基于激光掃描的AGV定位系統(tǒng)

朱錦順 吳 翔

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著自動(dòng)化碼頭的不斷發(fā)展，碼頭設(shè)備正朝著高速化、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，AGV（Automated Guided Vehicle）逐漸替代傳統(tǒng)集卡成為自動(dòng)化碼頭的重要搬運(yùn)設(shè)備，對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）和AGV協(xié)同作業(yè)的可靠性、高效性等多方面提出了更高要求。

目前，國(guó)內(nèi)多個(gè)自動(dòng)化碼頭都已采用主小車對(duì)中轉(zhuǎn)平臺(tái)、門架小車對(duì)AGV作業(yè)的分布作業(yè)模式，若對(duì)作業(yè)箱型識(shí)別錯(cuò)誤或AGV位置檢測(cè)偏差大則會(huì)降低門架小車作業(yè)效率，故對(duì)AGV作業(yè)的快慢將直接影響整個(gè)碼頭的作業(yè)效率，如何提高對(duì)空AGV或AGV帶箱的位置檢測(cè)準(zhǔn)確度至關(guān)重要。

目前，最常見的AGV定位方案為地面安裝磁釘[1]，但在大小車方向定位偏差較大，且無(wú)法識(shí)別AGV上是否有集裝箱及所載集裝箱尺寸，故該方案對(duì)實(shí)現(xiàn)門架對(duì)AGV側(cè)作業(yè)自動(dòng)化難度較大；另一種方案是利用安裝于門架小車平臺(tái)的激光器進(jìn)行掃描定位[2]，但最大弊端是需門架小車運(yùn)行至AGV上方才能開啟掃描，且到位后需在掃描高度處等待直至掃描完成，故增加了AGV側(cè)的作業(yè)時(shí)間。本次設(shè)計(jì)的基于安裝于固定位置的激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)為AGV定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱APS（AGV Position System），只需AGV到達(dá)工作車道即可提前開啟掃描，無(wú)需等待門架吊具運(yùn)行至AGV上方，大大節(jié)省了掃描時(shí)間，可有效檢測(cè)AGV在小車方向和大車方向的位置及旋轉(zhuǎn)角度，并在此基礎(chǔ)上校驗(yàn)控制系統(tǒng)發(fā)送的任務(wù)信息、校驗(yàn)AGV上集裝箱信息、對(duì)空AGV或帶箱AGV進(jìn)行精確定位，將最終檢測(cè)結(jié)果發(fā)送至控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)門架小車對(duì)AGV自動(dòng)化裝、卸作業(yè)。除此之外，還能實(shí)時(shí)監(jiān)控AGV是否移動(dòng)，防止吊具下降過(guò)程中因AGV移動(dòng)距離過(guò)大導(dǎo)致吊具砸到AGV造成安全隱患，確保了作業(yè)的安全性。

1 系統(tǒng)需求及硬件構(gòu)成

為適應(yīng)多個(gè)AGV車道工作，系統(tǒng)使用激光器加轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)的組合方式，簡(jiǎn)稱3D掃描儀，其掃描范圍可覆蓋多個(gè)AGV車道。當(dāng)裝船作業(yè)時(shí)，APS系統(tǒng)檢測(cè)AGV上的集裝箱進(jìn)行識(shí)別計(jì)算；當(dāng)卸船作業(yè)時(shí)，APS系統(tǒng)檢測(cè)AGV框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行位置計(jì)算。根據(jù)作業(yè)車道信息，APS系統(tǒng)控制3D掃描儀轉(zhuǎn)動(dòng)到不同的作業(yè)車道進(jìn)行AGV監(jiān)控和位置檢測(cè)定位，從而實(shí)現(xiàn)門架小車對(duì)AGV的自動(dòng)化作業(yè)，系統(tǒng)掃描原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)掃描原理圖

APS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能有：1）檢測(cè)空AGV或帶箱AGV在大車方向的偏差值；2）檢測(cè)空AGV或帶箱AGV在小車方向的偏差值； 3）檢測(cè)空AGV或帶箱AGV在水平面投影的旋轉(zhuǎn)角度； 4）校驗(yàn)控制系統(tǒng)發(fā)送的任務(wù)信息與APS檢測(cè)信息是否一致，不一致則報(bào)錯(cuò)禁止自動(dòng)化作業(yè)；5）校驗(yàn)AGV上集裝箱信息，比如箱形尺寸、雙箱間隙，集裝箱在AGV上位置（左20 ft、中20 ft或右20 ft）； 6）實(shí)時(shí)監(jiān)控AGV在大車方向是否移動(dòng)。

該系統(tǒng)由高精度激光器及高精度的伺服電機(jī)組合構(gòu)成3D掃描儀，為更好地適用于多個(gè)AGV車道及提高掃描精度，采用2套3D掃描儀安裝于不同車道上方，系統(tǒng)優(yōu)先選擇靠近工作車道的3D掃描儀的檢測(cè)結(jié)果，其中3D掃描儀安裝位置與AGV車道位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 安裝位置右視圖

本次設(shè)計(jì)體現(xiàn)冗余原則，每套APS獨(dú)立與主控系統(tǒng)通訊，當(dāng)一套APS出現(xiàn)硬件故障或算法錯(cuò)誤時(shí)可自動(dòng)切換至另一套進(jìn)行工作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為確保通訊的穩(wěn)定性，采用DP從站的模式與主控系統(tǒng)PLC進(jìn)行通訊，而激光器和轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)一同接入交換機(jī)與APS控制器以以太網(wǎng)方式進(jìn)行通訊，本設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，2套APS關(guān)聯(lián)性弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)。

2 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

軟件將邏輯處理層和硬件驅(qū)動(dòng)及算法處理分成Server和 Client兩部分。其中，Server端的作用是負(fù)責(zé)與主控系統(tǒng)通訊，獲取AGV作業(yè)車道、作業(yè)集裝箱尺寸及位置等信息；與Client通訊，獲取Client端計(jì)算結(jié)果并與主控系統(tǒng)發(fā)送的任務(wù)信息進(jìn)行校驗(yàn)；將Client端分析處理后得到的AGV位置信息等數(shù)據(jù)發(fā)送至主控系統(tǒng)進(jìn)行吊具姿態(tài)控制進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)。Client端的作用是與Server端通訊，馬達(dá)提前擺動(dòng)至作業(yè)車道進(jìn)行掃描；負(fù)責(zé)與硬件通訊，包括轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)和激光器，獲取實(shí)時(shí)硬件狀態(tài)；獲取激光掃描數(shù)據(jù)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析處理。

該軟件模式可支持1個(gè)Server對(duì)1個(gè)Client或1個(gè)server對(duì)多個(gè)Client的應(yīng)用場(chǎng)景，如左右聯(lián)系梁各安裝一套3D掃描儀則可使用1個(gè)Server對(duì)2個(gè)Client的模式，可兼容不同項(xiàng)目的需求。本次使用的軟件如圖4所示，Server端可顯示Client端硬件實(shí)時(shí)狀態(tài)及主控系統(tǒng)發(fā)送的指令，Client端可顯示最近幾次指令檢測(cè)出的AGV帶箱信息及位置偏差等數(shù)據(jù)。

圖4 系統(tǒng)軟件

為提高對(duì)激光數(shù)據(jù)識(shí)別準(zhǔn)確度及識(shí)別效率，以測(cè)試使用的AGV框架進(jìn)行三維數(shù)據(jù)建模，并引入激光點(diǎn)云處理算法，AGV框架實(shí)際照片和空AGV及AGV帶箱掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)云處理后結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 AGV模型照片

圖6 AGV點(diǎn)云數(shù)據(jù)識(shí)別

如圖7所示，AGV不帶箱時(shí)，在原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提取AGV托板上表面數(shù)據(jù)，根據(jù)AGV托板的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)及上層下發(fā)的具體作業(yè)指令，即可計(jì)算獲得目標(biāo)位置信息，主要包括作業(yè)中心位置的大、小車方向坐標(biāo)、作業(yè)安全高度、托板旋轉(zhuǎn)角度等信息。

圖7 集裝箱點(diǎn)云數(shù)據(jù)識(shí)別

AGV帶箱則會(huì)以集裝箱上頂面及側(cè)面點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，計(jì)算目標(biāo)位置信息及集裝箱長(zhǎng)度信息。由于帶箱時(shí)，集裝箱距離激光器更近、集裝箱形狀相較于AGV托板更加規(guī)則，故帶箱情況計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

為適應(yīng)不同碼頭的多種AGV作業(yè)需求，系統(tǒng)支持多種AGV模型識(shí)別，不同類型AGV托板上表面特征點(diǎn)差別較大，如圖8、圖9所示兩種不同AGV照片和激光掃描數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖8 不同類型AGV照片

圖9 不同類型AGV激光掃描數(shù)據(jù)

系統(tǒng)根據(jù)上層下發(fā)的作業(yè)AGV型號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)特征的提取及運(yùn)算，可有效計(jì)算得到AGV的位置信息，其中，有些國(guó)外碼頭有多達(dá)8種型號(hào)AGV，已測(cè)試過(guò)程序算法對(duì)這8種AGV皆有良好的適應(yīng)性和準(zhǔn)確的識(shí)別率。

3 結(jié)果與分析

為驗(yàn)證APS系統(tǒng)的檢測(cè)精度，分別從檢測(cè)大車距離、小車距離、旋轉(zhuǎn)角度這3個(gè)參數(shù)入手，測(cè)試了AGV帶40 ft、45 ft、雙20 ft及空AGV等工況，同時(shí)人工測(cè)量及計(jì)算來(lái)校驗(yàn)APS檢測(cè)結(jié)果是否準(zhǔn)確。

以空AGV及AGV帶40 ft集裝箱測(cè)試為例，使用全站儀進(jìn)行打點(diǎn)測(cè)量，以大車軌道進(jìn)行建系，利用全站儀測(cè)量點(diǎn)A和點(diǎn)B坐標(biāo)（A點(diǎn)和B點(diǎn)需為機(jī)械對(duì)稱點(diǎn)），則剩余數(shù)據(jù) C（小車方向距中心距離）、D（大車方向距中心距離） 、α（旋轉(zhuǎn)角度）都可以根據(jù)點(diǎn)A和點(diǎn)B坐標(biāo)計(jì)算得出，測(cè)試示意圖如圖10所示。

圖10 測(cè)試示意圖

假設(shè) A點(diǎn)坐標(biāo)（X1，Y1，Z1），B點(diǎn)坐標(biāo)（X2，Y2，Z2），其中X為小車方向，Y為大車方向，Z為起升方向，AGV寬度為W，AGV長(zhǎng)度為L(zhǎng)(測(cè)試AGV帶集裝箱時(shí)W為集裝箱寬度，L為集裝箱長(zhǎng)度)，則所需數(shù)據(jù)C、D、α計(jì)算公式為

由表1、表2測(cè)試數(shù)據(jù)可知，分別將測(cè)量得到的C值與APS檢測(cè)出的小車位置（大車陸側(cè)軌道為零位）、D值與APS檢測(cè)出的大車方向偏移距離及α值與APS檢測(cè)出的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)比，經(jīng)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證，大小車方向偏差都＜40 mm，旋轉(zhuǎn)角度偏差＜0.3°，這3項(xiàng)參數(shù)都滿足實(shí)際作業(yè)需求。

表1 空AGV測(cè)試結(jié)果

表2 AGV帶箱測(cè)試結(jié)果