)油缸馬達(dá)的液體體積，其值由閥門控制，且成一定的比例關(guān)系；活塞面積為；活塞速度為。液壓缸通過兩端的壓力差來進(jìn)行移動。在理想情況下(這里指不漏油的情況)，與成正比例關(guān)系。

回轉(zhuǎn)油缸和內(nèi)臂油缸的比例電磁閥死區(qū)值為20%，外臂油缸比例電磁閥死區(qū)值為30%，考慮到實(shí)際工程中的閥門開度一般不會開到太大，分別選取回轉(zhuǎn)油缸比例電磁閥實(shí)際開度為40%，內(nèi)臂油缸比例電磁閥實(shí)際開度為50%和外臂油缸比例電磁閥實(shí)際開度為65%的數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識，以有效閥門開度15%為輸入，使用MATLAB進(jìn)行仿真，獲得系統(tǒng)輸出，見圖8。

圖8 液壓系統(tǒng)輸出擬合結(jié)果

擬合效果較好，說明系統(tǒng)模型可靠，圖8中橫坐標(biāo)為閥門開度，縱坐標(biāo)為角速度。

3 仿真與試驗(yàn)測試

3.1 仿真測試流程

自動對接的算法是基于裝卸臂的運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)的，不涉及到動力學(xué)的內(nèi)容。為了使得仿真的結(jié)構(gòu)更具說服力，采用Matlab進(jìn)行自動對接算法的仿真試驗(yàn)。

1)仿真驗(yàn)證建立的模型，模擬給定PID參數(shù)，驗(yàn)證控制器算法的正確性。

2)仿真定位過程，驗(yàn)證軌跡規(guī)劃算法能否有效地實(shí)現(xiàn)避障的軌跡，并且裝卸臂沿著規(guī)劃的軌跡進(jìn)行運(yùn)動。

3)模擬急停信號，驗(yàn)證能否實(shí)現(xiàn)裝卸臂的急停及復(fù)位功能。

裝卸臂的運(yùn)動學(xué)仿真模型見圖9，裝卸臂內(nèi)臂(關(guān)節(jié)2)的驅(qū)動器控制仿真結(jié)果見圖10，裝卸臂內(nèi)臂(關(guān)節(jié)2)的軌跡規(guī)劃及控制仿真結(jié)果見圖11。

圖9 裝卸臂的仿真模型

圖10 驅(qū)動控制器仿真結(jié)果

圖11 軌跡規(guī)劃仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明在響應(yīng)性、誤差及超調(diào)等方面均符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 試驗(yàn)測試

設(shè)計(jì)對接法蘭工裝，見圖12，利用某12 in船用卸料臂開展連續(xù)5組，隨機(jī)對接位置的自動對接系統(tǒng)試驗(yàn)測試，測試結(jié)果見表1，整個自動對接過程只需1人現(xiàn)場觀察，自動對接時(shí)間2～3 min，較人工所需的10 min效率提升明顯。

圖12 自動對接示意

表1 自動對接測試結(jié)果

4 結(jié)論

在現(xiàn)有船用裝卸臂控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過開發(fā)視覺識別模塊實(shí)現(xiàn)對液貨運(yùn)輸船上對接法蘭位姿的準(zhǔn)確識別；通過開發(fā)軌跡規(guī)劃、動態(tài)決策和運(yùn)動控制等模塊，實(shí)現(xiàn)對裝卸臂運(yùn)動速度和軌跡的精確控制。

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)響應(yīng)性、誤差、超調(diào)及對接準(zhǔn)確率等方面均符合使用要求。該自動對接系統(tǒng)只需1人現(xiàn)場操作，對接時(shí)間2～3 min，可提高船岸對接效率，降低人工操作強(qiáng)度。