基于激光雷達測量技術(shù)的集裝箱定位系統(tǒng)

張冒，程文明，覃琴

（1.成都航空職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，四川 成都 610100；2.西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

集裝箱運輸行業(yè)中，鐵路集裝箱運輸是一種非常重要的運輸手段，其結(jié)合了鐵路運輸和集裝箱運輸?shù)碾p重優(yōu)點，具有運達速度快、運輸安全性好、物流成本低等突出優(yōu)點，是適應國內(nèi)外經(jīng)濟貿(mào)易發(fā)展需要的一種先進的、新型的現(xiàn)代化運輸方式。依據(jù)2017 年10 月的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國鐵路集裝箱辦理站的數(shù)量已經(jīng)達到了1 827 個，集裝箱貨運量逐年增長，2015 年我國集裝箱的貨運量與2014 年相比，增長了20.2%，2016 年我國集裝箱貨運量同比增長了40%，2017 年我國集裝箱貨運量同比增長了47.9%[1-2]。

集裝箱裝卸是鐵路集裝箱運輸中必要和極其重要的一個環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的集裝箱裝卸多依賴于手工操作實現(xiàn)，自動化程度不高，需要操作人員肉眼觀察結(jié)合手動控制起重機運動實現(xiàn)集裝箱吊具與集裝箱、集裝箱與貨運火車車廂之間的對箱工作，該過程勞動強度大，制約著集裝箱裝卸效率的提高。裝卸作業(yè)時需要2～3 人協(xié)同作業(yè)，起重機操作人員負責操作起重機，指揮輔助人員負責現(xiàn)場觀察對箱結(jié)果，傳統(tǒng)作業(yè)模式很難滿足裝卸作業(yè)的減員增效要求。

為減少作業(yè)人員手動操作步驟，減輕其勞動強度，提高集裝箱裝卸效率，設計和開發(fā)出一套基于激光掃描測量的集裝箱自動定位系統(tǒng)，以實現(xiàn)起重機吊具-集裝箱的快速自動對箱工作，提高集裝箱裝卸作業(yè)效率，并適當減少相關(guān)操作人員數(shù)量。

1 系統(tǒng)設計

鐵路貨場起重機作業(yè)范圍內(nèi)劃分了集卡作業(yè)、堆箱、火車作業(yè)3 個區(qū)域，如圖1 所示?；疖嚿霞b箱裝卸作業(yè)尤為重要，其作業(yè)速度將直接影響鐵路貨運的速度和車列的調(diào)度，實現(xiàn)火車作業(yè)區(qū)域內(nèi)集裝箱的快速自動定位可有效提高集裝箱的裝卸效率。因此，本系統(tǒng)重點解決火車作業(yè)區(qū)域內(nèi)的集裝箱裝卸作業(yè)。系統(tǒng)要求實現(xiàn)集裝箱在起重機參考方向下的定位、火車軌道以及火車高度相對固定。因此，Y方向通過激光傳感器測量實時位置；Z方向通過絕對值編碼器即可實現(xiàn)精確的對箱操作；X方向的定位則通過2D 激光雷達實現(xiàn)，為不影響起重機作業(yè)，激光雷達安裝在起重機側(cè)邊。

圖1 起重機作業(yè)區(qū)域Fig.1 Crane operation partition

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

集裝箱自動定位系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，按照功能層級分為監(jiān)控、控制、驅(qū)動、執(zhí)行和檢測5個單元。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure diagram

1）監(jiān)控單元：提供交互式界面供現(xiàn)場人員操作以控制起重機完成集裝箱自動對箱動作。

2）控制單元：控制核心采用“PLC+工控機”方式，PLC 完成整個起重機的邏輯、定位控制，工控機通過以太網(wǎng)獲取2D 激光雷達的數(shù)據(jù)并處理，得到集裝箱在大車方向上的實時位置。

3）驅(qū)動單元：起重機采用變頻驅(qū)動方式，起重大車機構(gòu)共12 臺動力電機，分別由2 個變頻器驅(qū)動；小車機構(gòu)有4 臺動力電機，由1 臺變頻器驅(qū)動；起升機構(gòu)使用雙電機驅(qū)動，配置2 臺變頻器，運行過程中需保證2 臺電機同步動作。變頻器與PLC 之間采用西門子Profinet 協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。

4）執(zhí)行單元：包含起重機大車、小車、起升3個機構(gòu)的動力電機和集裝箱吊具的液壓動力。

5）檢測單元：增量編碼器信號（HTL）接入對應變頻器實現(xiàn)電機的速度閉環(huán)控制；起升絕對值編碼器及小車激光距離傳感器同樣采用Profinet通訊協(xié)議與PLC 連接，測量吊具在小車和起升方向的實時位置；速度傳感器反饋出各機構(gòu)運動的實時速度；2D激光雷達用于集裝箱位置的測量。

1.2 系統(tǒng)功能設計

集裝箱自動定位系統(tǒng)是基于激光雷達測量技術(shù)實現(xiàn)起重機吊具-集裝箱快速精確對箱控制。系統(tǒng)主要包括集裝箱箱型數(shù)據(jù)庫、點云數(shù)據(jù)采集、集裝箱自動定位、起重運動控制與流程可視化等功能模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能設計Fig.3 System function design

1.3 工作流程

集裝箱定位系統(tǒng)為自動實現(xiàn)起重機吊具-集裝箱的對箱作業(yè)而開發(fā)，需要完成集裝箱位置檢測與起重機的運動控制，具體作業(yè)流程如下：

1）建立起重機的參考坐標系OXYZ，計算2D激光雷達坐標系的平移矩陣；

2）定位開始后，激光雷達開始工作，獲取得到一系列極坐標點，數(shù)據(jù)處理模塊將極坐標下的點轉(zhuǎn)化成直角坐標系OXYZ的位置點，處理該數(shù)據(jù)點集合得到集裝箱側(cè)邊的中心坐標，該值經(jīng)過坐標變換后確定為起重機大車定位目標值；

3）根據(jù)集裝箱中心點位置計算出起重機吊具與集裝箱之間的位置差值；

4）將計算得到的差值通過西門子S7 協(xié)議寫入PLC，控制起重機運動調(diào)整吊具位置，運動過程中實時進行第2）、第3）步，直到起重機吊具與集裝箱位置差值為0；

5）第2）～4）步執(zhí)行的同時，起重機根據(jù)固定參數(shù)值對小車、起升進行定位控制，直到到達設定位置；

6）起重機吊具-集裝箱自動完成對箱作業(yè)后，語音提示操作人員進行后續(xù)作業(yè)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 集裝箱位置檢測

2D激光雷達以極坐標方式返回測量結(jié)果，數(shù)據(jù)報文在解碼后可得到下列矩陣：

轉(zhuǎn)換后獲得一系列直角坐標系下的點數(shù)據(jù)，進一步進行分析處理，可得到集裝箱中心點坐標。

2.1.1 數(shù)據(jù)預處理

由于2D 激光雷達工作在室外環(huán)境，光照強度變化大，集裝箱表面顏色不一，在測量數(shù)據(jù)采集過程中，不可避免會采集到一些干擾點，在進行集裝箱位置檢測之前，需要進行濾波處理以刪除這些干擾點。常用的方式包括基于統(tǒng)計分布法、基于距離法、基于聚類法和基于密度法等[3]。

集裝箱定位系統(tǒng)選用基于統(tǒng)計分布的方法實現(xiàn)干擾點的檢測和剔除，由于2D 激光雷達返回數(shù)據(jù)序列是以掃描起始角為起點、掃描角分辨率為增量的有序距離值，通過坐標變換后的數(shù)據(jù)點集合同樣可認定是有序數(shù)據(jù)集，因此不用對其進行排序處理。干擾點檢測與剔除算法具體處理步驟如下：

1)加載點云集合Xin；

2)計算每一點在半徑r內(nèi)的鄰域點個數(shù)P=[p0,p1,p2,…,pi,…,pn]；

3) 遍歷P，刪除pi＜k對應的數(shù)據(jù)點，得到干擾點剔除后的點云集合Xout。

2.1.2 基于平行坐標系的集裝箱位置檢測

平行坐標法常用于多維空間的兩維表示，使多維數(shù)據(jù)的表示更加直觀，同樣可以用平行坐標中的點與平面直角坐標中的直線相對應的映射關(guān)系來求解出直線方程[4-5]。直線方程y=kx+b，根據(jù)直線斜率不同，需要構(gòu)造不同的平行坐標系來反映直線的交點位置。圖4a中直線l1斜率k＜0，平行坐標系下交點位于由x軸和y軸構(gòu)成的區(qū)間內(nèi)，如圖4b所示，交點坐標為[d/(1-k),b/(1-k)]。圖4c 中直線l2斜率k＞0，平行坐標系下交點位于由-x軸和y軸構(gòu)成的區(qū)間內(nèi)，如圖4d 所示，交點坐標為[d/(1+k),b/(1+k)]。圖中，b為直線y=kx+b的截距。

圖4 平行坐標與直角坐標的對應關(guān)系Fig.4 Correspondence between parallel and rectangular coordinates

結(jié)合上述分析，對于數(shù)據(jù)點在直線方程未知的情況下，可先在平行坐標系下表示，通過交點坐標推導直線方程。令平行坐標系中的交點坐標為(u,v)，對應的直線方程參數(shù)為

借鑒Hough 直線檢測方法的思路[6-7]，可得到基于平行坐標系變換方式實現(xiàn)集裝箱的位置檢測算法?；谄叫凶鴺讼档募b箱位置檢測具體計算步驟如下：

1）加載干擾點剔除后的點云集合Xout；

2）逐一取出Xout中點數(shù)據(jù)，將其映射到平行坐標系下，計算所有直線交點值K=[k0,k1,k2,…]；

3）對K進行統(tǒng)計，得出交點值及相交線段數(shù)量，并對滿足交點偏差r內(nèi)的交點做均值處理，得到K1=[k0,k1,k2,…]；

4)遍歷K1，剔除相交線段小于直線包含最小點個數(shù)m的交點，得到K2=[k0,k1,k2,…]；

5）根據(jù)式（3），得出K2內(nèi)所有數(shù)據(jù)點在直角坐標系下的直線方程；

6）計算Xout中各點與直線的距離，得出小于直線距離偏差點d的數(shù)據(jù)點X1=[x0,x1,x2,…]；

7）計算X1相鄰兩點差值，找出分段點，得出分段直線；

8）分段直線與集裝箱信息比對，計算得出集裝箱中心位置（x，y）。

與Hough 變換實現(xiàn)坐標映射需要通過執(zhí)行ρ=xcosθ+ysinθ計算的方式不同[6-7]，采用平行坐標方法來檢測直線段不需要進行計算便可實現(xiàn)坐標映射，計算量較Hough變換更小，且運算速度更快。

2.2 起重機精確定位

集裝箱位置檢測單元在起重機卸車作業(yè)時能夠精確反饋集裝箱中心點位置給起重機控制系統(tǒng)。需要系統(tǒng)識別到集裝箱詳細位置信息后對起重機大車、小車、起升進行精確定位控制，從而最終實現(xiàn)在鐵道作業(yè)區(qū)內(nèi)起重機吊具與集裝箱的自動對箱工作。

2.2.1 運動軌跡規(guī)劃

起重機定位控制方法很多，其中軌跡規(guī)劃以運動速度為調(diào)整對象，通過預設軌跡的方式實現(xiàn)定位控制。合理的參考軌跡能夠有效保證起重機的定位精度。

軌跡規(guī)劃方法應用到門式起重機精確定位需要注意兩點：1）結(jié)合起重機的實際情況，加速度不能過大且需要連續(xù)；2）動力電機為變頻電機，低速條件下無法輸出足夠轉(zhuǎn)矩驅(qū)動機構(gòu)運動，需要高于最小運行速度運行。

綜合考慮后，本文規(guī)劃的起重機速度分為加速、高速、減速和低速4段，如下式：

依據(jù)軌跡規(guī)劃速度計算公式繪制大小車速度隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 軌跡規(guī)劃速度曲線Fig.5 Velocity curve of planned trajectory

2.2.2 定位實現(xiàn)

確保準確地執(zhí)行規(guī)劃軌跡的速度曲線是起重機精確定位的前提，然而起重機大車和小車機構(gòu)均采用輪式傳動，在運行過程中必定會出現(xiàn)車輪打滑的情況。車輪打滑使得目標速度和實際速度出現(xiàn)偏差，偏離規(guī)劃的實時速度，也將影響最終的定位精度。因此，定位過程需要兼顧速度匹配與打滑累計誤差的消除。

起重機定位流程如圖6 所示，通過模糊PID[8]算法動態(tài)調(diào)整設定速度，從而保證正常運行狀態(tài)以及存在車輪打滑情況下實際反饋速度與規(guī)劃速度的匹配。結(jié)合位置傳感器的實時位置檢測，能夠有效消除打滑導致的累計誤差，從而實現(xiàn)起重機的精確定位。速度匹配通過模糊PID算法實現(xiàn)，具體實現(xiàn)如下：

圖6 定位實現(xiàn)過程Fig.6 Positioning implementation process

1）模糊化設計：輸入量為速度偏差e和偏差變化率ec，輸出量為ΔKP,ΔKi,ΔKd，設置基本論域為（-10，10），確定出輸入與輸出變量的隸屬度函數(shù)；

2）制定模糊規(guī)則：總結(jié)實際經(jīng)驗基礎(chǔ)上，設計出ΔKP,ΔKi,ΔKd三個參數(shù)的模糊規(guī)則表；

3）PID參數(shù)初始化：設定初始值KP,Ki,Kd；

4）PID 參數(shù)調(diào)整：依據(jù)e，ec實時值，查詢模糊規(guī)則表，找出對應的ΔKP,ΔKi,ΔKd，更新PID參數(shù)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應用案例

根據(jù)系統(tǒng)設計方案進行集裝箱定位系統(tǒng)開發(fā)，并在成都鐵路局某集裝箱貨場進行測試應用。檢測裝置如下：選擇SICK 公司型號為LMS151 激光雷達，角分辨率為0.25°，選擇該公司型號為AFM60編碼器，誤差極限為0.03°；選擇DIMETIX公司DAN-30-150激光測距儀，精度為3 mm。

在Visual Studio 2017 環(huán)境下采用C++語言完成大車方向集裝箱位置檢測程序開發(fā)，程序主要包括2D 激光掃描儀器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、基于平行坐標集裝箱位置檢測算法實現(xiàn)、過程可視化、測量結(jié)果傳送（PLC 通訊）5 大模塊。檢測的過程數(shù)據(jù)如圖7 所示，預處理算法能夠?qū)Ω蓴_點進行有效濾除，數(shù)據(jù)點在平行坐標系下交點集中在x，y軸構(gòu)成的區(qū)域內(nèi)，通過前面敘述的基于平行坐標系的集裝箱位置檢測算法可準確計算出集裝箱中心位置。

圖7 集裝箱位置檢測各階段數(shù)據(jù)Fig.7 Products at all stages of the container positioning system

集裝箱自動定位系統(tǒng)配置人機界面，如圖8所示。人機界面實時顯示起重機狀態(tài)信息并具備下發(fā)自動對箱命令的功能。

圖8 觸摸屏程序界面Fig.8 HMI program interface

為了測試系統(tǒng)的工作效率，以人工手動作業(yè)作為比對數(shù)據(jù)，各自隨機選取100 次集裝箱裝卸作業(yè)過程進行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表1所示。

表1 操作數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of operation data

4 結(jié)論

針對鐵路貨場起重機作業(yè)時集裝箱對箱工作難度高、作業(yè)效率低的問題，設計了一套基于激光雷達測量技術(shù)的集裝箱定位系統(tǒng)。運用2D激光雷達掃描得到的數(shù)據(jù)點集合，采用基于平行坐標系數(shù)據(jù)變換方式對數(shù)據(jù)點進行分析處理以實現(xiàn)集裝箱的位置檢測。結(jié)合起重機位置檢測和定位算法，讓集裝箱對箱工作自動化。通過實際項目驗證表明：該系統(tǒng)方案可行，實現(xiàn)了集裝箱對箱的自動作業(yè)，降低了操作人員勞動強度，作業(yè)效率提高了15%。