基于激光雷达的轮胎吊集卡定位及引导系统设计

许跃骞

摘 要 随着国内港口集装箱吞吐量逐年攀升，堆场作业效率也成为衡量港口装卸效率的重要指标。然而，作为堆场主要设备之一的轮胎吊，传统对位方式已严重限制了操作效率。针对人工效率低下，本文设计了一种基于激光雷达的轮胎吊集卡定位引导系统，能够准确定位集卡，快速引导作业，极大提高装卸效率。

关键词 RTG;集卡定位;激光雷达

引言

随着国内港口集装箱量的攀升，堆场装卸的主要设备之一-轮胎吊（称RTG）的效率也是码头重要指标。传统码头，人工对位指挥的方式已经严重影响了堆场的作业效率。

在港口自动化的大背景下，基于GPS定位、光电传感器乃至激光雷达等技术的集卡定位系统（CPS）逐渐在码头推广开来。例如，徐宝兴等人将光电开关信号实时反馈到逻辑控制电路中，[1]司机只能根据指示灯凭感觉调整。近年来，低精度方案逐渐被基于激光雷达扫描技术的CPS系統代替。例如，刘杰强等人基于激光扫描测距原理研发了岸桥CPS[3];上港集团上海海通安全设备工程公司同样利用激光扫描器实现CPS。然而，目前CPS应用设备的大车行驶路径固定，而针对轮胎吊的CPS却鲜有研究。

因此，本文设计了一种基于激光雷达的轮胎吊集卡定位系统，采用激光扫描仪获取集卡点云数据并分析其位置偏差，并引导司机在轮胎吊快速准确进入位置，减少对位时间，提高装卸效率。

1 基本原理

如上图（左）所示，本文采用2D激光扫描仪对作业集卡进行扫描。激光扫描仪是通过激光器发出脉冲激光，一部分光波会经过反射返回到激光扫描仪接收器中，接收器将光信号变为电信号记录下来。通过每一个激光脉冲的回波时间可以测量其反射物体表面距离，计算公式为：

2 系统设计

2.1 系统设计

如上图所示，本CPS在RTG侧横梁位置安装1个云台及激光扫描仪。横梁下方的门腿位置安装LED显示屏供司机作业引导，提示集卡司机对位情况。另一侧电气房内安装专用工控机。司机室内配置一台司机操作显示屏。轮胎吊CPS各硬件模块如下：

（1）激光扫描仪。当空集卡或载箱集卡进入激光扫描仪扫描区域时，激光扫描仪通过旋转云台对扫描区域进行扫描。激光扫描仪检测到轮胎吊下停有集卡时，通过内置的集卡定位算法对集卡三维点云数据进行特征提取与分析。当判断作业集卡为空集卡时，则以拖架中心为基准判断集卡停留位置是否到达基准点。当判断作业集卡为载箱集卡时，则先通过轮胎吊PLC获取当前为40尺箱型作业或20尺箱型作业;当作业箱型为40尺时，以集装箱中心为基准点进行对位;当作业箱型为20尺时且集卡上为单箱时，则以此20尺集装箱中心为基准点对位;若作业箱型为20尺且拖架上为双箱，则需要判断作业集装箱的位置，并以此集装箱中心为基准点进行对位。

（2）CPS专用工控机。主要设计能力如下：①能够自动辨别集卡到位精度以及发送集卡引导指令等信息。②具备与PLC数据交互能力。③能识别基本故障并显示。

（3）LED显示屏。主要引导功能如下：①当RTG司机打开CPS开关，触摸屏上的CPS的方框显示绿色。开始工作，显示屏会显示两道红色横杠，代表目前对位区无集卡;②集卡对位方向区域显示“↑”or“↓”来引导集卡向前或者向后行驶。对位距离区域显示集卡距离对位点的距离;③当集卡到达对位点后，显示屏对位方向显示红色横杠，对位距离显示00。此时RTG司机室触摸屏显示绿色，RTG司机可以下放吊具进行装卸箱作业。

（4）司机操作屏。运行状态显示主要为以下几种：

①正常状态。当CPS系统正常运行时，触摸屏的CPS正常前面显示绿色;②停止状态。当CPS系统开关关闭时，CPS状态框显示黄色，其他显示灰色; ③系统开启。当CPS系统打开时，此状态框会显示绿色，未打开时显示灰色;④对位成功。当集卡完成对位后，CPS集卡已对准框会显示绿色;⑤集卡未对准。当集卡未停到位时，集卡未对准框会显示黄色。

2.2 功能指标

①对轮胎吊下作业的空载和重载所有车型集卡精确引导，定位误差≤±50mm;②可自动识别码头内所有车型集卡和各尺寸集装箱等; ③系统实时将集卡偏离轮胎吊起吊点方向、距离信息、操作模式、行驶方向显示在LED显示屏上，提示司机调整位置; ④特殊工况下，自动重新扫描，重新引导[2]。

3 操作流程

3.1 作业引导

集卡司机作业引导：作业前，集卡司机根据指令行驶至指定RTG下方等候，司机观察安装于车头方向上大梁的显示屏状态;当状态灯显示可通行时，集卡驶入RTG底部，激光扫描仪进行作业车道扫描，确定位集卡位置，并将数据实时显示到显示屏上，进行引导;司机根据引导信息调整车位;装卸结束后，集卡司机观察引导显示屏状态，当引导屏显示可驶离状态灯时，说明本次作业完成，集卡可驶离。

RTG司机作业引导：当RTG司机将吊具移动至集卡上方时，如无下降动作，观察司机室显示屏的状态。如防砸指示灯亮起，则说明集卡车头位于吊具范围内，此时，需要提示集卡司机进行对位，防止吊具砸车事故发生;若CPS产生误感应，RTG司机可在确认安全情况下，将CPS切换到手动模式，根据当前作业车道自行与集卡进行对位，完成集装箱装卸作业。

3.2 吊具防砸集卡

为了实现集卡未停到位的情况下，防止吊具下放误砸集卡和司机，系统通过激光扫描仪实时检测集卡车头位置，并从轮胎吊PLC中获取开闭锁信号及吊具起升高度。若集卡车头在吊具下降范围内，CPS专用工控机输出防砸信号，并传输至轮胎吊PLC，PLC根据程序限制吊具下降，从而实现吊具防砸集卡的功能，以保证人车安全。

3.3 集卡防拖拽

为了防止集卡拖拽吊具，在集卡定位完成后，LED屏上提示集卡停止移动。系统实时获取轮胎吊PLC开闭锁信号和起升高度信息，当系统检测到开锁信号，即RTG装卸作业完成，吊具起升向上运行超过6m后，轮胎吊PLC给CPS专用工控机发送信号，使LED屏幕给出集装箱装卸完成的状态信号，提示集卡可正常通行，保证集卡不会在集装箱装卸作业中移动，防止集卡拖拽吊具事故的发生。

4 结束语

针对目前RTG集卡定位中传统人工引导的不足，本文设计了一种基于激光雷达的RTG集卡定位系统。首先通过RTG车道侧布设一台激光扫描仪;其次，在电气房工控机中根据实时点云数据建立三维点云模型，完成集卡精确定位;最后将集卡位置信息与位置偏离方向实时反馈到现场LED屏幕，引导司机准确停到对位点。本系统解决了传统人工引导的耗时耗力以及现有部分技术的缺陷，实现了高精度、实时地定位集卡。综上所述，本文提出的基于激光雷达的轮胎吊集卡定位系统具备高实时性、高精度的技术优势，能够极大提高RTG的作业效率，具有重大的研究意义和应用价值。

参考文献

[1] 徐宝兴，张晓鹏.集卡停车定位检测系统设计与应用[J].港口科技，2017，（6）：29-33.

[2] 刘杰强.激光对桥吊下集卡的立体扫描测距对位的应用[J].港口科技，2011，（10）：2-6.