集装箱堆场轮胎吊自动化作业系统仿真及实测

曹 民， 朱爱玺， 黄秀松， 张志勇

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院， 上海 200093;2.上港集团 a. 工程建设指挥部； b. 上海海勃物流软件有限公司， 上海 200080)

集装箱堆场轮胎吊是一种应用于集装箱堆场、依赖轮胎移动的门式起重设备，相比依赖轨道移动的轨道吊具有投资成本低、机动性好和标准化程度高等优点，但也存在作业效率低、劳动强度大、安全隐患多和自动化实现难度大等缺点。目前轮胎吊自动化作业系统仍处于研发测试(或试运行)阶段，尚未见到成功推广的案例。据相关资料分析，现有的轮胎吊自动化作业系统方案大多采用激光扫描测距仪、绝对值编码器和高清数字摄像机等1种或多种传感器测量技术，普遍存在定位精度差、自动化程度低、场地适应性差、安全可靠性低、投资及维护成本高和作业效率提升不明显等缺陷，因此总体实用性不强,难以推广应用。[1-4]

为克服在试轮胎吊自动化作业系统存在的上述问题，提出一种集装箱堆场轮胎吊自动化作业系统，根据激光测距传感器、绝对值编码器、高清数字摄像机和动态倾角传感器的测量信息及码头运营管理系统的调度指令，通过悬停着落阶段远程+现场自动控制确认方式，进行吊具位置及速度、吊架扭转及伸缩、旋锁开闭等运动控制，自动完成空载(或载箱)吊具的门字运行、侧倾修正、扭转对位、悬停纠偏和抓箱放箱等作业。[5-6]

1 系统设计

1.1 作业系统的机械结构

作业系统的机械结构(见图1)主要包括轮胎吊(1)、小车(2)、吊具(3)、腿柱(4)、集装箱(5)、卡车(6)、绝对值编码器(7)、激光测距传感器(8)、高清数字摄像机(9)、动态倾角传感器(10)、急停按钮(11)和自动控制确认按钮(12)等组件。堆场集装箱按序纵向堆积在轮胎吊下方;卡车通道位于轮胎吊下方一侧;小车在横梁轨道上水平运行;小车上的起升机构通过吊索牵引吊具升降运行;吊具包括吊架扭转伸缩机构和旋锁开闭机构等组件;用来测量小车水平方向位置及吊具垂向位置的绝对值编码器分别安装在小车运行和起升机构的传动轴上;用来测量吊具两侧下方堆场高度的4台激光测距传感器对称安装在小车4角(推荐前/后传感器安装间距W1=2Wc+2Wi，Wc为集装箱宽度，Wi为集装箱堆放间隙；推荐左/右传感器安装间距L1尽量大，但应小于20英尺短箱的长度；推荐起点/终点阶段悬空低位时空载吊具/吊箱至目标堆位的悬空高度Hg=Hc，Hc为集装箱高度);用来采集吊具两侧及下方堆场、集卡车道视觉图像的3台高清数字摄像机对称安装在小车前/后部(推荐前/后摄像机安装间距Wh=Wc+Wi)和车道侧腿柱的下部内侧(推荐摄像机安装高度为集卡货台平均离地高度);用来测量轮胎吊前后/左右双向水平倾角的动态倾角传感器安装在小车上;急停按钮和自动控制确认按钮分别安装在车道侧腿柱的下部外侧。

1.2 作业系统的电气结构

作业系统的电气结构(见图2)主要包括位于中控室的码头运营管理系统(TOS)、远程监控计算机(RMC)及位于轮胎吊的绝对值编码器(AVE)、激光测距传感器(LDS)、动态倾角传感器(DTS)、高清数字摄像机(HDC)、可编程自动化控制器(PAC)或工控机(IPC)、运行状态监测(RSM)、操作手柄开关(OHS)、急停按钮(ESB)、自动控制确认按钮(ACB)、可编程控制器(PLC)或运动控制器(SMC)、电机驱动器(MPD)、大车行走机构(GTM)、小车运行机构(TTM)、吊具起升机构(SLM)、旋锁开闭机构(SLSM)和吊架扭转伸缩机构(HTTM)等组件。该系统的工作原理为：2台AVE分别测量小车水平方向的绝对位置和吊具垂向的绝对位置，4台LDS分别测量吊具两侧下方的堆场高度，1台DTS测量轮胎吊前后/左右方向的水平倾角，2台HDC分别采集吊具两侧及下方堆场的视觉图像，ESB和ACB分别接收集卡司机的急停和确认信号；PAC或IPC通过通信端口分别接收AVE,LDS,DTS和HDC发送的数据流，并通过数字I/O口分别接收ESB和ACB的电平信号及通过无线局域网(WLAN)接收RMC的远程操控指令和来自于TOS的箱位调度指令，同时将作业现场的监控信息反馈给RMC和TOS；PAC或IPC按照手动/自动运动控制算法，通过通信端口将控制指令发送给PLC或SMC；PLC或SMC将控制指令通过MPD分别驱动GTM,TTM,SLM,SLSM和HTTM运行，同时接收轮胎吊RSM及OHS等输入信号，并发送运行状态指示等输出信号。

1.3 作业系统的控制流程

作业系统的控制流程(见图3)主要包括系统启动、参数设置、手动运行和自动运行等4部分。运行模式主要分手动和自动2种，且具有模式互补功能。开机时默认自动运行模式，若切换至手动运行模式，系统将暂停自动运行后续步骤;再次切换回自动运行模式并解除暂停，系统将恢复自动运行后续步骤。

1) 系统启动：控件初始化/使能/禁用，读入系统参数退出设置，系统故障诊断(若有系统故障，则退出系统,提示及记录故障)，连续读取AVE位置xa和ya,LDS测距yl,DTS倾角θz和θx,HDC视觉,RMC指令及PLC反馈等端口通信数据。

2) 参数设置：恢复用户/出厂设置,修改/保存用户设置，应用并退出参数设置。

3) 手动运行：实现小车运行速度、吊具升降速度、吊架扭转/伸缩和旋锁开闭等控制功能。小车运行速度控制还包括防打保龄功能(撞箱预警时小车减速直至停止运行);吊具升降速度控制还包括松绳停降功能(下降至触底松绳时吊具停止下降);旋锁开闭控制还包括紧绳禁开锁功能(紧绳状态时旋锁禁止开锁)。

4) 自动运行：作业指令未更新或有错误时等待作业指令，否则顺序执行准备阶段(包括上升至门顶、平移至门顶起点)、起点阶段(包括下降至悬空低位、提示自动控制确认、下降至触底松绳、闭锁抓箱及上升至门顶)、过渡阶段(包括平移至门顶终点)和终点阶段(包括下降至悬空低位、提示自动控制确认、下降至触底松绳、开锁放箱及上升至门顶)等作业步骤，在此期间可随时执行急停并退出自动运行、中止自动运行、跳过当前转至下一步骤、暂停后续步骤和切换至手动模式并暂停后续步骤等操作；当|LDS定位-HDC定位|≥误差门限ξ时，暂停后续步骤、故障提示及记录；在吊具悬停着落阶段，处于车道排位时须远程与集卡司机同时保持确认状态方可继续自动运行，处于其他排位时仅需保持远程确认状态即可继续自动运行。对小车运动方向侧两路LDS对位算法、悬空低位吊箱上缘距门顶高度算法等关键流程作以下具体说明。

1) 当|Xo-xa|≤Wc/2+2Wi且|Xo-xa|≥Wc/2时，若yl0-yl1≥Hc/2且yl0-yl2≥Hc/2，则

(1)

2) 当|Xo-xa|≤Wc/2+2Wi且|Xo-xa|

(2)

3) 当xa∈[Xo-Wc/2+Wi,Xo+Wc/2-Wi]时，对yl进行滤波，则

1.4 作业系统的软件架构

作业系统软件基于LabVIEW及其运动、视觉、实时等工具包开发，能实现手动/自动模式运行、远程桌面监控及虚拟仿真演示(基于前次作业更新的堆场轮廓信息，可在自动或手动运行模式下对当前的作业指令进行作业流程预演)等程序功能。主程序面板(见图4)主要由二维图片控件(包括作业场景动画演示)、视觉影像控件(包括作业场景摄像监视)、字符串显示控件(包括箱位调度指令、被吊箱型指令和吊具工作状态)、数值显示控件(包括吊具当前位置、吊具当前速度和大车当前倾角)、选项卡控件(包括自动运行模式、手动运行模式)、布尔显示控件(包括故障报警、指令已完成、急停外部按钮和自动控制确认外部按钮)及布尔输入控件(包括设置、仿真、启动、急停和退出)等区位组成;参数设置子程序面板(见图5)主要由布尔输入控件(包括保存用户设置、恢复用户设置、恢复出厂设置和应用退出)及选项卡控件(包括动画演示参数、大车结构参数、小车结构参数、吊具结构参数、集装箱结构参数、堆场结构参数、编码器配置参数、激光器配置参数、倾角计配置参数、摄像头配置参数、运动控制参数和控制器配置参数)等区位组成。主程序框图(见图6)主要包括参数初始化、通信端口配置、退出设置读取、界面事件处理、自动模式顺序控制、外部开关动作响应、视觉影像获取及处理等程序结构；子程序框图主要包括参数设置、作业场景动画演示、堆场轮廓初始化数组、箱位排号X轴坐标、箱位排号相对Y轴零位激光测距、X轴运动方向侧相对Y轴零位激光测距及各类传感器/编码器端口通信等程序模块。

2 仿真测试

为便于在实验室进行模拟仿真测试，研制按比例缩小的仿真测试台架(见图7)，精准模拟大车行走(待装)、小车运行、吊具升降、吊架扭转、旋锁开闭、操作手柄及旋钮开关、常用集装箱、集卡和堆场等基本功能。台架基本参数为：起升质量5 kg；跨距1 200 mm；起升高度782 mm；升降速度40 mm/s；小车速度40 mm/s；吊具转角±45°；大车行走到位、自动运行模式下的仿真测试结果符合设计要求(抓/放箱偏差≤5 mm且成功率≥95%)。该测试台架基于LabVIEW编程软件、EtherNet/IP四轴运动控制器、智能一体式步进电机、RS485多圈绝对值编码器、RS485激光测距传感器、RS485动态倾角传感器、USB微型夜视补光摄像头和触控式平板电脑等软硬件开发，具有结构精细、功能强大、操作简便和性能稳定等特点，可广泛应用于模拟仿真测试、控制算法开发、驾驶操作培训和航运科普演示等领域中。

3 现场测试

该作业系统已在码头堆场的RC40/46轮胎吊(起升质量40 t，跨距23.47 m，起升高度15.24 m，小车速度70 m/min，满/空载起升速度20/45 m/min，满/空载大车速度25/120 m/min，吊具回转角度±5°)上实现安装调试和现场测试(见图8)，参照相关技术标准及作业规范得到的现场测试结果表明：在大车行走到位、自动运行模式条件下，小车抓箱偏差≤50 mm且成功率≥95%，符合设计要求；而小车放箱偏差>20 mm且成功率<95%，不符合设计要求。究其原因,主要与所选单点激光测距传感器的响应时间、高清数字摄像机的分辨率、原配可编程控制器的通信速率、吊具未等停摇就着箱、小车定长运动控制策略及小车固有定位精度等有关[7-8]，有待进一步优化作业系统软硬件的选型和设计。

4 结束语

本文针对在试集装箱堆场轮胎吊自动化作业系统存在的诸多问题，提出根据激光测距传感器、绝对值编码器、高清数字摄像机及动态倾角传感器的测量信息和码头运营管理系统的调度指令，通过悬停着落阶段远程+现场自动控制确认方式，自动完成空载(或载箱)吊具的门字运行、侧倾修正、扭转对位、悬停纠偏和抓箱放箱等作业的系统设计方案，给出完整、具体的设计试制过程，研制结构精细的仿真测试台架。通过仿真测试、现场测试和效果分析，初步验证了设计方案的可行性、有效性(大车行走到位、自动运行模式条件下的现场测试表明小车抓箱偏差及成功率符合设计要求)和局限性(小车放箱

偏差及成功率不符合设计要求)，为后续研制任务指明了改进方向(改善小车放箱偏差及成功率，以符合设计要求)。此外，后续还需在现有仿真测试台架基础上增加大车行走及基于地基增强的卫星+惯性组合导航定位等功能，以便精细仿真大车运动控制策略，提升现场大车行走到位的精度。

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[5] 曹民，朱爱玺．集装箱门式起重机用吊具路径优化控制系统：ZL2013101756990[P]．2014-12-03．

[6] 曹民．集装箱堆场轮胎吊自动化作业系统：ZL2015106509575[P]．2017-03-22．

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