基于激光雷達的輪胎吊集卡定位及引導系統設計

許躍騫

摘 要 隨著國內港口集裝箱吞吐量逐年攀升，堆場作業效率也成為衡量港口裝卸效率的重要指標。然而，作為堆場主要設備之一的輪胎吊，傳統對位方式已嚴重限制了操作效率。針對人工效率低下，本文設計了一種基于激光雷達的輪胎吊集卡定位引導系統，能夠準確定位集卡，快速引導作業，極大提高裝卸效率。

關鍵詞 RTG;集卡定位;激光雷達

引言

隨著國內港口集裝箱量的攀升，堆場裝卸的主要設備之一-輪胎吊（稱RTG）的效率也是碼頭重要指標。傳統碼頭，人工對位指揮的方式已經嚴重影響了堆場的作業效率。

在港口自動化的大背景下，基于GPS定位、光電傳感器乃至激光雷達等技術的集卡定位系統（CPS）逐漸在碼頭推廣開來。例如，徐寶興等人將光電開關信號實時反饋到邏輯控制電路中，[1]司機只能根據指示燈憑感覺調整。近年來，低精度方案逐漸被基于激光雷達掃描技術的CPS系統代替。例如，劉杰強等人基于激光掃描測距原理研發了岸橋CPS[3];上港集團上海海通安全設備工程公司同樣利用激光掃描器實現CPS。然而，目前CPS應用設備的大車行駛路徑固定，而針對輪胎吊的CPS卻鮮有研究。

因此，本文設計了一種基于激光雷達的輪胎吊集卡定位系統，采用激光掃描儀獲取集卡點云數據并分析其位置偏差，并引導司機在輪胎吊快速準確進入位置，減少對位時間，提高裝卸效率。

1 基本原理

如上圖（左）所示，本文采用2D激光掃描儀對作業集卡進行掃描。激光掃描儀是通過激光器發出脈沖激光，一部分光波會經過反射返回到激光掃描儀接收器中，接收器將光信號變為電信號記錄下來。通過每一個激光脈沖的回波時間可以測量其反射物體表面距離，計算公式為：

2 系統設計

2.1 系統設計

如上圖所示，本CPS在RTG側橫梁位置安裝1個云臺及激光掃描儀。橫梁下方的門腿位置安裝LED顯示屏供司機作業引導，提示集卡司機對位情況。另一側電氣房內安裝專用工控機。司機室內配置一臺司機操作顯示屏。輪胎吊CPS各硬件模塊如下：

（1）激光掃描儀。當空集卡或載箱集卡進入激光掃描儀掃描區域時，激光掃描儀通過旋轉云臺對掃描區域進行掃描。激光掃描儀檢測到輪胎吊下停有集卡時，通過內置的集卡定位算法對集卡三維點云數據進行特征提取與分析。當判斷作業集卡為空集卡時，則以拖架中心為基準判斷集卡停留位置是否到達基準點。當判斷作業集卡為載箱集卡時，則先通過輪胎吊PLC獲取當前為40尺箱型作業或20尺箱型作業;當作業箱型為40尺時，以集裝箱中心為基準點進行對位;當作業箱型為20尺時且集卡上為單箱時，則以此20尺集裝箱中心為基準點對位;若作業箱型為20尺且拖架上為雙箱，則需要判斷作業集裝箱的位置，并以此集裝箱中心為基準點進行對位。

（2）CPS專用工控機。主要設計能力如下：①能夠自動辨別集卡到位精度以及發送集卡引導指令等信息。②具備與PLC數據交互能力。③能識別基本故障并顯示。

（3）LED顯示屏。主要引導功能如下：①當RTG司機打開CPS開關，觸摸屏上的CPS的方框顯示綠色。開始工作，顯示屏會顯示兩道紅色橫杠，代表目前對位區無集卡;②集卡對位方向區域顯示“↑”or“↓”來引導集卡向前或者向后行駛。對位距離區域顯示集卡距離對位點的距離;③當集卡到達對位點后，顯示屏對位方向顯示紅色橫杠，對位距離顯示00。此時RTG司機室觸摸屏顯示綠色，RTG司機可以下放吊具進行裝卸箱作業。

（4）司機操作屏。運行狀態顯示主要為以下幾種：

①正常狀態。當CPS系統正常運行時，觸摸屏的CPS正常前面顯示綠色;②停止狀態。當CPS系統開關關閉時，CPS狀態框顯示黃色，其他顯示灰色; ③系統開啟。當CPS系統打開時，此狀態框會顯示綠色，未打開時顯示灰色;④對位成功。當集卡完成對位后，CPS集卡已對準框會顯示綠色;⑤集卡未對準。當集卡未停到位時，集卡未對準框會顯示黃色。

2.2 功能指標

①對輪胎吊下作業的空載和重載所有車型集卡精確引導，定位誤差≤±50mm;②可自動識別碼頭內所有車型集卡和各尺寸集裝箱等; ③系統實時將集卡偏離輪胎吊起吊點方向、距離信息、操作模式、行駛方向顯示在LED顯示屏上，提示司機調整位置; ④特殊工況下，自動重新掃描，重新引導[2]。

3 操作流程

3.1 作業引導

集卡司機作業引導：作業前，集卡司機根據指令行駛至指定RTG下方等候，司機觀察安裝于車頭方向上大梁的顯示屏狀態;當狀態燈顯示可通行時，集卡駛入RTG底部，激光掃描儀進行作業車道掃描，確定位集卡位置，并將數據實時顯示到顯示屏上，進行引導;司機根據引導信息調整車位;裝卸結束后，集卡司機觀察引導顯示屏狀態，當引導屏顯示可駛離狀態燈時，說明本次作業完成，集卡可駛離。

RTG司機作業引導：當RTG司機將吊具移動至集卡上方時，如無下降動作，觀察司機室顯示屏的狀態。如防砸指示燈亮起，則說明集卡車頭位于吊具范圍內，此時，需要提示集卡司機進行對位，防止吊具砸車事故發生;若CPS產生誤感應，RTG司機可在確認安全情況下，將CPS切換到手動模式，根據當前作業車道自行與集卡進行對位，完成集裝箱裝卸作業。

3.2 吊具防砸集卡

為了實現集卡未停到位的情況下，防止吊具下放誤砸集卡和司機，系統通過激光掃描儀實時檢測集卡車頭位置，并從輪胎吊PLC中獲取開閉鎖信號及吊具起升高度。若集卡車頭在吊具下降范圍內，CPS專用工控機輸出防砸信號，并傳輸至輪胎吊PLC，PLC根據程序限制吊具下降，從而實現吊具防砸集卡的功能，以保證人車安全。

3.3 集卡防拖拽

為了防止集卡拖拽吊具，在集卡定位完成后，LED屏上提示集卡停止移動。系統實時獲取輪胎吊PLC開閉鎖信號和起升高度信息，當系統檢測到開鎖信號，即RTG裝卸作業完成，吊具起升向上運行超過6m后，輪胎吊PLC給CPS專用工控機發送信號，使LED屏幕給出集裝箱裝卸完成的狀態信號，提示集卡可正常通行，保證集卡不會在集裝箱裝卸作業中移動，防止集卡拖拽吊具事故的發生。

4 結束語

針對目前RTG集卡定位中傳統人工引導的不足，本文設計了一種基于激光雷達的RTG集卡定位系統。首先通過RTG車道側布設一臺激光掃描儀;其次，在電氣房工控機中根據實時點云數據建立三維點云模型，完成集卡精確定位;最后將集卡位置信息與位置偏離方向實時反饋到現場LED屏幕，引導司機準確停到對位點。本系統解決了傳統人工引導的耗時耗力以及現有部分技術的缺陷，實現了高精度、實時地定位集卡。綜上所述，本文提出的基于激光雷達的輪胎吊集卡定位系統具備高實時性、高精度的技術優勢，能夠極大提高RTG的作業效率，具有重大的研究意義和應用價值。

參考文獻

[1] 徐寶興，張曉鵬.集卡停車定位檢測系統設計與應用[J].港口科技，2017，（6）：29-33.

[2] 劉杰強.激光對橋吊下集卡的立體掃描測距對位的應用[J].港口科技，2011，（10）：2-6.