輪胎式集裝箱起重機一層集裝箱自動著箱系統(tǒng)

蔣進軍 茅時群 譚興福

上海振華重工（集團）有限公司 上海 200125

0 引言

隨著港口貨物吞吐量不斷增加，人力需求隨之增加，起重機智能化改造迫在眉睫。起重機智能化改造不僅能提高生產(chǎn)效率，降低人工成本，還能改善工作環(huán)境，降低勞動強度，提高港口的綜合競爭力。碼頭主要設備有岸邊集裝箱起重機（QC）、軌道式起重機（RMG，以下簡稱軌道吊）、輪胎式集裝箱起重機（RTG，以下簡稱輪胎吊）、自動導航小車（AGV）等設備。在堆場中，輪胎吊（RTG）性價比高，機動靈活，對堆場場地要求低，應用廣泛。目前，在堆場里無論是軌道吊還是輪胎吊，二層箱（包括二層箱）以上基本上都實現(xiàn)了全自動化作業(yè)，而一層集裝箱自動放箱僅在軌道吊上完全實現(xiàn)，在輪胎吊上并未完全實現(xiàn)，且實現(xiàn)方式多種多樣，標準不統(tǒng)一，業(yè)內(nèi)未達成共識。為了進一步提高輪胎吊自動作業(yè)水平，研究一套適合碼頭的一層集裝箱自動著箱系統(tǒng)非常有必要。

目前，自動化軌道吊在一層集裝箱自動放箱作業(yè)時普遍采用盲放方式。所謂盲放即起重機在一層集裝箱放箱作業(yè)時，在大車、小車到達目標位置后，起升機構下降直至著箱。一般地，集裝箱著箱后的放箱精度基本滿足要求，無需額外的系統(tǒng)或設備來輔助軌道吊進行一層集裝箱自動著箱。在實際生產(chǎn)過程中，輪胎吊需要經(jīng)常轉場，且各堆場的地面箱角線畫線有誤差，滑觸線或大車糾偏板的安裝也存在誤差。另外，在輪胎吊作業(yè)過程中，大車行走路徑不固定，機器結構易變形，輪胎半徑以及氣壓易發(fā)生變化。因此，實現(xiàn)輪胎吊一層集裝箱自動著箱功能，需要有額外檢測裝置來檢測地面箱角線或其他輔助標志物，以輔助起重機完成一層集裝箱自動放箱。

1 常見方案概述

1.1 人工輔助

在使用輪胎吊作業(yè)的堆場中，最初在進行堆場智能化升級改造時，主要進行遠程半自動改造。起重機在一層集裝箱放箱時，集裝箱離地面30 cm，向控制系統(tǒng)發(fā)出人工協(xié)助請求，控制系統(tǒng)收到請求后通知遠程司機操作起重機，司機通過遠程操作臺的操作手柄微調(diào)吊具，將箱子放到指定位置。該方案的優(yōu)點是基建成本低，無需在堆場地面或起重機上安裝設備；缺點是起重機在放一層集裝箱時需要遠程司機協(xié)助，占用操作臺資源。這種方案適合碼頭操作臺和司機數(shù)量比較充裕的情況，或是碼頭用戶對自動化要求不高的場合。

1.2 機械導板

在早期，激光雷達和機器視覺等技術應用尚不成熟，國內(nèi)第一臺全自動起重機主要使用機械手段來實現(xiàn)一層集裝箱和一層以上集裝箱自動著箱。起重機在一層集裝箱放箱作業(yè)時，借助堆場地面水泥導板，將集裝箱放到指定位置[1]。該方案的優(yōu)點是對檢測系統(tǒng)要求低，一層集裝箱放箱精度高；缺點是堆場基建要求高，施工成本高。隨著人工智能、機器視覺、激光雷達等技術的發(fā)展，該方案已逐步退出市場。

1.3 機器視覺定位

機器視覺定位方案即通過安裝在吊具上的攝像頭實時檢測地面黃線或標志物位置，根據(jù)箱角線或標志物位置推算箱位位置，輔助控制系統(tǒng)完成一層集裝箱自動著箱。該方案又可分為2種：一種是在現(xiàn)有設備基礎上，使用起重機上已有吊具攝像頭識別地面箱角線，實現(xiàn)一層集裝箱自動著箱功能；另一種是在起重機吊具上加裝紅外相機，配紅外補光燈，在地面安裝標志物，用紅外相機識別地面標志物，實現(xiàn)一層集裝箱自動著箱功能。

1）普通吊具攝像頭+地面箱角線

在堆場中，地面箱角位置一般畫了箱角線，在一層集裝箱放箱過程中，通過安裝在吊具上的監(jiān)控攝像頭，識別地面箱角線，推算出箱位位置，然后將位置發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)偏差微調(diào)吊具來實現(xiàn)準確放箱。這種方案的優(yōu)點是土建成本低，無需再增加檢測設備；缺點是位置識別精度以及穩(wěn)定性容易受雨水、光線、地面箱角線本身等影響，對圖像算法處理要求很高。該方案目前仍停留在測試實驗階段，在港口無大規(guī)模使用案例。普通箱角線如圖1所示。

圖1 普通箱角線

2）紅外攝像頭+地面標志物

針對普通攝像頭識別地面箱角線方案具有圖像處理復雜度高、穩(wěn)定性不高等缺點，部分廠家在地面安裝標志物，并將地面噴涂黑色吸光材料，通過安裝在吊具鎖頭附近的紅外相機配合紅外補光燈，采集地面標志物圖片，并識別標志物位置，以實現(xiàn)一層集裝箱自動放箱。該方案的優(yōu)點是標志物識別可靠性高，不易受陽光、雨水的干擾，魯棒性好，精度高；缺點是土建施工以及硬件成本相對較高，維護成本也相對較高。如果碼頭用戶對輪胎吊自動化要求高，且碼頭當?shù)厝肆Τ杀靖撸扑]使用此方案。該方案也是目前市場上用得相對較多的方案，地面標志物如圖2所示。

圖2 地面標志物

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件介紹

如圖3所示，一層集裝箱自動著箱系統(tǒng)主要由自動化控制器、工業(yè)控制器、紅外相機、3D激光雷達、標志物、紅外結構光源以及執(zhí)行機構等組成。其中，紅外相機實時采集吊具上紅外結構光源圖片，3D激光雷達采集標志物點云數(shù)據(jù)，工業(yè)控制器收到紅外相機以及激光雷達采集的圖片和點云數(shù)據(jù)后，計算吊具姿態(tài)以及目標箱位位置，并將計算結果反饋給自動控制化控制器。自動化控制器接收工業(yè)控制器返回的吊具姿態(tài)以及地面箱位位置數(shù)據(jù)，控制起重機大車、小車、起升等機構的運行。

圖3 一層集裝箱自動著箱系統(tǒng)組成

根據(jù)安裝位置不同開底標志物分為地面標志物和吊具標志物。地面標志物和吊具標志物型號規(guī)格一樣，只是安裝位置不同。標志物由底座和3M反光膜組成。地面標志物安裝在集裝箱4個箱角附近，其作用主要是標記地面每個箱位的位置，用于激光雷達掃描識別。地面標志物安裝示意圖如圖4所示。

圖4 地面開底標志物

吊具標志物安裝在在吊具上的4個鎖頭附近，其作用是標記當前吊具上集裝箱的位置。吊具開底標志物安裝示意圖如圖5所示。

圖5 吊具上標志物

2.2 系統(tǒng)工作原理

起重機在一層集裝箱放箱作業(yè)時，起升下降前用3D激光雷達采集開底標志物點云數(shù)據(jù)，紅外相機實時采集結構光源圖片，控制器接收到點云和圖片數(shù)據(jù)后即算出目標箱位位置和吊具位置，并將位置信息發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)控制吊具微動，將集裝箱放到指定位置。

一層集裝箱著箱后，通過激光雷達掃描地面開底標志物和吊具開底標志物偏差，通過兩者偏差計算集裝箱放箱偏差，如果放箱偏差超過設定閾值，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋的偏差重新放置，避免放箱偏差超過設定值。

3 開底標志物檢測算法

3M反光膜是一種高能反光材料，激光雷達對此材料比較敏感，在測距時對應3M反光膜上的激光點的能量值很高。根據(jù)3M反光膜的這一特點，設計相應的標志物位置提取算法，然后根據(jù)開底標志物的位置算出當前箱位的位置。

算法的思路是：首先，使用3D激光雷達獲取標志物點云數(shù)據(jù)，再根據(jù)能量值初步提取標志物上點云數(shù)據(jù)，然后將標志物點云數(shù)據(jù)投影到二維平面。其次，將二維平面上點云數(shù)據(jù)轉換為圖像格式，在圖像中提取標志物的輪廓，根據(jù)輪廓求取標志物的重心。最后，根據(jù)標志物重心的像素坐標反求標志物重心在激光雷達坐標系中的三維坐標。具體步驟如下：

1）獲取原始點云數(shù)據(jù)，根據(jù)吊具尺寸以及標志物的安裝位置，分別在起升、小車運行、大車運行等方向進行直通濾波，縮小點云數(shù)據(jù)處理范圍，提高數(shù)據(jù)處理速度。

2）設置初始能量閾值，根據(jù)標志物周圍點能量值情況確定動態(tài)閾值。根據(jù)動態(tài)閾值，將大于閾值的點標記為標志物上的點，小于該閾值的點標記為非標志物上的點，從而根據(jù)標記將點云數(shù)據(jù)初步提取出來。

3）在初步提取標志物上點云數(shù)據(jù)后，先采用最小半徑濾波，濾掉一些孤立的干擾點，得到最終的標志物點云數(shù)據(jù)。

4）提取標志物點云數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)本身并非全部在同一平面上，采用隨機抽樣一致性進行平面擬合，獲得標志物所在平面方程，然后將點云數(shù)據(jù)全部投影到此平面上，三維坐標變成二維坐標。

具體提取過程為：隨機抽取一批種子點，｛pi｝（i＝1，2，…，n）對其求得擬合平面Ax+By+Cz+D＝0；向量n（A，B，C）為平面的法向量，即｛pi｝組成的協(xié)方差矩陣最大特征值對應的特征向量；D為坐標原點到該平面距離。

計算所有點pi到平面的距離d小于閾值dth則為局內(nèi)點，否則為局外點。統(tǒng)計局內(nèi)點個數(shù)，點的個數(shù)用于判斷平面方程是否為最優(yōu)解。

重新選取一批種子點，再進行上述平面擬合，統(tǒng)計局內(nèi)點，重復迭代，直到找到局內(nèi)點個數(shù)滿足設定值，此時對應A、B、C即為平面法向量。

平面方程擬合出來后，再將標志物上點云數(shù)據(jù)投影到平面上，將三維坐標變成二維坐標。假設p0為平面上任意一點，p為標志物上點云數(shù)據(jù)任意一點，p′為p在平面上的投影點。將三維點云數(shù)據(jù)投影到平面后，以p0作為像素坐標的坐標原點，分別以向量a（-B，A，0）和b＋n×a作為圖像坐標系中的2個基準方向。規(guī)定dx為基準a方向的分辨率，dy為基準b方向的分辨率，將平面上點轉換成像素坐標。

平面坐標轉化為像素坐標后，在圖像中提取標志物上的像素點，然后根據(jù)像素點坐標求取標志物重心。求得重心后，反向求取重心在激光雷達坐標系中的三維坐標。

5）算出標志物的位置后即可根據(jù)標志物位置以及當前作業(yè)工況推算出當前箱位的位置。

4 輪胎吊一層集裝箱自動著箱流程

起重機小車到達目標列正上方后，立即啟動激光雷達采集地面點云數(shù)據(jù)，使用標志物檢測算法在點云數(shù)據(jù)中提取標志物位置，再根據(jù)地面的4個標志物位置推算地面箱位位置，將位置信息反饋給自動化控制系統(tǒng)。激光雷達掃描示意圖如圖6所示。

圖6 激光雷達掃描示意圖

一層集裝箱著箱后，控制系統(tǒng)再次啟動3D激光雷達采集地面和吊具標志物點云數(shù)據(jù)，識別地面的4個標志物和吊具4個角上的4個標志物位置，通過吊具和地面標志物偏差推算出集裝箱放箱偏差，將偏差反饋給自動化控制系統(tǒng)。激光雷達掃描示意圖如圖7所示。

圖7 激光雷達掃描示意圖

1）起重機大車、小車到達目標位置后，使用3D激光雷達檢測地面標志物位置，將標志物位置換算成集裝箱的箱位位置，再將目標箱位位置發(fā)送給控制系統(tǒng)。

2）如果目標箱位位置無異常，控制系統(tǒng)控制吊具下降，下降過程中實時調(diào)整吊具姿態(tài)，吊具在著箱前30 cm高時判斷吊具姿態(tài)是否在目標位置誤差范圍內(nèi)，如吊具姿態(tài)在目標位置誤差范圍內(nèi)，則起升繼續(xù)下降；如不在目標位置誤差范圍內(nèi)，則繼續(xù)調(diào)整吊具，直至吊具姿態(tài)在目標位置誤差范圍內(nèi)。

3）吊具姿態(tài)調(diào)整到位后，吊具繼續(xù)下降直至著箱。

4）集裝箱著箱后，控制系統(tǒng)再次啟動激光雷達，掃描地面標志物和吊具標志物偏差，并將偏差轉換成集裝箱放箱偏差。如果放箱偏差超過設定值，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋的放箱偏差，將集裝箱拉離地面30 cm，再次調(diào)整吊具，調(diào)整到位后起升下降，直至著箱。如果放箱精度滿足設定值，吊具開鎖，放箱完成。

5 結語

本文通過分析比較目前常見的一層集裝箱自動著箱的方案，針對不同方案的優(yōu)缺點進行闡述，在此基礎上，根據(jù)碼頭實際情況，開發(fā)出輪胎吊一層集裝箱自動著箱系統(tǒng)。實際測試表明，系統(tǒng)可有效消除輪胎吊在自動作業(yè)中由于輪胎氣壓、機械變形、大車定位等因素帶來的誤差，實現(xiàn)輪胎吊一層集裝箱自動著箱。系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場大規(guī)模實際生產(chǎn)驗證，精度滿足實際生產(chǎn)要求，能適應如強光、雨天、夜晚等工況。結果表明該系統(tǒng)可進一步提高輪胎吊自動化作業(yè)水平，加快碼頭升級改造步伐。該方案的局限性是地面同樣需要安裝輔助標志物，方案的成本相對也較高，隨著人工智能技術的快速發(fā)展，利用機器視覺方案檢測地面箱角線仍是后續(xù)發(fā)展的方向。