基于激光扫描技术的无人化斗轮堆取料机控制方案

熊 伟 付松军 卢云汉

1 中交第二航务工程勘察设计院有限公司

2 武汉南华工业设备工程股份有限公司

1 引言

当前港口散货码头通常采用斗轮式堆取料机进行堆取料作业。传统的斗轮机依靠司机进行操作,作业劳动强度大,产出效率不稳定[1]。散货堆场信息化程度低,作业前需要理货员现场指堆,生产效率低,且散货堆场环境恶劣,对现场工作人员健康影响较大[2-3]。为改善劳动环境,降低工作强度,提高生产效率,降低运营成本,提出一套无人化斗轮堆取料机方案,通过远程遥控技术、RTK-GNSS定位技术、三维激光扫描技术、堆垛三维仿真技术等,实现斗轮机堆料取料远程遥控、无人化自动运行及堆场数据实时显示。

2 总体方案

无人化斗轮机系统主要包括三维激光扫描系统、定位和防碰撞系统、视频监控、远程操作系统、无人化系统等子系统,分别布置在斗轮机和中控室。斗轮机上安装机载PLC、机上服务器、激光扫描仪、RTK-GNSS定位天线、防碰撞传感器、视频监控摄像头;中控室设置远程操作站、自动化操作站、中控PLC、中控服务器、GNSS基准站。中控与斗轮机之间通过组合电缆、光缆进行通信。斗轮机与中控室之间通过有线或无线的方式进行通信(见图1)。

图1 无人化斗轮机系统图

2.1 三维激光扫描系统

三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、行走编码器、俯仰编码器、回转编码器、机载服务器、中控服务器组成。该系统用于扫描堆场料堆的外形,经过数据处理后生成料堆的三维模型,该数据是自动化堆料和取料的主要依据。斗轮机作业前和作业时需要对料堆进行扫描,作业前扫描料堆,建立基础的料堆数据,作业时扫描料堆掌握料堆的实时状态。

三维激光扫描仪安装在斗轮机悬臂的斗轮机构处,并配置机架用于三维激光扫描仪防护和旋转。扫描时三维激光扫描仪进行上下、左右移动,并随斗轮机行走。

三维激光扫描仪对目标区域料堆进行扫描采集,扫描的数据包分为扫描点到扫描仪之间的直线距离值和该点所处于扫描仪坐标系下的扫描角度,生成点云数据。斗轮机上设置专用机柜,柜内设置高性能工业级GPU计算机,用于处理采集的点云数据,并结合行走编码器、俯仰编码器、回转编码器的数据以及RTK定位系统的信息生成基础数据,进行降噪、去冗余、数据优化等数据处理后生成料堆的三维模型数据,并存入数据库供中控服务器调用。

2.2 定位和防碰撞系统

定位和防碰撞系统是无人化斗轮机系统的辅助子系统,定位系统获取的定位数据可以为三维激光扫描系统提供堆场的边界位置信息,是建模的数据基础。定位数据也是防碰撞系统的主要的判断依据。定位和防碰撞系统包括RTK-GNSS定位系统、斗轮机防碰撞系统和机上PLC。

RTK-GNSS定位系统由基准站和流动站组成,实际使用中因为单台站定位精度不高,引入差分技术,使用2台GNSS移动站。在本系统中在堆场安装1套RTK-GNSS接收机作为基准站,在斗轮机上安装2套RTK-GNSS接收机作为流动站。测量时以基准站为基准点对2个流动站进行测量,取得的测量值进行差分计算可以消除误差得到精确值。基准站和流动站之间通过以太网进行通信。

斗轮机的悬臂和行走机构上还需要安装相应的激光雷达和超声波雷达,信号接入机上PLC系统。当悬臂即将与堆垛或者堆场其他斗轮机发生碰撞,或行走机构的移动方向上有障碍物时,雷达发出报警使斗轮机停止俯仰、回转和行走。

2.3 视频监控系统

视频监控系统,由机载摄像头、视频服务器、视频监控站和通信网络组成。该系统在斗轮机上设置多个摄像头用于斗轮机视频信息的采集,通过通信网络将斗轮机视频信号引入中控室的视频服务器,并设置视频监控站来展示监控画面。考虑到恶劣的使用环境和清晰度的要求,本系统采用高防护等级,带自清洁的高清摄像头来进行视频采集。摄像头布置在司机室,悬臂、行走机构等位置。

2.4 远程操作系统

远程操作系统是无人化斗轮机系统的主要子系统,司机通过该系统可以从中控室实时监视斗轮机的运行状态,并远程控制斗轮机进行作业,遇到紧急情况可以遥控停止斗轮机运行。

远程操作系统由中控PLC、视频监控站、远程操作站组成。中控PLC接收由远程操作站发出的指令,并通过通信网络与斗轮机的机载PLC进行通信对斗轮机进行控制;获取斗轮机的返回的数据并转发到远程操作台。视频监控站监控斗轮机各角度视频画面,方便操作人员观察斗轮机运行情况,可进行远程遥控。远程操作站设置操作手柄和急停按钮用于司机远程操作,设置上位机系统,用于显示斗轮机参数如回转、俯仰、行走、能耗信息等。

2.5 无人化操作系统

无人化操作系统通过对三维激光扫描的数据进行处理,经过参数设定后对斗轮机下发控制指令,进行堆取料作业。系统由无人化操作站、中控服务器、中控PLC组成。

无人化操作站可设置无人化操作系统的参数,监视系统的运行状态,展示料堆三维模型。中控服务器接收三维激光扫描仪的采集的数据,生成料堆三维模型,提取料堆特征点,结合无人化操作站下发的参数,计算生成作业指令并下发给中控PLC。中控PLC功能与远程操作系统类似,指令的来源为中控服务器。

3 功能实现

3.1 远程控制功能实现

该功能实现斗轮机远程化操作,斗轮机司机工作位置从机上撤到后场。在斗轮机上安装防碰撞系统和视频监控系统,在中控室安装远程操作站和视频监控站。司机通过操作台上的手柄对斗轮机进行远程操作,通过视频监控系统监视堆料取料工作情况,通过上位机系统掌握斗轮机工作参数。

3.2 半自动堆料取料功能实现

基于远程控制功能,半自动堆料取料功能只需要司机根据作业要求选择斗轮机堆料和取料工况,设定斗轮机在堆场的工作范围和堆料取料作业量。随后斗轮机根据下达的指令自动运行进行堆料或取料作业。正常运行时司机仅需要查看视频信息和无人化操作站的数据,在一些复杂的工况下,司机通过人工控制来操作斗轮机。

3.3 全自动堆料取料功能实现

在半自动堆料取料功能的基础上,当无人化斗轮机系统能够在各种工况下顺利运行之后,根据前一阶段积累的数据总结出运行规律,对系统运行参数进行优化。需要作业时仅需要调度人员完成排产计划,系统根据排产计划可以自动设定参数下达指令启动斗轮机进行作业,无需人工干预。

4 结语

无人化斗轮机系统技术上已趋近成熟,符合我国港口智能化的发展趋势。该方案实施能改善作业环境,降低劳动强度,提高生产效率,提高散货港口的智能化程度。