一種輪胎式龍門吊糾偏避障的方法

石順鋒，張芃欣

（上海普適導(dǎo)航科技股份有限公司，上海 201702）

0 引言

輪胎式龍門吊，簡稱為輪胎吊，廣泛用于在集裝箱碼頭堆場進(jìn)行裝卸作業(yè)，是碼頭港口交接集裝箱必不可少的裝卸設(shè)備。

為了充分利用豎向空間，在集裝箱的堆置過程中，一般都會(huì)在一列疊置多個(gè)集裝箱。輪胎吊運(yùn)行速度比較快，加上沒有固定的軌道，且本身體型龐大，慣性較大，因此對(duì)司機(jī)的操作有著很高的要求。

輪胎吊作業(yè)過程中，若門腿缸機(jī)構(gòu)變形、輪胎的胎壓不一致或者兩邊胎壓負(fù)載不一樣，將會(huì)導(dǎo)致輪胎吊的海側(cè)和陸側(cè)行走速度不一致，從而導(dǎo)致大車走偏。目前，一般在兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)上分別安裝編碼器，以檢測驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，繼而獲取大車的行走速度，從而判斷大車是否走偏。然而，當(dāng)大車走偏是由兩側(cè)的負(fù)載不一致或兩側(cè)輪胎的胎壓不一致而引起時(shí)，此種方式將檢測不出大車走偏，從而存在輪胎吊由于行走偏離過大而撞上滑觸線的安全隱患。

為了避免輪胎吊行走偏差造成的安全事故，司機(jī)必須在進(jìn)行長距離的運(yùn)行中，時(shí)刻注意對(duì)大車行走的方向進(jìn)行糾偏。而為了滿足港口的需求，輪胎吊逐漸向著快速化和大型化方向發(fā)展，大車的操作難度越來越高，大車運(yùn)行中糾偏操作的精準(zhǔn)性也更加重要。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，輪胎吊自動(dòng)糾偏和避障已成為趨勢。本文以基于北斗高精度RTK、廣視距毫米波雷達(dá)組合方式實(shí)現(xiàn)輪胎式龍門吊的自動(dòng)糾偏和自動(dòng)避障。

1 自動(dòng)糾偏應(yīng)用

在輪胎吊上安裝北斗接收機(jī)和扼流圈天線等裝置：一是在輪胎吊頂端對(duì)角部署北斗接收天線并連接到接收機(jī)，建立北斗RTK移動(dòng)站；二是輪胎吊的接收機(jī)在進(jìn)行北斗信號(hào)觀測的同時(shí)，也接收CORS系統(tǒng)發(fā)出的改正數(shù)，由北斗接收機(jī)傳輸位置信號(hào)給糾偏結(jié)算終端，終端解算偏移方向與偏移量，并與PLC進(jìn)行雙向通信，從而對(duì)輪胎吊的運(yùn)行軌跡進(jìn)行修正，從而完成糾偏。原理示意圖如圖1所示。

圖1 輪胎吊高精度位置服務(wù)原理示意圖

1.1 硬件部署

為了讓天線盡可能少的受到多路徑的影響，將扼流圈天線支架安裝在輪胎吊頂部不受遮擋的開闊區(qū)域，并將北斗RTK天線安裝在適當(dāng)?shù)奈恢茫辉谳喬サ蹼姎夥績?nèi)部署北斗RTK接收器，將接收機(jī)接入北斗糾偏系統(tǒng)控制器（糾偏解算終端）中，并與輪胎吊頂端的北斗RTK天線利用天線電纜進(jìn)行連接；在接收機(jī)部署的位置和天線接入電氣房的位置串接避雷設(shè)備，防止雷暴天氣對(duì)設(shè)備造成影響（見圖2）。

圖2 輪胎吊上移動(dòng)站部署位置

1.2 糾偏原理

通過控制輪胎吊兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的速度，讓輪胎吊海側(cè)和陸側(cè)輪胎之間形成速度差，利用雙輪差速的運(yùn)動(dòng)模式調(diào)整大車的運(yùn)動(dòng)方向，達(dá)成糾偏的效果。如圖3所示。

圖3 輪胎吊自動(dòng)糾偏流程

由可編程邏輯控制器計(jì)算出由大車當(dāng)前運(yùn)行速度值按照一定的比例轉(zhuǎn)換得到的給定量，將計(jì)算得到的給定量傳遞給用于調(diào)整輪胎速度的變頻器，根據(jù)給定量對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)整。在進(jìn)行調(diào)整的過程中，電機(jī)和對(duì)應(yīng)的給定值根據(jù)不同的運(yùn)行方向都具有正負(fù)的選擇，在控制器的程序里，大車運(yùn)行速度也會(huì)因運(yùn)行方向的區(qū)別具有正負(fù)的標(biāo)識(shí)，電機(jī)和給定值的正負(fù)根據(jù)反饋的大車速度的正負(fù)情況來進(jìn)行判斷。

1.3 應(yīng)用步驟

使用高精度測繪對(duì)輪胎吊的車道進(jìn)行事先的標(biāo)定，將安裝的兩個(gè)北斗RTK天線所連接成的直線看作輪胎吊行駛過程中的實(shí)際位置線，將大車的實(shí)際位置線和理論位置線（車道線）在一定的運(yùn)算處理后進(jìn)行對(duì)比，便能夠得到大車運(yùn)行方向的偏移情況，并根據(jù)一定的運(yùn)算得到糾偏方向和糾偏量。

（1）確定糾偏方向：如果大車行走的位置線與車道線重合，說明輪胎吊正按照標(biāo)定的路線行駛，沒有發(fā)生偏移，否者，就說明輪胎吊的運(yùn)行路線已經(jīng)偏離了車道線，需要進(jìn)行糾偏。如果大車行駛路線與車道線存在偏移，就可以根據(jù)大車實(shí)際位置線兩端與車道線偏移的距離，再結(jié)合在編程邏輯控制器中解算得到的大車行駛方向，就可以得到大車行駛的偏移方向，從而確定進(jìn)行糾偏的方向。

（2）計(jì)算糾偏量：如果大車行駛路線與車道線存在偏移，就計(jì)算出位置線兩端與車道線偏移的距離。將偏差量與編程邏輯控制器中解算出的大車行駛方向和行駛速度相結(jié)合，便可以根據(jù)事先設(shè)計(jì)好的PID控制模型計(jì)算出實(shí)際的糾偏量。

RTK接收機(jī)接入CORS系統(tǒng)，可得到厘米級(jí)精度的定位結(jié)果。將定位結(jié)果通過高斯投影，轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)。

圖4 大車模型

根據(jù)定位的前后位移計(jì)算當(dāng)前行駛速度v，正負(fù)由y坐標(biāo)變化決定，計(jì)算當(dāng)前速度垂直于行駛基線的分量的速度vxk，根據(jù)速度平滑和當(dāng)前垂直于行駛基線的分量的速度，對(duì)理想的糾偏速度進(jìn)行限制，如果vx在限制范圍內(nèi)，則下一時(shí)刻理想的糾偏速度就等于vxk，否則取范圍內(nèi)最接近vxk的值。

（3）傳輸糾偏數(shù)據(jù)：在得到糾偏方向和糾偏量后，自動(dòng)糾偏系統(tǒng)控制器將兩者進(jìn)行整合，形成帶有正負(fù)號(hào)的單一數(shù)據(jù)，并將整合后的數(shù)據(jù)發(fā)送給可編程邏輯控制器。數(shù)據(jù)的絕對(duì)值為計(jì)算得到糾偏量，正負(fù)號(hào)表示進(jìn)行糾偏的方向。

（4）自動(dòng)糾偏：可編程邏輯控制器獲得糾偏數(shù)據(jù)后，按照數(shù)據(jù)的整合規(guī)則，提取數(shù)據(jù)的絕對(duì)值和正負(fù)號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)榧m偏量和糾偏方向。再將糾偏量轉(zhuǎn)換為駕駛的給定值，并根據(jù)糾偏方向判斷需要進(jìn)行給定量調(diào)整的變頻器，將給定值傳送給相對(duì)應(yīng)的電機(jī)，由電機(jī)對(duì)輪速進(jìn)行調(diào)整，完成自動(dòng)糾偏。

（5）程序指令優(yōu)先級(jí)：考慮到自動(dòng)糾偏系統(tǒng)出現(xiàn)失效或故障的可能，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的同時(shí)，還保留手動(dòng)糾偏的功能，且手動(dòng)糾偏功能的優(yōu)先級(jí)要高于自動(dòng)糾偏系統(tǒng)。在駕駛過程中，如果司機(jī)發(fā)現(xiàn)自動(dòng)糾偏功能出現(xiàn)問題，可以立即切換為手動(dòng)糾偏進(jìn)行駕駛，以確保行駛的安全。

2 自動(dòng)避障應(yīng)用

毫米波雷達(dá)能夠快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測周圍障礙物的距離和角度，適應(yīng)雨、雪、霧、霾、沙塵等各種惡劣天氣，具備全天候、全天時(shí)的工作特性。使用毫米波雷達(dá)系統(tǒng)，提供智能避障預(yù)警，可輔助輪胎吊安全駕駛。

在輪胎吊四個(gè)門腿上，安裝24GHz短距毫米波雷達(dá)和77GHz中距毫米波雷達(dá)，用于監(jiān)測周圍集裝箱堆場上的集裝箱等障礙物，測量距離和角度。同時(shí)也在輪胎吊安裝高清攝像機(jī)，通過信號(hào)傳輸線纜，將雷達(dá)數(shù)據(jù)流和監(jiān)控視頻流傳輸?shù)?G邊緣智能網(wǎng)關(guān)處理，實(shí)時(shí)解算障礙物的安全距離，并將解算結(jié)果輸出至駕駛室管理系統(tǒng)終端和警報(bào)器，提供必要的避障預(yù)警。最后，雷達(dá)數(shù)據(jù)流、監(jiān)控視頻流和解算分析結(jié)果，可通過5G通信技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街行姆?wù)器，為未來遠(yuǎn)程化、無人化駕駛奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

可分為以下幾個(gè)步驟實(shí)施：

（1）部署毫米波雷達(dá)系統(tǒng)，將24GHz短距毫米波雷達(dá)和77GHz中距毫米波雷達(dá)安裝在輪胎吊門腿，分別監(jiān)測門腿的側(cè)面方向和前后方向。

（2）部署視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將高清攝像機(jī)在輪胎吊門腿，監(jiān)控四個(gè)方位區(qū)域，所有視頻流集中到NVR統(tǒng)一管理。

（3）根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)流和監(jiān)控視頻流，5G邊緣智能網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)解算輪胎吊周圍障礙物的安全距離，分析研判當(dāng)前駕駛方向的障礙物安全指數(shù)，并將解算結(jié)果輸出至駕駛室管理系統(tǒng)終端；若結(jié)果低于安全指數(shù)閾值，立即觸發(fā)警報(bào)器避障預(yù)警。

為了保證每一側(cè)輪胎吊的最大監(jiān)測角度，在輪胎吊的兩端分別安裝了2套77GHz中距毫米波雷達(dá)和4套24GHz短距毫米波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)全方位測量周圍障礙物的角度和距離。

圖5 毫米波雷達(dá)安裝角度示意圖

當(dāng)進(jìn)入堆場后，輪胎吊的左右兩側(cè)毫米波雷達(dá)便可檢測到堆場內(nèi)集裝箱的側(cè)面以及集裝箱之間的縫隙。在輪胎吊行走過程中，若輪胎吊跑偏，毫米波雷達(dá)檢測到集裝箱側(cè)面的距離就會(huì)變大或變小，經(jīng)過5G邊緣智能網(wǎng)關(guān)分析處理，便可知道輪胎吊是否偏離車道規(guī)劃線或輪胎吊的輪胎轉(zhuǎn)向是否偏離車道規(guī)劃線。

當(dāng)輪胎吊偏離道規(guī)劃線在一定的小范圍內(nèi)時(shí)，5G邊緣智能網(wǎng)關(guān)自動(dòng)降低安全指數(shù)，輸出輕度避障預(yù)警到駕駛室管理系統(tǒng)終端，提醒司機(jī)及時(shí)調(diào)整；若低于安全指數(shù)閾值，5G邊緣智能網(wǎng)關(guān)立即觸發(fā)嚴(yán)重避障預(yù)警，并聯(lián)動(dòng)中心服務(wù)器的指揮中心報(bào)警。

3 結(jié)束語

綜上所述，基于北斗RTK差分定位的輪胎吊自動(dòng)糾偏系統(tǒng)，可完全滿足輪胎吊日常運(yùn)行過程中的自動(dòng)糾偏需求。基于毫米波雷達(dá)的自動(dòng)避障系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測輪胎吊行進(jìn)路線上堆放的障礙物，輔助輪胎吊跑偏檢測，及時(shí)預(yù)警。該系統(tǒng)可大大降低輪胎吊日常使用過程中的安全事故率。