輪胎式自動(dòng)化場(chǎng)橋箱區(qū)防碰撞保護(hù)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王勇

（天津港聯(lián)盟國(guó)際集裝箱碼頭有限公司，天津 300456）

隨著綠色智能化港口的步伐加快，大多數(shù)傳統(tǒng)碼頭都開(kāi)始陸續(xù)加入自動(dòng)化升級(jí)的隊(duì)伍中。在傳統(tǒng)碼頭自動(dòng)化升級(jí)過(guò)程中，面臨最多的則是輪胎式場(chǎng)橋（RTG）的自動(dòng)化升級(jí)。RTG 自動(dòng)化改造過(guò)程中，保證設(shè)備在自動(dòng)化運(yùn)行過(guò)程中的安全是極為重要的。為此則需要增加箱區(qū)防撞保護(hù)系統(tǒng)。箱區(qū)防撞保護(hù)系統(tǒng)包括小車(chē)方向和吊具起升方向的保護(hù)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 小車(chē)防撞保護(hù)系統(tǒng)

在小車(chē)平臺(tái)的前方和后方各安裝1 個(gè)的激光掃描裝置，實(shí)時(shí)掃描龍門(mén)吊堆場(chǎng)內(nèi)集裝箱或障礙物高度和輪廓信息。在小車(chē)運(yùn)行時(shí)，小車(chē)前方和后方的激光掃描儀會(huì)實(shí)時(shí)掃描到行進(jìn)方向箱區(qū)的高度信息和吊具的高度，當(dāng)?shù)蹙叩母叨扰c箱區(qū)的高度差小于設(shè)定值(默認(rèn)值1m)，在小車(chē)方向吊具離高箱的距離小于一定的距離時(shí)(距離可自行設(shè)定)實(shí)現(xiàn)小車(chē)減速、停止、急停三級(jí)保護(hù)，從而防止碰撞事故。

1.2 吊具防撞保護(hù)系統(tǒng)

為了避免在自動(dòng)或遠(yuǎn)程手動(dòng)作業(yè)時(shí)，吊具在下降過(guò)程中砸到相鄰列或者相鄰貝的集裝箱，在吊具上安裝傳感器進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)?shù)蹙咦詣?dòng)下降時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)吊具與周?chē)b箱或者障礙物的距離，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的距離小于設(shè)定的范圍值后，場(chǎng)橋自動(dòng)化控制系統(tǒng)停止吊具和小車(chē)的動(dòng)作，并進(jìn)行報(bào)警轉(zhuǎn)人工處理。

2 測(cè)距傳感器選擇

本部分將從原理和碼頭作業(yè)環(huán)境等角度，選擇防撞系統(tǒng)所用測(cè)距傳感器的類(lèi)型。常見(jiàn)的測(cè)距傳感器有超聲波測(cè)距傳感器和激光測(cè)距傳感器兩種。

2.1 超聲波測(cè)距傳感器

超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。首先，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間T 秒，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離L，即：L=C×T/2。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。

由于超聲波也是一種聲波，其聲速C 與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕ＵＭㄟ^(guò)實(shí)際的測(cè)試，超聲波測(cè)距的距離有限且超聲波測(cè)距點(diǎn)的范圍比較大，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，集裝箱堆場(chǎng)的箱縫一般在40cm 左右，超聲波傳感器很難在這種情況下應(yīng)用。

2.2 單點(diǎn)激光傳感器

按照實(shí)際考慮，可以裝在吊具上用來(lái)做測(cè)距的激光傳感器為單點(diǎn)激光傳感器和小型單線激光掃描雷達(dá)。單點(diǎn)傳感器一次只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，即只有正對(duì)障礙物的時(shí)候才能測(cè)到吊具與障礙物之間的距離。四繩吊具下降過(guò)程中，由于本身機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生扭動(dòng)，使得單點(diǎn)傳感器在晃動(dòng)的過(guò)程中很容易被觸發(fā)。故最終選擇在吊具上安裝單線激光掃描儀來(lái)實(shí)現(xiàn)吊具過(guò)程中的防撞保護(hù)。

2.3 單線激光掃描儀

單線激光掃描儀同時(shí)可以測(cè)量一個(gè)掃描面上的所有能掃描到的物體的距離。

2.3.1 掃描原理

激光掃描儀一般基于脈沖時(shí)間飛行原理（TOF），通過(guò)連續(xù)不停地發(fā)射激光脈沖，由旋轉(zhuǎn)光學(xué)機(jī)構(gòu)將激光脈沖按一定角度間隔（角度分辨率）發(fā)射向掃描角度內(nèi)的各個(gè)方向而形成一個(gè)徑向坐標(biāo)為基準(zhǔn)的二維掃描面。被測(cè)物體位置信息通過(guò)掃描儀到物體的距離及對(duì)應(yīng)的角度數(shù)據(jù)給出相關(guān)示意圖，如圖1、2 所示。

圖1 激光掃描儀的旋轉(zhuǎn)光學(xué)機(jī)構(gòu)

2.3.2 掃描關(guān)鍵參數(shù)

激光掃描系統(tǒng)的硬件關(guān)鍵因素有掃描距離、掃描角度、掃描頻率、掃描精度等。

掃描距離是指激光掃描儀可以測(cè)量的最遠(yuǎn)距離，此參數(shù)在實(shí)際使用過(guò)程中受環(huán)境影響較大。主要影響因素有：目標(biāo)物體表面反射率，目標(biāo)物體形狀，環(huán)境干擾等等；一般情況下，廠家會(huì)標(biāo)明物體表面反射率為10%和90%情況下激光掃描儀的測(cè)量距離，如圖2 所示。

圖2 掃描距離示意圖

掃描角度是指即掃描儀能覆蓋的角度范圍，如圖3所示。

圖3 掃描角度示意圖

掃描頻率是指激光掃描儀每秒鐘掃描的次數(shù),示意圖如圖4 所示。

圖4 掃描頻率示意圖

掃描角度分辨率指兩個(gè)相鄰發(fā)射激光束之間的夾角，如圖5 所示。

圖5 掃描角度分辨率示意圖

2.3.3 掃描精度

掃描精度分為兩種表達(dá)方式：系統(tǒng)誤差和統(tǒng)計(jì)誤差。系統(tǒng)誤差是指激光掃描儀多次測(cè)量的平均值與真值之間的誤差；系統(tǒng)誤差不能被完全消除，但可以通過(guò)預(yù)先的標(biāo)定減小系統(tǒng)誤差影響；統(tǒng)計(jì)誤差是指激光掃描儀多次測(cè)量的均方差；統(tǒng)計(jì)誤差可以采用多次測(cè)量取均值減小。

2.3.4 激光掃描儀在系統(tǒng)中的應(yīng)用

在吊具四周安裝單線激光掃描儀，激光射線垂直向下掃描，安裝位置略大于集裝箱寬度、長(zhǎng)度，保證可以掃描到下方的信息。為了很好地起到防撞保護(hù)作用，可以將設(shè)置減速、停止、急停三級(jí)保護(hù)，選取一定的監(jiān)測(cè)范圍，分別對(duì)應(yīng)的防護(hù)距離為D1、D2、D3,當(dāng)該區(qū)域測(cè)距激光返回的最近結(jié)果D，當(dāng)說(shuō)明在吊具下方有障礙物，則觸發(fā)減速，當(dāng)D ＜D2 時(shí)，則說(shuō)明進(jìn)行停止保護(hù)，當(dāng)D ＜D3 時(shí)則需要立即停止，否則，就會(huì)撞到旁邊的集裝箱上。

對(duì)于D1、D2、D3 距離的選擇，需要根據(jù)吊具起升的加速度和最大速度以及負(fù)載的重量進(jìn)行計(jì)算。速度和加速度的不同會(huì)導(dǎo)致距離的不同，具體的可以在場(chǎng)橋的機(jī)械圖紙手冊(cè)上找到。安全起見(jiàn)，當(dāng)計(jì)算出D1、D2、D3距離后，需要吊具吊著水箱進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試。

3 影響防撞系統(tǒng)的因素

3.1 小車(chē)方向防撞保護(hù)的影響因素

當(dāng)小車(chē)行駛到兩側(cè)后，由于RTG 兩邊的橫梁會(huì)對(duì)小車(chē)方向的防撞起到保護(hù)作用，從而使小車(chē)不能正常地作業(yè)，因此，需要根據(jù)小車(chē)的位置，對(duì)保護(hù)的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，當(dāng)小車(chē)運(yùn)行到橫梁附近時(shí)，需要逐漸縮小保護(hù)范圍，以保證設(shè)備的正常工作。

3.2 影響吊具下降防撞保護(hù)的因素

3.2.1 場(chǎng)橋自動(dòng)定位的影響

首先，假設(shè)堆場(chǎng)內(nèi)集裝箱擺放整齊，箱縫距離也正常，則影響下降保護(hù)的因素有大車(chē)定位的精度、大車(chē)的糾偏精度、小車(chē)定位的精度、吊具的回零居中等。

自動(dòng)化作業(yè)對(duì)大車(chē)的定位要求在±5cm 以?xún)?nèi)，當(dāng)定位精度在這個(gè)范圍內(nèi)的時(shí)候，則吊具在正常下降的過(guò)程中傳感器不會(huì)被觸發(fā)，設(shè)備可以正常工作。如果大車(chē)定位的精度大于一定的范圍且旁邊貝位有集裝箱，則在下降的過(guò)程中，激光掃描儀則很容易掃描到旁邊貝位的集裝箱，從而造成觸發(fā)報(bào)警，而這種觸發(fā)雖然起到了保護(hù)作用，但并不是我們希望看到的。故這種應(yīng)用就需要將大車(chē)定位的精度按照要求做到±5cm 以?xún)?nèi)。

當(dāng)大車(chē)的糾偏效果不好的時(shí)候，在吊具歸零后，其相對(duì)于堆場(chǎng)的集裝箱是斜著的，在吊具下降的過(guò)程中，激光掃描儀則很容易掃描到旁邊列位的集裝箱，從而造成誤觸發(fā)。同樣，小車(chē)定位不準(zhǔn)的時(shí)候，吊具會(huì)相對(duì)靠近旁邊列的集裝箱，在吊具下降的過(guò)程中，吊具上激光掃描儀則很容易掃描到旁邊列位的集裝箱，也會(huì)造成誤觸發(fā)。

3.2.2 堆場(chǎng)的影響

堆場(chǎng)中影響防撞的主要因素是箱縫之間的寬度和場(chǎng)地的平整度。當(dāng)箱縫之間的距離過(guò)小時(shí)，吊具在下降的過(guò)程中，吊具上的激光掃描儀很容易掃描到旁邊貝位或者列位的集裝箱，從而造成保護(hù)觸發(fā)，這種保護(hù)觸發(fā)多了后，會(huì)影響正常的作業(yè)。場(chǎng)地的平整度不好的情況下，兩側(cè)的集裝箱堆放高了會(huì)向兩側(cè)傾斜，吊具在下降的過(guò)程中，吊具上的激光掃描儀很容易掃描到旁邊列位的集裝箱，從而造成保護(hù)觸發(fā)。這種保護(hù)觸發(fā)多了后，也會(huì)影響正常的作業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從各測(cè)距傳感器的原理出發(fā)，采用單線激光掃描儀組建箱區(qū)防碰撞保護(hù)系統(tǒng)并論述其組成、應(yīng)用及影響因素，可充分保護(hù)RTG 自動(dòng)化改造與作業(yè)。