門(mén)座起重機(jī)自動(dòng)防撞保護(hù)技術(shù)研究

萬(wàn)錦旗 陶慶永

江蘇蘇港智能裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司

1 引言

碼頭前沿門(mén)座起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱門(mén)機(jī))在裝卸船作業(yè)過(guò)程中,會(huì)存在幾臺(tái)門(mén)機(jī)同時(shí)對(duì)1條船進(jìn)行裝卸作業(yè)的工況,此時(shí)幾臺(tái)門(mén)機(jī)之間的相對(duì)距離較小。門(mén)機(jī)在作業(yè)過(guò)程中,回轉(zhuǎn)、變幅、行走機(jī)構(gòu)的配合動(dòng)作,使得門(mén)機(jī)的作業(yè)半徑實(shí)時(shí)在變化。當(dāng)相鄰的2臺(tái)門(mén)機(jī)的作業(yè)范圍出現(xiàn)重疊時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)2臺(tái)門(mén)機(jī)主體結(jié)構(gòu)互相碰撞的情況,導(dǎo)致重大安全事故(見(jiàn)圖1)。

圖1 門(mén)機(jī)交叉作業(yè)示意圖

目前,防止相鄰門(mén)機(jī)主體結(jié)構(gòu)互相碰撞,主要靠門(mén)機(jī)操作司機(jī)的視線觀察,人工控制門(mén)機(jī)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作,避免2臺(tái)門(mén)機(jī)主體結(jié)構(gòu)作業(yè)范圍重疊,但受到人的主觀意識(shí)影響,不能完全避免此類事故。門(mén)機(jī)自動(dòng)化作業(yè)是未來(lái)港口發(fā)展的趨勢(shì),自動(dòng)化作業(yè)時(shí)門(mén)機(jī)上沒(méi)有司機(jī),門(mén)機(jī)按照程序設(shè)定的作業(yè)流程進(jìn)行全自動(dòng)化作業(yè),相鄰門(mén)機(jī)之間的防碰撞無(wú)法人為控制,因此門(mén)機(jī)安全防撞是門(mén)機(jī)自動(dòng)化作業(yè)一項(xiàng)非常重要的技術(shù)問(wèn)題,亟待解決。

為了解決門(mén)機(jī)交叉作業(yè)會(huì)出現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)互相碰撞問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種門(mén)座起重機(jī)自動(dòng)防撞保護(hù)系統(tǒng),包括PLC控制系統(tǒng)、門(mén)機(jī)位姿數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、位姿數(shù)據(jù)平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、無(wú)線通信數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、防碰撞控制策略、碰撞預(yù)防報(bào)警系統(tǒng)等。

2 門(mén)座起重機(jī)自動(dòng)防撞保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集,利用程序運(yùn)算得到門(mén)機(jī)的位姿數(shù)據(jù),并將位姿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到平面坐標(biāo)系模型里以點(diǎn)坐標(biāo)顯示。安全防碰撞系統(tǒng)程序自動(dòng)監(jiān)控每臺(tái)門(mén)機(jī)的實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù),運(yùn)用防碰撞控制策略,當(dāng)計(jì)算出2臺(tái)門(mén)機(jī)的位姿點(diǎn)集坐標(biāo)在接下來(lái)的運(yùn)行中有重合的可能時(shí),則會(huì)報(bào)警并限制本機(jī)當(dāng)前動(dòng)作,直到重合可能性消失,限制解除,本機(jī)繼續(xù)動(dòng)作。系統(tǒng)架構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)是被動(dòng)防撞安全保護(hù)系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的處理、在平面坐標(biāo)系實(shí)時(shí)更新門(mén)機(jī)的位姿點(diǎn)集坐標(biāo)數(shù)據(jù)、建立相鄰門(mén)機(jī)之間的數(shù)據(jù)無(wú)線通訊、執(zhí)行防碰撞策略。

系統(tǒng)在獲取本機(jī)位姿數(shù)據(jù)后,PLC將本機(jī)位姿數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊方式發(fā)送給相鄰的門(mén)機(jī),同時(shí)接收相鄰門(mén)機(jī)的位姿數(shù)據(jù),達(dá)到數(shù)據(jù)交換的目的,并轉(zhuǎn)化到平面坐標(biāo)系模型里實(shí)時(shí)顯示位姿點(diǎn)集坐標(biāo)。PLC根據(jù)本機(jī)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)計(jì)算本機(jī)未來(lái)的位姿點(diǎn)集變化數(shù)據(jù),運(yùn)行防碰撞策略,判斷發(fā)生碰撞的可能,并控制碰撞預(yù)防報(bào)警系統(tǒng)[1]。

2.2 門(mén)機(jī)位姿數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

相鄰門(mén)機(jī)之間的碰撞,主要有門(mén)機(jī)臂架系統(tǒng)與臂架系統(tǒng)之間的碰撞、臂架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)房結(jié)構(gòu)之間的碰撞,因此需要采集門(mén)機(jī)變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)的位姿數(shù)據(jù)。通過(guò)在以上機(jī)構(gòu)安裝絕對(duì)值編碼器采集相關(guān)數(shù)據(jù)。絕對(duì)值編碼器信號(hào)通過(guò)DP通訊接入PLC,PLC控制程序根據(jù)采集的數(shù)據(jù)并結(jié)合主體結(jié)構(gòu)的相關(guān)尺寸,計(jì)算出各機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位姿數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化到平面坐標(biāo)系模型里,以點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成門(mén)機(jī)輪實(shí)時(shí)廓線(見(jiàn)圖3)。

1.臂架系統(tǒng)投影線 2.轉(zhuǎn)盤(pán)外輪廓投影線圖3 門(mén)機(jī)平面坐標(biāo)系模型示意圖

2.3 門(mén)機(jī)實(shí)時(shí)位姿檢測(cè)系統(tǒng)

2.3.1 工作幅度位置檢測(cè)

門(mén)機(jī)工作幅度位置檢測(cè),用來(lái)檢測(cè)臂架系統(tǒng)的象鼻梁最前端距離回轉(zhuǎn)中心的水平距離,即門(mén)機(jī)的工作幅度。在變幅機(jī)構(gòu)小齒輪軸端安裝多圈絕對(duì)值編碼器,檢測(cè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度。以門(mén)機(jī)處于最大工作幅度Rmax處時(shí)定為絕對(duì)值編碼器的角度零點(diǎn),此時(shí)變幅小齒輪中心到臂架與變幅齒條鉸點(diǎn)中心的直線距離為Smax。當(dāng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),絕對(duì)值編碼器檢測(cè)到小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度為α,輸出此數(shù)據(jù)給控制程序,程序運(yùn)行算法將其轉(zhuǎn)換為變幅齒條的運(yùn)行距離值S,再結(jié)合已設(shè)定的臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù),計(jì)算出象鼻梁最前端距離回轉(zhuǎn)中心的水平距離。

采用絕對(duì)值編碼器檢測(cè)門(mén)機(jī)的實(shí)時(shí)工作幅度,同時(shí)在臂架根部安裝1臺(tái)傾角傳感器,用于對(duì)臂架傾角的輔助檢測(cè)和對(duì)絕對(duì)值編碼器數(shù)值的校驗(yàn)。

2.3.2 回轉(zhuǎn)角度檢測(cè)

門(mén)機(jī)回轉(zhuǎn)角度位置檢測(cè),用來(lái)檢測(cè)臂架系統(tǒng)在水平面上的投影線與軌道中心線之間的夾角,即回轉(zhuǎn)角度γ。在回轉(zhuǎn)大軸承外側(cè)安裝1個(gè)從動(dòng)小齒輪,從動(dòng)小齒輪的軸線需處在臂架系統(tǒng)縱向?qū)ΨQ面上,從動(dòng)小齒輪與回轉(zhuǎn)大軸承固定主齒圈嚙合,從動(dòng)小齒輪輪繞著固定主齒圈做行星運(yùn)動(dòng)[2](見(jiàn)圖4)。

1.絕對(duì)值編碼器 2.從動(dòng)小齒輪 3.固定主齒圈 4.轉(zhuǎn)動(dòng)圈圖4 回轉(zhuǎn)角度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在從動(dòng)小齒輪軸端安裝多圈絕對(duì)值編碼器,檢測(cè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度。以門(mén)機(jī)的臂架朝向平行于碼頭軌道時(shí)定為絕對(duì)值編碼器的角度零點(diǎn)。當(dāng)門(mén)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行,絕對(duì)值編碼器檢測(cè)到從動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度為α,輸出此數(shù)據(jù)給控制系統(tǒng)程序,控制系統(tǒng)程序再結(jié)合已設(shè)定的門(mén)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù),計(jì)算出門(mén)機(jī)的回轉(zhuǎn)角度γ。γ=R2×α/R1,R1為固定主齒圈分度圓半徑,R2為從動(dòng)小齒輪分度圓半徑。回轉(zhuǎn)角度檢測(cè)計(jì)算數(shù)據(jù)模型見(jiàn)圖5。

采用絕對(duì)值編碼器檢測(cè)門(mén)機(jī)的實(shí)時(shí)回轉(zhuǎn)角度,同時(shí)在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上固定安裝1個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān),跟隨回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一起回轉(zhuǎn)。在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下方平臺(tái)上增加1個(gè)感應(yīng)塊,感應(yīng)塊的位置為固定回轉(zhuǎn)角度0°位置。當(dāng)門(mén)機(jī)回轉(zhuǎn)到該角度時(shí),對(duì)應(yīng)的感應(yīng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作,給回轉(zhuǎn)角度編碼器賦值,從而實(shí)現(xiàn)位置校正。

2.3.3 門(mén)機(jī)回轉(zhuǎn)中心在碼頭軌道上的位置檢測(cè)

為測(cè)量門(mén)機(jī)在碼頭軌道上所處的位置,在行走機(jī)構(gòu)從動(dòng)車輪的車輪軸端安裝1臺(tái)多圈絕對(duì)值編碼器,檢測(cè)從動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在碼頭軌道的一端定1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),測(cè)量此時(shí)門(mén)機(jī)回轉(zhuǎn)中心到此基準(zhǔn)點(diǎn)沿軌道方向的距離e,此處定為絕對(duì)值編碼器的角度零點(diǎn)。當(dāng)門(mén)機(jī)行走時(shí),從動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng),絕對(duì)值編碼器檢測(cè)到從動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度為α,輸出此數(shù)據(jù)給控制系統(tǒng)程序,程序運(yùn)行算法將其轉(zhuǎn)換為門(mén)機(jī)行走距離值f,f=π×D×α/360,D為從動(dòng)車輪的直徑。控制系統(tǒng)程序再結(jié)合已設(shè)定的e值,計(jì)算出門(mén)機(jī)回轉(zhuǎn)中心到軌道上基準(zhǔn)點(diǎn)的距離s(見(jiàn)圖6)。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜,有粉塵等雜質(zhì)降落在軌道上,經(jīng)過(guò)車輪反復(fù)碾壓后可能會(huì)粘連在車輪表面,從而導(dǎo)致在運(yùn)行過(guò)程中測(cè)量值不準(zhǔn)確,需要安裝RFID磁釘系統(tǒng),用來(lái)讀取碼頭預(yù)埋載碼體信息。傳感器根據(jù)感應(yīng)磁釘?shù)膬?nèi)容,反向計(jì)算編碼器定位值,計(jì)算行走距離,對(duì)編碼器的數(shù)值進(jìn)行校準(zhǔn),載碼體的安裝可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況按照5～10 m的間隔距離進(jìn)行布置。

2.4 門(mén)機(jī)位姿數(shù)據(jù)平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化

以碼頭面上一端的統(tǒng)一基準(zhǔn)點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),大車軌道方向?yàn)閤軸,建立直角坐標(biāo)系。門(mén)機(jī)輪廓線包含臂架系統(tǒng)在水平面上的投影線、門(mén)機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)外輪廓在水平面上的投影線,將投影線上點(diǎn)的坐標(biāo)組合,形成門(mén)機(jī)輪廓點(diǎn)集坐標(biāo)數(shù)據(jù)。點(diǎn)集坐標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)自位姿檢測(cè)系統(tǒng)采集的門(mén)機(jī)當(dāng)前的工作幅度Rs、回轉(zhuǎn)角度γ、回轉(zhuǎn)中心到軌道上基準(zhǔn)點(diǎn)的距離s。

臂架系統(tǒng)在水平面上的投影線,其線段2個(gè)端點(diǎn)(回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)、臂架系統(tǒng)投影線最前端點(diǎn))的坐標(biāo)分別為(x0,y0),(xs,ys)。其中,x0=s,y0=0,xs=s+Rs×cosγ,ys=Rs×sinγ。根據(jù)2個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo),采用Bresenham算法在平面坐標(biāo)系里生成臂架系統(tǒng)投影線。

在相鄰的幾臺(tái)門(mén)機(jī)上都安裝安全防撞保護(hù)系統(tǒng),門(mén)機(jī)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)位姿信息數(shù)據(jù)的交互。本機(jī)接收到相鄰門(mén)機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的位姿數(shù)據(jù)后,會(huì)將該門(mén)機(jī)的位姿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到同一坐標(biāo)系里,實(shí)時(shí)顯示相鄰門(mén)機(jī)的位姿,使得每臺(tái)門(mén)機(jī)上的安全防撞保護(hù)系統(tǒng)里都有本機(jī)及相鄰門(mén)機(jī)的實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖7)。

1.相鄰門(mén)機(jī)2 2.本機(jī) 3.相鄰門(mén)機(jī)3圖7 多門(mén)機(jī)平面坐標(biāo)系模型示意圖

3 自動(dòng)防碰撞策略控制

防碰撞策略是基于本機(jī)的位姿數(shù)據(jù),結(jié)合相鄰門(mén)機(jī)的位姿數(shù)據(jù),以及門(mén)機(jī)接下來(lái)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),計(jì)算本機(jī)輪廓點(diǎn)集坐標(biāo)數(shù)據(jù)與相鄰門(mén)機(jī)的點(diǎn)集坐標(biāo)數(shù)據(jù)有無(wú)重合的可能。

假設(shè)門(mén)機(jī)當(dāng)前臂架系統(tǒng)水平面投影線最前端點(diǎn)的坐標(biāo)為(xs1,ys1),該坐標(biāo)值系統(tǒng)可實(shí)時(shí)讀取,門(mén)機(jī)此時(shí)工作幅度Rs和回轉(zhuǎn)角度γ系統(tǒng)也可實(shí)時(shí)讀取,門(mén)機(jī)實(shí)時(shí)回轉(zhuǎn)速度為r,變幅實(shí)時(shí)速度為v,回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速時(shí)間t1,變幅機(jī)構(gòu)減速時(shí)間t2。門(mén)機(jī)此時(shí)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)可分為4種工況:①門(mén)機(jī)逆時(shí)針回轉(zhuǎn)、增幅;②門(mén)機(jī)順時(shí)針回轉(zhuǎn)、增幅;③門(mén)機(jī)逆時(shí)針回轉(zhuǎn)、減幅;④門(mén)機(jī)順時(shí)針回轉(zhuǎn)、減幅。若門(mén)機(jī)此時(shí)制動(dòng),完全停止時(shí)臂架系統(tǒng)水平面投影線最前端點(diǎn)的坐標(biāo)將變?yōu)?xs2,ys2),根據(jù)算法公式可得出此時(shí)點(diǎn)坐標(biāo)的具體數(shù)值,算法公式如下:

(1)門(mén)機(jī)逆時(shí)針回轉(zhuǎn)、增幅工況

(cosγ-cos(γ+6r×t1))

(1)

(sin(γ+6r×t1)-sinγ)

(2)

(2)門(mén)機(jī)順時(shí)針回轉(zhuǎn)、增幅工況

(cos(γ-6r×t1)-cosγ)

(3)

(sinγ-sin(γ-6r×t1))

(4)

(3)門(mén)機(jī)逆時(shí)針回轉(zhuǎn)、減幅工況

(cosγ-cos(γ+6r×t1))

(5)

(sin(γ+6r×t1)-sinγ)

(6)

(4)門(mén)機(jī)順時(shí)針回轉(zhuǎn)、減幅工況

(cos(γ-6r×t1)-cosγ)

(7)

(sinγ-sin(γ-6r×t1))

(8)

系統(tǒng)根據(jù)工作幅度Rs和回轉(zhuǎn)角度γ的變化情況(Rs變大為增幅,γ變大為逆時(shí)針回轉(zhuǎn),反之亦然),首先判斷出門(mén)機(jī)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為何種工況,然后根據(jù)對(duì)應(yīng)工況下的算法公式計(jì)算出門(mén)機(jī)此時(shí)制動(dòng)到完全停止時(shí)臂架系統(tǒng)水平面投影線最前端點(diǎn)的坐標(biāo)值(xs2,ys2),再結(jié)合回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的坐標(biāo)分(x0,y0),采用上述的Bresenham算法可在平面坐標(biāo)系里生成門(mén)機(jī)制動(dòng)靜止時(shí)臂架系統(tǒng)投影線。

門(mén)機(jī)制動(dòng)靜止時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)外輪廓投影線點(diǎn)坐標(biāo)根據(jù)門(mén)機(jī)制動(dòng)前的轉(zhuǎn)盤(pán)外輪廓投影線點(diǎn)坐標(biāo),運(yùn)用平面坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換矩陣算法得到。假設(shè)門(mén)機(jī)繞回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)(x0,y0)回轉(zhuǎn)了角度Δγ,平面坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換矩陣算法如下:

Δγ=6r×t1,c=cosΔγ,s=sinΔγ

(9)

(10)

由上式可得出,本機(jī)若此時(shí)制動(dòng)到靜止時(shí)門(mén)機(jī)的輪廓點(diǎn)集坐標(biāo)數(shù)據(jù),系統(tǒng)程序?qū)⒋溯喞c(diǎn)集坐標(biāo)數(shù)據(jù)與相鄰門(mén)機(jī)的實(shí)時(shí)輪廓點(diǎn)集坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),若出現(xiàn)點(diǎn)集坐標(biāo)數(shù)據(jù)有重合的情況,則判斷為兩機(jī)有碰撞可能,防撞系統(tǒng)報(bào)警并由PLC發(fā)出信號(hào)限制本機(jī)當(dāng)前動(dòng)作,直到點(diǎn)坐標(biāo)重合的情況消失,限制解除,本機(jī)繼續(xù)動(dòng)作。自動(dòng)防撞系統(tǒng)程序流程圖見(jiàn)圖8。

圖8 自動(dòng)防撞系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

該技術(shù)已應(yīng)用于部分自動(dòng)化門(mén)機(jī)上。應(yīng)用結(jié)果表明,該技術(shù)能夠在多臺(tái)自動(dòng)化門(mén)機(jī)協(xié)同作業(yè)時(shí),通過(guò)門(mén)機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊,實(shí)時(shí)檢測(cè)本機(jī)位姿信息及相鄰門(mén)機(jī)的位姿信息,在同一坐標(biāo)系內(nèi)運(yùn)用防碰撞策略,從而有效地預(yù)防門(mén)機(jī)之間發(fā)生碰撞事故。該技術(shù)相比其他防撞技術(shù),向縮小碰撞區(qū)域,防碰撞預(yù)判更精準(zhǔn),減少門(mén)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的不必要的限制,減少門(mén)機(jī)被限制過(guò)長(zhǎng)時(shí)間且被限制頻率過(guò)高的情況,提高自動(dòng)化門(mén)機(jī)作業(yè)效率。