一種基于激光測距的船形輪廓掃描系統

朱錦順 吳 翔 孫 偉

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

自動化碼頭設備正朝著高速化、自動化和智能化方向發展，如何高效且安全地實現岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)自動裝卸船作業，是提升碼頭作業效率的一個主要因素。為此，需準確知曉船上各個排位的集裝箱高度信息，再結合電控系統對裝卸任務路徑進行規劃，通過自動化運行降低岸橋司機在船側作業的勞動時間和勞動強度。基于激光多點測距技術[1-2]，提出一種適用于自動化岸橋的SPSS系統(Ship Profile Scanning System，船形掃描系統)，介紹系統功能及工作流程。

2 系統硬件構成

自動化岸橋的SPSS系統硬件主要包括激光掃描設備、SPSS控制器、PLC、DP轉換設備等。

激光掃描設備安裝于小車架平臺，使用的是單線式高精度激光器，激光器掃描距離范圍最大為250 m，掃描角度范圍為0°～300°，角精度為0.25°，頻率為10 Hz，滿足目前岸橋的作業高度范圍。同時使用高精度的伺服驅動馬達，將激光器固定于馬達上，通過控制馬達轉動結合編碼器數據可以實現從2D到3D的激光器功能轉變。

SPSS控制器安裝于電氣房中，通過以太網方式與激光器和馬達通訊，實時獲取并處理激光器掃描數據以生成船形輪廓模型。通過DP轉換設備與PLC通訊，獲取實時的小車和起升機構位置，并將計算出的輪廓信息和限速保護值傳輸至PLC。

為確保SPSS控制器與PLC間通訊的穩定性和實時性，采用工業通訊中常用的Profibus DP方式。因控制器無法直接與PLC進行通訊，需借助DP轉換設備，實現SPSS與PLC間的數據收發。

3 系統功能

3.1 輪廓生成

小車平臺上安裝3個激光器，其中2個2D激光器掃描方向與小車方向平行，且掃描線垂直地面；另一個激光器安裝在轉動馬達上，激光掃描方向與大車方向平行(見圖1)。

圖1 激光器掃描示意圖

當小車向前運行時，2D激光器實時掃描小車方向的障礙物輪廓，同時3D掃描儀會擺動到安全高度對應的角度位置，對當前貝位和相鄰貝位的障礙物輪廓進行實時掃描。集成3個激光器的掃描數據生成點云信息，結合實時吊具位置對異常數據進行過濾，并根據當前大車位置和吊具尺寸，輸出作業范圍內安全的障礙物輪廓，用于自動控制系統路徑規劃(見圖2)。

圖2 輪廓示意圖

3.2 吊具位置檢測

因正常作業時吊具晃動大，為準確實現起升機構和小車方向的防撞保護，需實時檢測吊具的位置信息。利用安裝于小車架左右兩邊的2D激光器，實時掃描吊具上架平面，根據激光掃描數據計算吊具位置信息，包括吊具高度、吊具在小車方向偏移量、左右旋轉角度Skew、左右傾轉角度Trim及前后傾轉角度List。激光器掃描俯視圖見圖3，其中X為小車方向即前后方向坐標，Y為起升方向即高度坐標。

圖3 檢測吊具位置原理

以Skew計算為例，可分別通過左右側的激光器掃描數據識別出的吊具左側小車位置中心點X1，吊具右側的小車位置中心點X2，結合左右側激光器安裝位置在大車方向的距離L，則吊具左右旋轉角度θs計算公式為：

θs=tan-1((X1-X2)/L)

(1)

同理，左右側的激光器掃描數據識別出的吊具中心左側高度Y1，吊具中心右側高度Y2，吊具左右旋傾角度θt計算公式為：

θt=tan-1((Y1-Y2)/L)

(2)

對于List角度計算，可以僅依靠1個2D激光器實現，假設掃描到的吊具海側邊緣的高度為Y3，陸側邊緣的高度為Y4，且掃描到的吊具寬度為W,則前后傾轉角度θl計算公式為：

θl=sin-1((Y3-Y4)/W)

(3)

激光器的安裝位置決定了檢測吊具信息的準確性和穩定性，因此在激光器安裝時，需借助激光探測儀等設備對安裝位置進行準確標定。

3.3 防撞檢測

對于小車防撞，主要是在小車向前運行的時候3D激光器轉動擺向海側，根據小車的安全減速距離實現對小車前方安全防撞保護，其中馬達轉動角度θ需根據起升高度和小車安全距離計算得到。

對于起升方向的保護，主要是在起升機構向下運行時檢測吊具底部或帶箱底部與下方障礙物的距離，當距離達到設定的安全距離時，起升速度將會限制到設置的最小速度，并一直以此速度下降至著箱。

自動化運行時，以小車防撞保護為例，當吊具帶箱底部的高度低于前方障礙物，吊具會與前方集裝箱發生碰撞，PLC接收到SPSS發送的各排位高度后，則先拉高起升，等越過前方集裝箱后再降低起升高度運行至目標位置，確保作業的安全性(見圖4)。

圖4 防撞原理

4 系統工作流程

SPSS系統主要分為故障、未啟用及正常工作3個狀態。當SPSS與PLC間數據收發異常、激光器掃描數據異常或自動化校驗失敗等故障時，系統切換至故障狀態，同時輸出對應故障代碼；SPSS未啟用且系統無故障時則輸出空閑狀態；SPSS已啟用且無故障時則輸出正常工作狀態。

系統進行防撞保護運算時需根據吊具的開、閉鎖狀態及吊具尺寸，動態切換保護范圍。系統總體工作流程見圖5。

圖5 系統工作流程

4.1 系統開關

司機室觸摸屏或遠程操作臺上的SPSS ON/OFF按鈕用于控制啟用或停止SPSS系統功能，默認為開啟狀態。如果系統有故障發生時，SPSS會對小車和起升機構的運行速度進行限制用于提醒司機，若短時間內故障無法解決時也可以臨時關掉SPSS系統進入手動操作模式，從而恢復岸橋起升機構和小車的運行速度。

4.2 輪廓自學習

當SPSS剛啟動時，需進行輪廓自學習，即起升至指定高度以上，一般為上停止下方5 m，同時小車從停車位處以50%速度往海側移動，移動過程中SPSS系統利用激光掃描數據檢測船海側邊緣對應的小車位置，同時與小車實時位置對比，當小車位置大于船海側邊緣時即認為已完成自學習，同時告知PLC可以開始自動化作業；當未完成輪廓自學習前，若起升高度低于設定高度，SPSS則會對小車和起升機構進行限速確保安全。

4.3 換貝作業

當大車移動時，SPSS系統判斷實時大車方向移動距離是否超過6 m(標準40 ft集裝箱長度)，若小于6 m則認為是從大貝切換至小貝作業，此時無需重新自學習；若超過6 m，系統則判定進行了換貝位作業，會清空所有的障礙物輪廓信息，待大車停止再次作業時，需重新啟用自動掃描進行輪廓自學習。

4.4 小車方向防撞保護

在小車前進方向上，如果空吊具底部(吊具開鎖)或者集裝箱底部(吊具閉鎖)的位置低于障礙物時，SPSS會計算小車坐標系上的障礙物和吊具之間的距離，并將速度限制值發送給PLC，由PLC實時調整小車運行的最大速度，實現小車運行防撞保護。

4.5 起升方向軟著陸

吊具下降過程中，SPSS系統會實時檢測吊具下方障礙物，并計算吊具距離障礙物的距離，向電控系統發送起升限速速度和減速信號，實現軟著箱功能。

當小車向前運動且起升機構向下同時運動時，SPSS會計算起升機構與障礙物的距離及吊具底部或集裝箱底部與障礙物之間的垂直距離，實現在水平和垂直方向結合的防碰撞。

4.6 相鄰貝位防撞保護

系統對小車和起升機構的限速保護考慮了相鄰貝障礙物，安裝在小車平臺最前端的3D激光器沿大車方向實時掃描，小車運行時獲得三維輪廓。根據3D掃描的障礙物輪廓信息及當前大車位置、吊具尺寸，識別作業范圍內需防撞保護的障礙物。在相鄰貝位集裝箱錯位的情況下，小車前后移動，若高于吊具的障礙物被檢測到，SPSS會計算障礙物與吊具之間的水平距離，將小車限速和減速信號發給控制系統，實現相鄰貝位的防撞保護(見圖6)。

圖6 相鄰貝位防撞

5 結語

該船形輪廓掃描系統已應用于多個自動化碼頭中，可有效提高自動化作業率。對于雙小車結構岸橋，目前僅船上對箱作業最后一階段需手工進行開閉鎖操作，其他階段皆是自動化運行，相比傳統作業模式可減少司機操作時間，有效降低司機誤操作或工作疲勞導致的碰撞事故。隨著技術升級換代，有望實現對船側全自動化作業。