CN103231990B - 集装箱门式起重机用吊具路径优化控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于激光扫描定位技术的集装箱门式起重机用吊具路径优化控制系统，主要由吊具路径控制模块、激光扫描测距仪、视频监控摄像机、触控式显示屏等组件构成，能根据码头运营操作系统的调度指令和小车载激光扫描测距仪的测距信息，按照扫描定位识别和路径优化控制等智能算法，对堆场轮廓及吊具（或被吊集装箱）进行定位识别和路径优化，使吊具（或被吊集装箱）沿优化路径装卸到位。该系统能显著提高作业效率、降低运行能耗、减少撞箱事故和减轻劳动强度，从而进一步扩展了码头运营操作系统的调度功能，可广泛用于集装箱堆场的各类轮胎式和轨道式龙门吊。

Description

集装箱门式起重机用吊具路径优化控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于集装箱门式起重机的自动装卸控制装置，尤其是基于激光扫描定位技术的集装箱门式起重机用吊具路径优化控制系统。

背景技术

随着世界经济的不断发展，国内国际贸易多年来一直呈现连年递增的态势，航运业因其运量大、成本低的显著优势，码头集装箱吞吐量也大幅攀升，货物装运及运转速度几乎完全依赖于集装箱的搬运与集散速度，集装箱装卸效率已成为制约进疏港周期、提高港口物流服务水平、降低相关产业链成本的重大问题。目前门式起重机(简称龙门吊)的集装箱装卸仍然依靠司机人工操控完成，普遍存在装卸效率低、运行能耗高、劳动强度大、安全隐患多等诸多缺陷。在堆场进出箱过程中，司机通过目测感知龙门吊下方的箱位和堆高，再根据作业指令提供的目标箱位，操纵大车、小车和吊具来完成装卸，最后通过目测来检查和确认作业指令的完成情况。为避免人为操作不当引发的碰箱事故，龙门吊操作规程要求吊具走门框路径(而不是最短路径)，因而严重制约了作业效率、大幅增加了运行能耗。为提高集装箱的装卸效率，就要求龙门吊运行提速、司机操控动作加快，由于体力、情绪和环境等因数影响，司机难免会发生操作失误，引发龙门吊撞箱事故，造成不必要的经济损失。

随着国家节能减排政策的大力推行，码头运营操作系统(简称TOPS)迫切需要集成吊具路径优化控制功能，以期全面实现集装箱堆场的无人化智能装卸，为港口物流企业保障安全、降本增效。据资料统计，目前在研的龙门吊自动装卸系统普遍存在识别定位及路径优化算法不实用、运算时间长、受扰影响大、定位精度差、智能水平低等诸多不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为克服在研龙门吊自动装卸系统普遍存在的识别定位及路径优化算法不实用、运算时间长、定位精度差、智能水平低、可靠性难以保证等诸多不足，本发明提供一种基于激光扫描定位技术的集装箱门式起重机用吊具路径优化控制系统，能根据码头运营操作系统的调度指令和小车载激光扫描测距仪的测距信息，按照扫描定位识别和路径优化控制等智能算法，对堆场轮廓及吊具(或被吊集装箱)进行定位识别和路径优化，使吊具(或被吊集装箱)沿优化路径装卸到位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：集装箱门式起重机用吊具路径优化控制系统主要由吊具路径控制模块、激光扫描测距仪、视频监控摄像机、触控式显示屏等组件构成，吊具路径控制模块(SRCM)根据TOPS的调度指令和小车载激光扫描测距仪(LMS)的测距信息，按照预定的扫描定位识别和路径优化控制等智能算法，对堆场轮廓及吊具(或被吊集装箱)进行定位识别和路径优化后，将控制指令发送至主/从站可编程控制器(PLC)；主/从站PLC根据操纵手柄开关、旋锁开闭状态、小车和吊具位置编码器等信息，对控制指令进行比较、判断和确认后，通过驱动器及接触器驱动小车运行电机、吊具起升电机和旋锁开闭机构，使吊具(或被吊集装箱)沿优化路径装卸到位，同时将运行记录回传给SRCM和TOPS；当接收到操纵手柄开关信号时，系统立即将自动模式切换为手动模式，其后恢复自动模式须手动切换；当超出控制范围或出现系统故障时，故障诊断处理程序可输出急停和报警信号；为提高系统安全性和操控便利性，用户还可通过视频监控摄像机(VSC)和触控式显示屏(TS)对作业过程进行监视和调整。

本发明的有益效果是：能通过扫描定位识别和路径优化控制等智能算法，使吊具(或被吊集装箱)沿优化路径装卸到位，可显著提高作业效率、降低运行能耗、减少撞箱事故和减轻劳动强度，从而进一步扩展了TOPS的调度功能，可广泛用于集装箱堆场的各类轮胎式和轨道式龙门吊。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明中集装箱堆场轮胎吊的自动装卸作业示意。

图2是本发明中轮胎吊吊具路径优化控制系统的结构组成。

图3是本发明中轮胎吊吊具路径优化控制系统的用户界面。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步描述。

在图1所示实施例中，本发明中集装箱堆场轮胎吊的自动装卸作业主要涉及：轮胎吊(1)、集装箱(2)、卡车(3)、小车(11)、吊具(12)、横梁(13)、激光扫描测距仪(111)、吊具反射板(121)、横梁反射板(131)等组件，其中：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，小车在轮胎吊顶端轨道上水平运行，吊具通过吊索与小车上的起升机构相连，横梁在轮胎吊腿部靠上位置，横梁反射板垂直安装在横梁上，吊具反射板水平安装在吊具框架顶部且圆弧形反射面面向激光扫描传感器(通过反射面上至少三个连续的激光扫描点来确定反射面圆心的坐标位置)，激光扫描测距仪窗口朝下安装在小车上，激光扫描面与XY坐标面平行、且与横梁反射板及吊具反射板相交，图示为轮胎吊大车停稳状态下系统根据激光扫描定位识别算法和吊具路径优化控制算法对小车和吊具进行运动控制，图中小车、吊具及被吊集装箱在轮胎吊的上左和上右极限位分别用深、浅两色对应表示。

1、激光扫描定位识别算法

1)激光扫描测距仪光轴的X轴坐标

当[s,θ]满足|ε_br|＝|Y_s-Y_r-s·sinθ|→min且时，[s_br,θ_br]＝[s,θ]，x_s＝s_br·cosθ_br。

2)吊索下索点平面中点摇摆/平衡位置的X、Y轴坐标

x_m＝x_s-s_m·cosθ_m，y_m＝Y_s-s_m·sinθ_m；

x_m-1＝x_s-s_m-1·cosθ_m-1，y_m-1＝Y_s-s_m-1·sinθ_m-1；

x_m-2＝x_s-s_m-2·cosθ_m-2，y_m-2＝Y_s-s_m-2·sinθ_m-2；

$x_{\mathrm{cc}}=\frac{(y_m-y_{m-2})({y_{m-1}}^2-{y_{m-2}}^2+{x_{m-1}}^2-{x_{m-2}}^2)+(y_{m-1}-y_{m-2})({y_{m-2}}^2-{y_m}^2+{x_{m-2}}^2-{x_m}^2)}{2(x_{m-1}-x_{m-2})(y_m-y_{m-2})-2(x_m-x_{m-2})(y_{m-1}-y_{m-2})},$

$y_{\mathrm{cc}}=\frac{(x_m-x_{m-2})({x_{m-1}}^2-{x_{m-2}}^2+{y_{m-1}}^2-{y_{m-2}}^2)+(x_{m-1}-x_{m-2})({x_{m-2}}^2-{x_m}^2+{y_{m-2}}^2-{y_m}^2)}{2(y_{m-1}-y_{m-2})(x_m-x_{m-2})-2(y_m-y_{m-2})(x_{m-1}-x_{m-2})};$

$r_{\mathrm{cc}}=\sqrt{{(x_{\mathrm{cc}}-x_m)}^2+{(y_{\mathrm{cc}}-y_m)}^2};$

当满足|ε_hr|＝|r_cc-R_hr|→min且|e_h|＝|x_cc-x_s+W_sh-W_hr|≤E_hmax时，

x_hi＝x_cc-W_hr，y_hi＝y_cc-H_hr；

$x_h=x_s-W_{\mathrm{sh}},y_h=Y_s+H_{\mathrm{sp}}-\sqrt{{(Y_s+H_{\mathrm{sp}}-y_{\mathrm{hi}})}^2+{(x_s-W_{\mathrm{sh}}-x_{\mathrm{hi}})}^2}.$

3)堆场及车载集装箱顶面中点的X、Y轴坐标(n＝1,2,…,7)

当[s,θ]满足当|ε_n|＝|x_s-X_n-s·cosθ|→min且时，[s_nt,θ_nt]＝[s,θ]，y_n＝Y_s-s_nt·sinθ_nt；

当[s,θ]满足Y_s-s·sinθ<y_n且 ${\mathrm{\&epsiv;}}_n\&Element;[-\frac{W_c+W_i}{2},-\frac{W_c-W_i}{2}]$ 或时，[s_nf,θ_nf]＝[s,θ]， $x_n=[\mathrm{mean}(x_s-s_{\mathrm{nf}}\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{nf}})+\frac{W_c}{2}]$ 或

2、吊具路径优化控制算法

$s_x=\frac{{{\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_s}^2}{2g{f}_x}+E_{h\max }+W_i,s_y=\frac{{{\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_h}^2}{2g{f}_y}+Y_{h\max }-H_h-5H_c;$

1)进箱行程

①起箱阶段

x_h＝x₇，y_h＝y₇+H_c+H_h→y₇+Y_hmax-4H_c。

②上坡阶段

当j＝a,a+1,…,n(n满足x_n≤x_ho-W_c-s_x)时；x_h＝x_ho→x_j+W_c+s_x，y_h＝y_ho→y_j+Y_hmax-4H_c，[x_h,y_h]满足k_h＝min(k_u)。

③下坡阶段

当时； $x_h=x_{\mathrm{ho}}\&RightArrow;\left\{\begin{array}{c}{x}_{j-1},j\&GreaterEqual;a+1\\ x_j,j=a\end{array}\right.,$ y_h＝y_ho→y_j+H_h+H_c+s_y，[x_h,y_h]满足k_h＝min(k_d)。

④落箱阶段

当x_ho＝x_a且x_hi→x_h(吊具停止摇摆)时；x_h＝x_ho＝x_a，y_h＝y_ho→y_a+H_h+H_c。

2)出箱行程

①起箱阶段

x_h＝x_a，y_h＝y_a+H_c+H_h→y_a+Y_hmax-4H_c。

②上坡阶段

当j＝n,n+1,…,7(n满足x_n≥x_ho+W_c+s_x)时；x_h＝x_ho→x_j-W_c-s_x，y_h＝y_ho→y_j+Y_hmax-4H_c，[x_h,y_h]满足k_h＝max(k_u)。

③下坡阶段

当时； $x_h=x_{\mathrm{ho}}\&RightArrow;\left\{\begin{array}{c}{x}_{j+1},j\&le;6\\ x_j,j=7\end{array}\right.,$ y_h＝y_ho→y_j+H_h+H_c+s_y，[x_h,y_h]满足k_h＝max(k_d)。

④落箱阶段

当x_ho＝x₇且x_hi→x_h(吊具停止摇摆)时；x_h＝x_ho＝x₇，y_h＝y_ho→y₇+H_h+H_c。

式中：s、θ—激光测距值及光束角(根据激光扫描测距仪的实测数据经修正后得到；测距仪安装或移位后，须通过标定测试确定实测光束角的修正角也即光束角 其中s_br1、s_br2、分别为测试位测距仪至横梁反射板反射面上下两个不同点的测距值和实测光束角)；

s_br、θ_br—激光扫描测距仪至横梁反射板反射面的测距值及光束角(根据激光扫描测距仪的实测数据经修正后得到)；

s_hr、θ_hr—激光扫描测距仪至吊具反射板反射面的测距值及光束角(根据激光扫描测距仪的实测数据经修正后得到)；

s_nt、θ_nt—激光扫描测距仪至堆场及车载集装箱顶面中轴的测距值及光束角(根据激光扫描测距仪的实测数据经修正后得到)；

s_nf、θ_nf—激光扫描测距仪至堆场及车载集装箱两侧立面的测距值及光束角(根据激光扫描测距仪的实测数据经修正后得到)；

Y_s—激光扫描测距仪光轴的Y轴坐标(根据激光扫描测距仪的安装位置测定)；

Y_r—横梁反射板反射面中点的Y轴坐标(根据横梁反射板的安装位置测定)；

X_smin、X_smax—激光扫描测距仪光轴的最小和最大X轴坐标(根据小车运行的极限位置测定)；

Y_hmin、Y_hmax—吊索下索点平面的最小和最大Y轴坐标(根据吊具升降的极限位置测定)；

ε_br—激光扫描点与横梁反射板反射面中点的位置偏差；

ε_n—激光扫描点与堆场及车载集装箱顶面中点的位置偏差；

s_m、θ_m，s_m-1、θ_m-1，s_m-2、θ_m-2—3个连续激光扫描点的测距值及光束角(根据激光扫描测距仪的实测数据经修正后得到)；

x_m、y_m，x_m-1、y_m-1，x_m-2、y_m-2—3个连续激光扫描点的X、Y轴坐标；

x_cc、y_cc、e_h—3个连续激光扫描点外接圆心的X/Y轴坐标、以及相对吊具顶面中点摇摆平衡位置的X轴偏离；

r_cc、ε_hr—3个连续激光扫描点外接圆的半径及其与吊具反射板反射面圆弧半径的偏差；

E_hmax—吊索下索点平面中点相对其摇摆平衡位置的最大摆幅(由小车变速运行引发，根据实际运行数据测定)；

H_br—横梁反射板的高度(激光扫描点距最大时横梁反射板反射面上应至少有1个激光扫描点，即δ为激光扫描点的角分辨率)；

R_hr—吊具反射板反射面的圆弧半径(激光扫描点距最大时吊具反射板反射面上应至少有3个连续的激光扫描点，即δ为激光扫描点的角分辨率)；

W_c、H_c—集装箱的宽度和高度(按国际标准规定，宽度为2.438m，高度为2.438m、2.591m或2.896m)；

W_i—堆场集装箱的间隙(一般取0.4m)；

H_h—吊索下索点至被吊集装箱顶面的高差(根据吊具的结构参数确定)；

W_sh—激光扫描测距仪光轴至吊具垂直中心线的距离(根据激光扫描测距仪的安装位置测定)；

H_sp—激光扫描测距仪光轴至吊索上索点的高差(根据激光扫描测距仪的安装位置测定)；

W_hr—吊具反射板反射面圆心至吊具垂直中心线的距离(根据吊具反射板的安装位置测定)；

H_hr—吊具反射板反射面圆心至吊索下索点的高差(根据吊具反射板的安装位置测定)；

x_s、—激光扫描测距仪光轴的X轴坐标及速度；

s_x、s_y—被吊集装箱的停车视距(小车和吊具在正常运行时，当司机感知被吊集装箱前方或下方可能发生碰撞后，从开始紧急制动至停车而不发生碰撞所需的最短安全距离)；

f_x、f_y—小车、吊具的制动力系数(包括摩擦制动和电磁制动)；

g—重力加速度(物理常量，取9.8m/s²)；

n—堆场及车载集装箱的列号(根据码头运营管理系统的调度信息得到)；

a—堆取目标的集装箱堆场列号(根据码头运营管理系统的调度信息得到)；

X_n—堆场及车载集装箱顶面中点的标准X轴坐标(根据码头运营管理系统的调度信息得到)；

x_n、y_n—堆场及车载集装箱顶面中点的实测X、Y轴坐标；

x_hi、y_hi，x_h、y_h、—吊索下索点平面中点摇摆/平衡位置的实测X、Y轴坐标及Y轴速度；

x_ho、y_ho—各阶段行程起点吊索下索点平面中点摇摆平衡位置的实测X、Y轴坐标；

k_u、k_d、k_h—吊具在上坡和下坡各阶段行程中可能路线和最优路线的斜率。

在图2所示实施例中，本发明中轮胎吊吊具路径优化控制系统的结构组成主要包括：吊具路径控制模块(SRCM)、码头运营操作系统(TOPS)、激光扫描测距仪(LMS)、视频监控摄像机(VSC)、触控式显示屏(TS)、主/从站可编程控制器(PLC)、操纵手柄开关、旋锁开闭状态、小车位置编码器、吊具位置编码器、驱动器及接触器、小车运行电机、吊具起升电机、旋锁开闭机构等组件；其工作原理是：SRCM根据TOPS的调度指令和小车载LMS的测距信息，按照预定的扫描定位识别和路径优化控制等智能算法，对堆场轮廓及吊具(或被吊集装箱)进行定位识别和路径优化后，将控制指令发送至主/从站PLC；主/从站PLC根据操纵手柄开关、旋锁开闭状态、小车和吊具位置编码器等信息，对控制指令进行比较、判断和确认后，通过驱动器及接触器驱动小车运行电机、吊具起升电机和旋锁开闭机构，使吊具(或被吊集装箱)沿优化路径装卸到位，同时将运行记录回传给SRCM和TOPS；当接收到操纵手柄开关信号时，系统立即将自动模式切换为手动模式，其后恢复自动模式须手动切换；当超出控制范围或出现系统故障时，故障诊断处理程序可输出急停和报警信号；为提高系统安全性和操控便利性，用户还可通过VSC和TS对作业过程进行监视和调整。

在图3所示实施例中，本发明中轮胎吊吊具路径优化控制系统的用户界面主要包括：激光扫描图像区(1)、视频监控图像区(2)、调度指令显示区(3)、控制模式操作区(4)、故障提示显示区(5)、控件开关操作区(6)、运行记录操作区(7)等区位，用户可通过触控式显示屏进行监视和操作；激光扫描图像区和视频监控图像区分别用于实时显示集装箱堆场轮胎吊装卸作业过程的激光扫描图像和视频监控图像，调度指令显示区用于显示TOPS发送的装卸状态(分为进箱、出箱和移箱等状态)、堆场箱位和被吊箱号等信息，控制模式操作区用于单选手动、半自动和自动等模式，故障提示显示区用于列表显示故障描述和处理提示等信息，控件开关操作区用于开机和关机等操作，运行记录操作区用于装卸作业过程运行记录的查看和导出等操作。

Claims (3)

1.一种集装箱门式起重机用吊具路径优化控制系统，主要由吊具路径控制模块、激光扫描测距仪、视频监控摄像机、触控式显示屏构成，吊具路径控制模块根据码头运营操作系统的调度指令和小车载激光扫描测距仪的测距信息，按照预定的扫描定位识别算法和路径优化控制算法，对堆场轮廓、吊具和被吊集装箱进行定位识别和路径优化后，将控制指令发送至主/从站可编程控制器；主/从站可编程控制器根据操纵手柄开关、旋锁开闭状态、小车和吊具位置编码器信息，对控制指令进行比较、判断和确认后，通过驱动器及接触器驱动小车运行电机、吊具起升电机和旋锁开闭机构，使吊具和被吊集装箱沿优化路径装卸到位，同时将运行记录回传给吊具路径控制模块和码头运营操作系统；当接收到操纵手柄开关信号时，系统立即将自动模式切换为手动模式，其后恢复自动模式须手动切换；当超出控制范围或出现系统故障时，故障诊断处理程序可输出急停和报警信号；为提高系统安全性和操控便利性，用户还可通过视频监控摄像机和触控式显示屏对作业过程进行监视和调整。

2.根据权利要求1所述的集装箱门式起重机用吊具路径优化控制系统，所述吊具中吊具反射板的激光反射面为圆弧形结构，安装在吊具顶部且反射面面向激光扫描测距仪，通过反射面上至少三个连续的激光扫描点来确定反射面圆心的坐标位置。

3.根据权利要求1所述的集装箱门式起重机用吊具路径优化控制系统，所述触控式显示屏的用户界面主要包括激光扫描图像区、视频监控图像区、调度指令显示区、控制模式操作区、故障提示显示区、控件开关操作区和运行记录操作区，激光扫描图像区和视频监控图像区分别用于实时显示集装箱堆场轮胎吊装卸作业过程的激光扫描图像和视频监控图像，调度指令显示区用于显示码头运营操作系统发送的装卸状态、堆场箱位和被吊箱号信息，控制模式操作区用于单选手动、半自动和自动模式，故障提示显示区用于列表显示故障描述和处理提示信息，控件开关操作区用于开机和关机操作，运行记录操作区用于装卸作业过程运行记录的查看和导出操作。