基于門座式起重機(jī)無人自動化的路徑規(guī)劃系統(tǒng)

關(guān) 坤

（天津港中煤華能煤碼頭有限公司，天津 300459）

0 引言

為了提高門座式起重機(jī)作業(yè)的安全性和效率，并適應(yīng)快速變化的生產(chǎn)需求，無人自動化技術(shù)成為解決方案之一。以門座式起重機(jī)為對象，設(shè)計(jì)并開發(fā)一種基于無人自動化的路徑規(guī)劃系統(tǒng)，使門座式起重機(jī)能夠自主感知、規(guī)劃和執(zhí)行起重作業(yè)。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)門座式起重機(jī)在裝卸中的自主化操作并提高作業(yè)的安全性和效率。

1 系統(tǒng)組成

門座式起重機(jī)無人自動化的路徑規(guī)劃系統(tǒng)主要由上位機(jī)、門座式起重機(jī)無人自動化的路徑規(guī)劃算法軟件、門座機(jī)、三維建模與動作規(guī)劃系統(tǒng)、圖像傳感器和激光傳感器6 個部分組成。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

其中，上位機(jī)是整個系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)發(fā)送指令和接收反饋信息。它與路徑規(guī)劃算法軟件進(jìn)行通信，將計(jì)算得到的路徑規(guī)劃結(jié)果發(fā)送給門座機(jī)；路徑規(guī)劃算法軟件運(yùn)行在上位機(jī)中，根據(jù)輸入的起點(diǎn)、終點(diǎn)、障礙物等信息，計(jì)算出起重機(jī)運(yùn)動的最佳路徑；門座機(jī)通過接收上位機(jī)發(fā)送的路徑規(guī)劃結(jié)果，控制起重機(jī)沿著規(guī)劃路徑執(zhí)行移動和起重操作，同時門座機(jī)可以通過各種傳感器獲取自身狀態(tài)和環(huán)境信息，并將其反饋給上位機(jī)；三維建模與動作規(guī)劃系統(tǒng)用于創(chuàng)建場景模型和規(guī)劃起重機(jī)運(yùn)動，它可以對起重機(jī)和環(huán)境進(jìn)行三維建模，并基于這些模型進(jìn)行動作規(guī)劃，生成可執(zhí)行的路徑規(guī)劃；圖像傳感器和激光傳感器用于獲取環(huán)境信息和起重機(jī)狀態(tài)并提供給路徑規(guī)劃算法軟件使用，以幫助生成合適的路徑規(guī)劃。

2 設(shè)計(jì)思路

三維激光雷達(dá)建模系統(tǒng)通過使用圖像傳感器、激光傳感器對門座式起重機(jī)周圍的環(huán)境信息進(jìn)行建模，路徑規(guī)劃系統(tǒng)通過建模系統(tǒng)給出的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)通過算法規(guī)劃出物料區(qū)、過道區(qū)、甲板區(qū)、船艙區(qū)和障礙物區(qū)5 個區(qū)域，系統(tǒng)再根據(jù)不同的區(qū)域匹配不同的處理策略。由于物料區(qū)周邊有建筑，使物料區(qū)的大小受抓斗高度的影響，因此這里把物料區(qū)坐標(biāo)系Z 軸相分成兩個區(qū)域：MZ1（底層區(qū)域）和MZ2（高層區(qū)域），由于地面建筑物的影響，MZ1 底層區(qū)域工作區(qū)域相對較小，而MZ2 高層區(qū)域工作區(qū)域則相對較大。把船艙區(qū)分為船艙下方CZ1 區(qū)和船艙上方CZ2 區(qū)，抓斗和船艙4 個邊需要保持一定的安全距離，因此，系統(tǒng)會在抓斗閉合和打開時判斷抓斗的最大外徑（抓斗閉合狀態(tài)和打開狀態(tài)的外徑不一致），并在此基礎(chǔ)上判斷抓斗是否可以安全下降至船艙內(nèi)。當(dāng)進(jìn)行卸船操作時抓斗已進(jìn)入船艙內(nèi)部，此時以抓斗的中心點(diǎn)作為坐標(biāo)O 點(diǎn)進(jìn)行參考，判斷抓斗與船艙4 邊是否為安全距離，從而確保門座式起重機(jī)卸船作業(yè)操作的安全性。完成門座式起重機(jī)的路徑規(guī)劃需要實(shí)現(xiàn)以下3 點(diǎn)要求：

（1）將抓斗的多個動作流程之間引入兩軸聯(lián)動和3軸聯(lián)動，旨在提高門座式起重機(jī)裝卸船的作業(yè)效率，使其更接近于人工作業(yè)時的動作流程。例如，當(dāng)抓斗需要進(jìn)入MZ2 區(qū)時，可以同時進(jìn)行支撐、旋轉(zhuǎn)和變幅動作，實(shí)現(xiàn)3 軸聯(lián)動，從而節(jié)省30～50 s 的時間。當(dāng)抓斗向CZ1區(qū)移動時，只需進(jìn)入CZ2 區(qū)域就可以下放抓斗，實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)節(jié)省約5～10 s 的時間。此外，當(dāng)抓斗從MZ2 區(qū)域移動到CZ2 區(qū)域時，如果甲板區(qū)域存在障礙物，則可以計(jì)算出安全旋轉(zhuǎn)角度，然后基于計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)增幅和旋轉(zhuǎn)的兩軸聯(lián)動，從而節(jié)省5～10 s 的時間。圖2a）展示了抓斗在X、Y 軸坐標(biāo)系中的運(yùn)動軌跡，模擬了抓斗從A 點(diǎn)向B 點(diǎn)的移動過程。其中，實(shí)線表示未采用多軸聯(lián)動方案，而虛線表示采用多軸聯(lián)動方案，粗實(shí)線表示兩種方案的重疊部分。由圖可見，多軸聯(lián)動方案下的運(yùn)動軌跡曲線更平滑，路徑最短，加減速所消耗的時間最少，避免了通過A→C→D→B 的作業(yè)路徑，效果非常理想，工作效率也更加高效。圖2b）顯示了抓斗在Y、Z 軸坐標(biāo)系中的運(yùn)動軌跡，同樣包括抓斗從A 點(diǎn)向B點(diǎn)的移動。由圖2b）可見兩條路徑形成了一個類似直角三角形的圖案，通過幾何分析可知直角三角形的斜邊相較于兩直角邊之和長度更短，因此規(guī)劃出了最短路徑，節(jié)省了一段門機(jī)加、減速的時間，同樣達(dá)成了更高效的工作。綜上可得出門機(jī)作業(yè)時采用多軸聯(lián)動方案可以大大縮短單次作業(yè)的工作周期，顯著提高了工作效率。

圖2 多軸聯(lián)動示意

（2）由于在作業(yè)的過程中地圖中會存在一定數(shù)量的障礙物，并且障礙物有高低不等、大小不一的情況。為了避免抓斗與障礙物發(fā)生碰撞妨礙作業(yè)的正常進(jìn)行，系統(tǒng)在每次動作前都會先計(jì)算好門座式起重機(jī)下一次的動作的目標(biāo)點(diǎn)，再根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)來規(guī)定門座式起重機(jī)作業(yè)的行動軌跡。同時貨船的種類也具有多樣性，常見的船型中有一些特殊部件可視為障礙物，例如豎直打開的艙門蓋、操作開啟艙門的吊機(jī)等。豎直開啟的艙門蓋高度通常高于甲板高度3～4 m，針對這種作業(yè)情況，根據(jù)門座式起重機(jī)?？康奈恢貌煌煞譃? 種不同的處理方案。

第一種艙口區(qū)域和過道區(qū)域直接相連的情況，此時系統(tǒng)通過目標(biāo)檢測判斷門座式起重機(jī)作業(yè)路徑中不存在艙門蓋、操作開啟艙門的吊機(jī)等障礙物，因此抓斗可以以直線的運(yùn)動軌跡從甲板區(qū)進(jìn)入CZ2（艙口區(qū)）。該情況最為理想，無需系統(tǒng)進(jìn)行路徑的演算從而實(shí)現(xiàn)避障操作，對系統(tǒng)的運(yùn)算資源消耗最小。門機(jī)抓斗無避障運(yùn)動路線如圖3 所示。

圖3 無避障運(yùn)行路線

第二種是路徑中存在障礙物的情況，系統(tǒng)首先判斷障礙物在坐標(biāo)系中的位置，并通過抓斗和占該物各自在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算出抓斗運(yùn)行的最優(yōu)路徑。如果出現(xiàn)路徑上的內(nèi)側(cè)距離不足以讓抓斗安全通過、并且此時障礙物高度過高無法越過的情況，系統(tǒng)將采用繞過避障的方法，根據(jù)障礙物的位置和高度，計(jì)算出一條繞行路徑，使抓斗能夠安全地繞過障礙物，繼續(xù)完成裝卸作業(yè)。該方案可以有效地應(yīng)對路徑中的障礙物，保證抓斗與障礙物之間有足夠的安全距離，避免碰撞和損壞的發(fā)生，從而保護(hù)貨物和設(shè)備的完整性，確保裝卸船流程的順利進(jìn)行，提高裝卸船流程的效率和安全性。門座式起重機(jī)抓斗繞過避障運(yùn)動路線如圖4 所示。

圖4 繞行避障路線

第三種是過道與甲板區(qū)之間存在艙門的情況，如果采用方法二的繞過避障法則需要抓斗進(jìn)行大幅度的擺動，會導(dǎo)致運(yùn)動路線過長，需要額等待抓斗停止晃動的時間，并且抓斗加、減速也需要消耗時間，總體工作流程所需要的時間過長，不利于提升工作效率?？紤]到艙門高度在門機(jī)抓手可跨越的高度范圍內(nèi)，因此此時采用越過避障法最為合適，系統(tǒng)判斷抓斗提升高度至高于艙門避開障礙后才可進(jìn)入CZ2（艙口區(qū)），門座式起重機(jī)只需提升抓斗高度并以直線軌跡越過艙門再落下抓斗即可完成避障操作，從而順利完成裝卸船作業(yè)。處于該情況時，系統(tǒng)會自動調(diào)整門座式起重機(jī)的運(yùn)動策略，避免抓斗與艙門發(fā)生碰撞或其他意外情況，實(shí)現(xiàn)維護(hù)作業(yè)的安全性，并且節(jié)省了額外的移動時間和路徑長度，達(dá)到了提升工作效率的效果。需要注意的是，越過避障法只適用于艙門高度較低并且抓斗提升高度足夠的情況。如果艙門高度過高或抓斗提升高度不足，系統(tǒng)會繼續(xù)采用繞過避障的方法。門座式起重機(jī)抓斗越過避障運(yùn)動路線如圖5 所示。

圖5 越行避障

（3）在裝卸船流程之間加入了多個位置和動作之間的互鎖。首先，系統(tǒng)會先計(jì)算抓斗的安全高度，并判斷是否在安全范圍內(nèi)。如果抓斗的高度不在安全范圍內(nèi)，系統(tǒng)會將其提升至安全高度，以確保與甲板之間有足夠的安全距離。這樣可以避免抓斗在移動過程中與甲板發(fā)生刮蹭或碰撞，保護(hù)貨物和設(shè)備的完整性；另外，在變幅位置的移動前，系統(tǒng)會將其縮回至安全位置。這樣可以確保與旁邊的門機(jī)之間留有足夠的安全距離，避免發(fā)生刮蹭或碰撞。這種互鎖機(jī)制可以有效防止門機(jī)之間的干擾，保證每臺門機(jī)都能按照預(yù)定路徑和動作進(jìn)行作業(yè)，避免意外事故的發(fā)生；當(dāng)抓斗和變幅位置都滿足安全條件時，系統(tǒng)才會允許進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動作。如果其中一個條件不滿足，系統(tǒng)會立即停止旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行必要的調(diào)整，直到抓斗和變幅位置都處于安全狀態(tài)。這種互鎖機(jī)制確保了不同位置和動作之間的協(xié)調(diào)性，避免了可能的碰撞或損壞，保障了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

通過引入這些位置和動作之間的互鎖機(jī)制，路徑規(guī)劃系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的安全控制，減少門座式起重機(jī)運(yùn)作過程中錯誤和意外事故的發(fā)生。這種增加了系統(tǒng)安全性、可靠性和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)，使門座式起重機(jī)裝卸船作業(yè)的流程更加高效、平穩(wěn)和安全。

3 結(jié)束語

門座式起重機(jī)無人自動化的路徑規(guī)劃系統(tǒng)是由上位機(jī)、路徑規(guī)劃算法軟件、門座機(jī)、三維建模與動作規(guī)劃系統(tǒng)、圖像傳感器和激光傳感器6 個部分組成，這些部分之間密切協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)門座式起重機(jī)無人自動化的路徑規(guī)劃系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)通過采用多軸聯(lián)動方案和多重避障策略，實(shí)現(xiàn)了抓斗在物料區(qū)、過道區(qū)、甲板區(qū)、船艙區(qū)和障礙物區(qū)之間的高效、安全移動和裝卸船操作。同時，系統(tǒng)還引入位置和動作之間的互鎖機(jī)制，確保門機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的安全性和穩(wěn)定性。這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和功能極大地提高了門座式起重機(jī)裝卸船操作的作業(yè)效率，為裝卸船流程的順利進(jìn)行提供了強(qiáng)有力的支持。同時，該系統(tǒng)的使用可以避免裝卸船過程中可能發(fā)生的碰撞或其他意外情況，為門座式起重機(jī)無人自動化作業(yè)的安全提供了強(qiáng)有力的保障。