门座式起重机自动化作业多机避让策略

门座式起重机自动化作业多机避让策略

马学旭 ,赵伟丽 ,王建军 ,王德萍 ,杨天学 ,杨磊 ,王鹤 ,陶祥根

（青岛港国际股份有限公司前港分公司，青岛 266500；青岛市西海岸新区交通运输局，山东 青岛 266500）

摘要：“一舱多机”作业时的门座式起重机（以下称“门机”）安全避让策略是门机自动化改造的重点项

目之一。为解决门机与门机之间、门机与流动机械之间的避让问题，采用并发定位技术，通过GNSS定位

系统和编码器同时独立计算门座式起重机的大车、回转、变幅、抓斗以及流动机械的位置坐标，采用三维

激光扫描对舱口、抓斗、物料、流动机械进行扫描，采用多线投影规划对当前门机大臂进行路径规划，并

且通过无线网络在ECS系统统一管理下进行实时数据交互，实现相邻门机之间的安全避让、门机与流动机

械的安全避让。

关键词：门机自动化；安全避让策略；并发定位技术；三维激光扫描

中图分类号：TP183     文献标志码：A

1引言

当散货码头的泊位完成多台自动化门机的改造升级后，需要实现多机协同配合作业[1]，同时在作业过程中要实现相邻门机之间、门机与流动机械之间的实时避让，即不能影响各设备的作业效率，同时避免设备与设备间的安全碰撞隐患避让策略的优良将直接影响多台自动化门机的整体作业效率和设备的安全[2]。

2技术路线

研发门机安全避让策略是为了避免在门机自动化操作中与相邻门机以及流动机械发生碰撞事故。要实现相邻门机间及与流动机械间的避让需要实现以下几方面：

①对设备进行精确定位，采用全球导航卫星系统定位(GNSS)进行定位；为避免误差，采用编码器独立计算门座式起重机的大车、回转、变幅、抓斗的实际位置，与GNSS系统计算的位置信息进行实时校验。

②对舱口、抓斗、物料、流动机械进行扫描，确定其相对位置，采用三维激光扫描技术，获得扫描物体表面的三维点云数据[3]。

③多线投影规划，规划门机各自通过路径；判断抓斗与流动机械间的最短距离，获取抓斗升降高度数据。

④在ECS系统下实现机械设备间数据共享，判断安全避让策略。

3技术方案

3.1并发定位技术

并发定位技术是基于GNSS技术和编码器定位的高精度定位方法，采用在门机的机房顶部以及四连杆臂架的端部各安装一套GNSS定位系统，实时获取门机臂架端部及门座式起重机的回转中心的坐标位置。

大车机构采用脉冲编码器位置累加以及绝对值编码器数据换算的方式，变幅机构采用脉冲编码器位置累加以及绝对值编码器数据换算的方式[4]。

在码头空旷处设置专用的RTK基站，同时在每台自动化门机的象鼻梁处安装移动站，对门座式起重机的整个作业场地进行数字化标定，实时获取象鼻梁处相对于基站的坐标矢量。并采用大幅运行回转机构的方式通过实时获取的移动站矢量位置，计算出门座式起重机的回转中心，此事回转中心相对于基站的相对位置便可以实时计算出来。通过计算的回转中心可实时估算出门机臂架四连杆的相对位置。

当系统可实时获取RTK位置计算数据以及通过编码器等传感器获取实时位置数据后，系统内实时将RTK计算数据与编码器计算数据对设备进行矢量冗余控制，即在运行过程中实时监控两设备对于同一作业。

3.2三维扫描技术

三维激光扫描仪安装于臂架端部，实时对舱口、抓斗流动机械、物料进行定位扫描，获取其在相对坐标系内的实时位置信息。在臂架两侧所增加的三维激光扫描仪，在安装初始已经完成对设备的标定工作，系统完全清楚两个扫描仪相对于设备RTK移动站的相对位置。激光扫面议配备有阻尼器，有较好的抗震效果，扫描数据经过独立开发的软件平台，可以实时精准推算门机的相对坐标。

采用激光雷达对目标区域进行数据采集， 结合相关算法，对原数据进行降噪，结合所需识别目标的特征结构，在降噪后的数据中匹配特征点，通过特征点划定目标物体在激光视角中的空间中的位置[5]。

空间坐标系转化，对于任意一个点（向量）V，假定其在两个坐标系下的表示分别为Va、Vb，两个坐标系的旋转矩阵为Rab，平移向量为tab，则有：

（1）

如果采用齐次坐标形式，设两坐标之间的变换矩阵为Tab，则有：

                        （2）

因此，有：

                             （3）

    结合空间坐标转换，将激光视角下的空间坐标系转化为实际大地物理坐标系[6]。扫描图像如图1所示。

 图1扫描图像及特征提取图像

3.3多线投影规划

通过并发定位技术和三维扫描，实现在作业过程中，多台门座式起重机的实时位置共享和公共作业区的抓斗安全避让。整个设备与设备的避让过程中，基于动态的机构定位数据，并二次迭代优化后，给出地面的大臂投影，采用多线投影规划，实时对当前作业抓斗进行路径规划，确保在与相邻门机协同作业过程中，在重叠作业半径内实现抓斗避让，

同时高效的完成设备装卸任务。

3.4避让策略

1、路径通过问题。左右两台设备作业时有一段共用的路径，当两台设备距离足够远时可以不用考虑公用路径问题。

2、防撞问题。在两台设备作业时，避免与另外一台设备发生碰撞，路径通过策略有效的时候，可以避免大部分碰撞情况。

3、通过通道路径时，机构的控制策略设计。软件中设置一个为主机一个为从机，当软件检测到可能发生碰撞时，从机停止动作避让主机，待主机离开碰撞区域后从机再继续动作。

4总结

此技术适用于集群式多台自动化门机设备协同作业，是门机自动化作业的必备条件。

该项技术将彻底解决门机与门机之间、门机与流动机械之间的碰撞隐患，未来不仅可用于自动化门机设备，不同门机设备在经过一些列改造后也可使用，可大大降低门机碰撞的安全事故。

参考文献

[1]迟金生.杂货码头门座起重机自动化改造关键技术[J].港口装卸,2021(05):53-55.

[2]孙伟哲,杨多兵.门座式起重机自动化作业关键技术[J].港口科技,2021(04):8-11+48.

[3]李力,岳文翀,潘彦宏.基于三维定位技术的桥式起重机空间避让策略[J].起重运输机械,2019(22):80-82.

[4]杨文博.基于编码器与GPS的单机俯仰角度双重定位系统的设计与实现[J].电子世界,2015(24):129+131.

[5]王旭修,蔡有高,时培领,陈煌,李祥,刘明.激光探测与测量视觉技术在堆取料机全自动控制中的应用[J].水运工程,2020(06):87-91+105.

[6]剪欣,周泉,黄欢.3D激光扫描仪在散货料场三维建模中的应用[J].港口装卸,2018(01):32-35.