基于激光雷達的散貨裝船機智能防撞系統(tǒng)*

歐陽興東 張春光 劉洪傳 黃開萍 周智恒鄧永裕 陳 煒 董美蓉

1 廣州發(fā)展燃料港口有限公司 2 華南理工大學(xué)電力學(xué)院

1 引言

散貨裝船機是用于裝載煤炭、礦石、谷物等散裝貨物的專用設(shè)備,在港口物流中發(fā)揮重要的作用。傳統(tǒng)散貨裝船機通常依靠人工操作進行貨物裝載,存在一些由主客觀因素導(dǎo)致的安全隱患;由于裝船機操作空間狹小、工作環(huán)境復(fù)雜,人工操作容易受到影響,從而增加事故發(fā)生的風(fēng)險;裝船機在裝載過程中需要與船舶緊密對接,如果操作不慎可能會引發(fā)意外事故,導(dǎo)致人員傷害和設(shè)備損壞等問題[1]。

為了解決上述問題,已有研究者提出一些優(yōu)化方案。楊文博提出一種基于編碼器的溜筒防碰撞限位策略,通過設(shè)置裝船機整機行走及臂架伸縮極限限位的方法,為溜筒限定安全作業(yè)區(qū)。這種機械限位的方法只有當溜筒運動到極限位置才能觸發(fā)響應(yīng),而無法應(yīng)對諸如船體漂移引發(fā)的碰撞等突發(fā)狀況[2]。閆超結(jié)合裝船機工作實際情況,通過在溜筒平臺安裝雷達傳感器的形式設(shè)計出一套保護裝置,使得溜筒防碰撞響應(yīng)更加靈活,可提高設(shè)備安全性[3]。實際上,裝船機在裝料作業(yè)和移艙過程中涉及到整機行走、懸臂回轉(zhuǎn)、懸臂俯仰和溜筒伸縮等不同的機構(gòu)運動,除了溜筒可能與船艙、雨傘架等發(fā)生碰撞外,大車及懸臂也存在一定的碰撞隱患,特別是在無人化智能裝船系統(tǒng)中,需要整體考慮各部件的潛在碰撞風(fēng)險。如何根據(jù)不同的碰撞情景,作出正確及時的安全預(yù)警和動作響應(yīng),合理設(shè)計碰撞情形下各運動機構(gòu)的聯(lián)鎖控制機制,對于提高裝船機安全性能和工作效率具有重要意義。

激光雷達是一種先進感知硬件,具有探測范圍廣、分辨率高和抗干擾能力強等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于自動(輔助)駕駛、智能機器人和地形測繪等領(lǐng)域。因此提出基于激光雷達和智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)的自動化裝船機防撞方案,可以實現(xiàn)裝船機工作時的全方位安全監(jiān)控和防撞預(yù)警,旨在提高散貨裝船機的安全性和港口的運營水平。

2 設(shè)計方案

該移動可回轉(zhuǎn)式裝船機主要用于裝煤,裝船能力為1 500 t/h。有效工作運行距離約為±70 m,最大行走速度30 m/min;回轉(zhuǎn)范圍為-90°～90°,最大回轉(zhuǎn)速度0.5 r/min;俯仰角度0～30°,最大俯仰速度3.6 m/min;溜筒伸縮行程4.5 m,最大伸縮速度5 m/min。裝船機工作中,大車沿軌道方向行走,懸臂沿旋轉(zhuǎn)中心軸回轉(zhuǎn)或在鋼索牽引下小角度俯仰,溜筒則沿豎直方向伸縮。根據(jù)不同機構(gòu)的運動特點,需要采取不同的雷達安裝方案,分別在大車4根立柱、懸臂兩側(cè)和溜筒上方共安裝7個半固態(tài)棱鏡架構(gòu)激光雷達。

所安裝的激光雷達能以自身為頂點,向前方錐形空間內(nèi)發(fā)射探測信號(激光束),接收目標反射回來的回波信號后,分析目標物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息,輸出3D點云數(shù)據(jù)。對于大車,安裝在前后4根立柱上的激光雷達能夠獲取行走軌道及其附近空間點云,可確保大車前進、后退路線附近空間的全方面監(jiān)控;安裝在回轉(zhuǎn)平臺懸臂兩側(cè)的激光雷達能夠探測懸臂回轉(zhuǎn)及俯仰時附近空間點云,實現(xiàn)探測信號在懸臂運動維度內(nèi)全覆蓋;安裝在溜筒上方平臺的激光雷達,可獲取溜筒筒身周圍及出口下方空間點云數(shù)據(jù)。該方案所采用的激光雷達及其安裝方案,具有根據(jù)特定防撞場景分機構(gòu)停機的自適應(yīng)功能,可以實現(xiàn)裝船機工作過程中所有運動機構(gòu)的監(jiān)控,避免無關(guān)機構(gòu)停機影響機構(gòu)壽命及生產(chǎn)運行效率,確保在所有潛在的碰撞風(fēng)險中進行合理高效的安全預(yù)警、動作響應(yīng)和多機構(gòu)聯(lián)鎖控制。

3 智能防撞系統(tǒng)

3.1 大車防撞模塊

大車的防撞由點云數(shù)據(jù)獲取與重構(gòu)、智能預(yù)警邏輯判斷、動作指令分發(fā)三大模塊組成,其基本實現(xiàn)邏輯見圖1。

圖1 大車防撞功能實現(xiàn)邏輯

原始點云的獲取將根據(jù)實際運行需求調(diào)整識別區(qū)域,以剔除點云重構(gòu)過程中的無效點云數(shù)據(jù),從而減小點云數(shù)據(jù)量。應(yīng)用濾波算法和法向量規(guī)則摳除背景,劃分出異物點云數(shù)據(jù)。為避免個別點云噪點對異物識別的判斷,將密度分簇算法用于處理異物點云數(shù)據(jù),從而劃分出異物,如果識別存在異物則進入安全邏輯判斷。在安全邏輯判斷處理過程中,異物與大車之間的最小距離D被計算,用于判斷安全狀態(tài),安全狀態(tài)包含正常、預(yù)警、緊急停機3種情況。

其對應(yīng)的判斷規(guī)則為:D值將作為判別障礙物是否侵入到大車安全工作范圍的依據(jù),若D大于預(yù)警距離Dwarning,則大車正常工作;若D小于Dwarning,預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出響應(yīng)指令,設(shè)備相應(yīng)地發(fā)出警報和/或亮警報燈。

預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出響應(yīng)指令后會同步進行下一步判別:若D大于等于停機距離Dshutdown,則保持警報和警燈閃爍,大車仍正常工作;若D小于Dshutdown,則系統(tǒng)進入緊急停機狀態(tài),機器緊急停機,并將程序識別的結(jié)果儲存,以便于工作人員快速排查障礙物。至此,一幀點云數(shù)據(jù)的處理分析與識別完成,程序自動調(diào)取下一幀原始點云數(shù)據(jù),進入新一輪的循環(huán)并覆蓋上一幀指令,從而實現(xiàn)防撞模塊的連續(xù)運行。

3.2 懸臂防撞模塊

為實現(xiàn)懸臂防撞功能,需要對激光雷達掃描得到的原始數(shù)據(jù)進行逐步處理與分析,并在相應(yīng)情況下實現(xiàn)障礙物識別,以及后續(xù)的預(yù)警響應(yīng)。防撞功能基本實現(xiàn)邏輯見圖2。

圖2 懸臂防撞功能實現(xiàn)邏輯

首先讀取雷達掃描得到的原始點云數(shù)據(jù),再根據(jù)懸臂實際安全工作范圍對點云數(shù)據(jù)進行剪除濾波、扣除背景、劃分出防撞監(jiān)控區(qū)域。由于懸臂工作時圍繞回轉(zhuǎn)基準軸轉(zhuǎn)動或小角度俯仰運動,即僅在接近與懸臂下平面平行的平面內(nèi)運動,故對懸臂進行幾何特征識別,采用隨機抽樣一致算法實現(xiàn)下平面的分割與提取;隨后,將整個監(jiān)控區(qū)域向該平面投影降維,此時懸臂應(yīng)具有明顯完整輪廓,可采用類聚算法將其與障礙物的點云簇進行識別和區(qū)分。根據(jù)類聚算法結(jié)果,若返回類數(shù)目為1,表明只有懸臂投影存在,懸臂正常工作;若返回類數(shù)目大于1(即存在有不同于懸臂的其他障礙物的投影),則需根據(jù)與原點(激光雷達安裝位置)之間的特征關(guān)聯(lián)性識別出屬于懸臂投影的聚類。以距離特征為例,根據(jù)激光雷達安裝方案,懸臂應(yīng)與雷達相距最近,從點云投影上看,懸臂點云簇與原點距離接近0,借此可以簡單識別出屬于懸臂本身的點云簇;再以懸臂投影為基準,計算其他障礙物投影到懸臂投影的最小距離D。

D值將作為判別障礙物是否侵入到懸臂安全工作范圍的依據(jù):若D大于二級預(yù)警距離Dwarning,則懸臂正常工作;若D小于Dwarning,預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出響應(yīng)指令,設(shè)備相應(yīng)地發(fā)出警報或亮警報燈。

防撞系統(tǒng)發(fā)出二級預(yù)警響應(yīng)時,還需進行下一步判別:若D大于等于一級預(yù)警距離Dshutdown,則保持警報和警燈閃爍,但懸臂仍正常工作;若D小于Dshutdown,則系統(tǒng)進入一級預(yù)警狀態(tài),機器緊急停機,并將程序識別的結(jié)果儲存,以便于工作人員快速排查障礙物。至此,一幀點云數(shù)據(jù)的處理分析與識別完成,程序自動調(diào)取下一幀原始點云數(shù)據(jù),進入新一輪的循環(huán)并覆蓋上一幀指令,從而實現(xiàn)防撞模塊的連續(xù)運行。

3.3 溜筒防撞模塊

溜筒防撞功能目的是完成對船壁面、雨傘架等障礙物的識別,必要情況下對溜筒運動機構(gòu)發(fā)出停機指令?；緦崿F(xiàn)邏輯見圖3。

圖3 溜筒防撞功能實現(xiàn)邏輯

第一步,讀取雷達掃描得到的原始點云數(shù)據(jù),通過對初始點云坐標變換以及編碼器數(shù)據(jù)完成溜筒出料口位置的實時定位;第二步,考慮到現(xiàn)場環(huán)境存在大量煤灰,原始點云數(shù)據(jù)中有大量噪點干擾,通過點云數(shù)據(jù)自帶的強度信息完成煤灰噪點的濾除;第三步,在已定位好的出料口圓心及已獲得溜筒工作區(qū)域的干凈點云基礎(chǔ)上,通過圓柱形搜索算法配合歐式聚類算法搜索溜筒周邊區(qū)域的點云,對于聚類成功的點云計算其位置及到溜筒的平面距離;第四步,根據(jù)異物點到溜筒的距離和位置,判斷是否發(fā)出對應(yīng)機構(gòu)的停機指令。

周邊點云的位置,以出料口圓心和半徑作為搜索依據(jù),可分為3部分區(qū)域:安全區(qū)域(R>5 m)、減速區(qū)域(R=3～5 m)、急停區(qū)域(R<3 m)。如果急停區(qū)域存在異物的歐式類,則認為有異物進入溜筒工作區(qū)域,需要緊急停機;同時根據(jù)異物的歐式類平均坐標判斷異物方向。區(qū)域劃分見圖4,以溜筒中心為原點,平行懸臂方向作為y軸、垂直懸臂方向作為x軸共劃分為4個區(qū)域,檢測到不同區(qū)域的異物則停止對應(yīng)的運動機構(gòu);例如異物平均坐標位于雷達坐標的象限1,則發(fā)出懸臂右擺及大車右行的停機指令。如果急停區(qū)域內(nèi)沒有異物類,則繼續(xù)判斷異物類的位置;如果異物類在減速區(qū)域內(nèi),則發(fā)出減速提醒信號;如果異物類在安全區(qū)域則判斷當前溜筒可正常作業(yè)。

圖4 溜筒異物方向判斷示意圖

4 功能驗證

基于激光雷達的散貨裝船機智能防撞系統(tǒng)搭建分為硬件與軟件部分。硬件部分主要實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)獲取和傳輸,軟件部分主要實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)處理分析、防撞限位控制和信息顯示。數(shù)據(jù)處理分析和限位控制主要由數(shù)據(jù)處理服務(wù)器完成,防撞信息顯示主要由客戶端電腦完成。對硬件感知、數(shù)據(jù)處理、防撞判別響應(yīng)、界面顯示的完整流程進行實際效果驗證,確保裝船機防撞功能穩(wěn)定可靠運行。

大車根據(jù)行使方向調(diào)用行使方向上的2個激光雷達,激光雷達自主獲得點云數(shù)據(jù)進行判斷。監(jiān)控范圍內(nèi)出現(xiàn)障礙物時的點云數(shù)據(jù)和防撞識別結(jié)果見圖5,(a) 為監(jiān)控范圍出現(xiàn)障礙物的點云圖;(b)為濾波、裁剪后的重構(gòu)圖像;(c) 為經(jīng)大車防撞程序處理后識別到障礙物。分別設(shè)置Dwarning和Dshutdown值為5 m和3 m,在大車作業(yè)過程中與模擬障礙物間距離達到相應(yīng)預(yù)警值時,均能準確發(fā)出警報或者停機響應(yīng)。

圖5 大車防撞效果(以前進為例)

懸臂總長度約21 m,寬度約4 m,高度約2.1 m(不包括溜筒),尾端與回轉(zhuǎn)機構(gòu)連接處約3 m,故根據(jù)實際情況設(shè)置懸臂單側(cè)監(jiān)控范圍為長18 m×寬9 m×高6 m,左右兩側(cè)激光雷達實現(xiàn)兩側(cè)監(jiān)控范圍的覆蓋。監(jiān)控范圍內(nèi)出現(xiàn)障礙物時點云數(shù)據(jù)和防撞識別結(jié)果見圖6,(a) 為監(jiān)控范圍出現(xiàn)障礙物的點云圖;(b) 為經(jīng)懸臂防撞程序處理后識別到障礙物。分別設(shè)置Dwarning和Dshutdown值為4 m和2 m,在懸臂作業(yè)過程中與模擬障礙物間距離達到相應(yīng)預(yù)警值時,均能準確發(fā)出警報或者停機響應(yīng)。

圖6 懸臂(左側(cè))防撞效果

實時運行過程中,溜筒防撞某時間段在同一監(jiān)控區(qū)域的識別結(jié)果見圖7(深色部分為識別的到點云)。對比以下3幅圖片,可以發(fā)現(xiàn)異物(船艙壁面)只有在搜索半徑5 m區(qū)域內(nèi)能被搜索到,判定溜筒此時無碰撞風(fēng)險,可以照常工作。

圖7 溜筒防撞程序識別的不同區(qū)域障礙物

客戶端界面主要由裝船機信息模塊、裝船泊位俯視模塊、船舶三維點云模塊和各機構(gòu)防撞信息模塊組成。各機構(gòu)防撞信息模塊劃分為大車左右行、懸臂左右擺和溜筒防撞,3類運動機構(gòu)不同方向的防撞預(yù)警信息實時顯示;船舶三維點云模塊顯示裝船過程的實時三維點云圖;裝船泊位俯視模塊以俯視視角顯示溜筒與船艙的相對位置;裝船機信息模塊顯示裝船機位置的相關(guān)參數(shù)。此外,運行人員可自定義3類運動機構(gòu)的防撞范圍、報警和限位停機距離。根據(jù)不同運動機構(gòu)的防撞測試,主界面均能顯示相應(yīng)的預(yù)警結(jié)果,界面顯示功能穩(wěn)定可靠,該智能防撞系統(tǒng)取得了良好的實施效果。

5 結(jié)語

港口智能化是港口行業(yè)發(fā)展方向?；诩す饫走_的散貨裝船機智能防撞系統(tǒng)綜合考慮大車、懸臂、溜筒等運動機構(gòu)的潛在碰撞風(fēng)險,借助先進激光雷達的高精度感知能力和智能數(shù)據(jù)處理程序的高效性,可為裝船機的安全可靠運行提供保障。