一種適用于集裝箱運輸?shù)男滦虯GV系統(tǒng)設(shè)計

摘 ?要：當(dāng)前先進(jìn)的集裝箱自動化碼頭水平運輸系統(tǒng)，主要以基于磁釘導(dǎo)航的AGV系統(tǒng)，來完成集裝箱在碼頭前沿和堆場之間的自動化轉(zhuǎn)運。該類AGV系統(tǒng)雖可靠性高，適用于碼頭復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，但同時要求碼頭在基礎(chǔ)建設(shè)中鋪設(shè)大量的磁釘，不利于傳統(tǒng)碼頭的升級改造，具有局限性。本文設(shè)計了一種適用于集裝箱運輸?shù)男滦虯GV系統(tǒng)，基于多傳感器信息融合技術(shù)的導(dǎo)航技術(shù)，滿足傳統(tǒng)碼頭的建設(shè)需求。系統(tǒng)主要從AGV車體、控制系統(tǒng)架構(gòu)、軟件系統(tǒng)等多方面進(jìn)行設(shè)計，使得產(chǎn)品具有顯著的優(yōu)越性、可行性和可實施性。

關(guān)鍵詞：集裝箱;自動化碼頭;AGV;導(dǎo)航技術(shù)

中圖分類號：TH247 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）17-0148-04

Abstract：At present，the advanced horizontal transportation system of container automation wharf mainly uses AGV system guided by magnetic nails to complete the automatic transshipment of containers between the front of the wharf and the yard. The AGV system has high reliability and is suitable for complex working environment of wharf，but at the same time，it requires a large number of magnetic nails to be laid in the infrastructure of wharf，which has limitations and is not conducive to the upgrading and transformation of traditional wharf. In this paper，a new AGV system for container transportation is designed. The navigation technology based on multi-sensor information fusion technology meets the construction requirements of traditional terminals. The system is designed from the aspects of AGV line-controlled car body，control system architecture，software system and so on，which makes the product have remarkable advantages，feasibility and practicability.

Keywords：container;automation terminal;AGV;navigation technology

0 ?引 ?言

隨著全球貿(mào)易的快速發(fā)展，港口碼頭在全球貿(mào)易發(fā)展中占據(jù)非常重要的地位，起到了貨物中轉(zhuǎn)和裝卸的作用。集裝箱碼頭是包括可以容納集裝箱裝卸作業(yè)以及運輸過程的具有明確邊界的區(qū)域。近幾十年來，貿(mào)易進(jìn)出口量以約70%的增長率增長，海運貿(mào)易量占了三分之二。集裝箱運輸是連接海運和其他運輸方式的橋梁。隨著集裝箱吞吐量的增加，船舶大型化不斷發(fā)展，提高集裝箱碼頭的核心競爭力尤為重要[1]。目前，自動化集裝箱碼頭已經(jīng)是全世界港口發(fā)展的方向，受到碼頭運營商的高度重視，對于我國集裝箱港口，要提升港口競爭力，不斷研究和發(fā)展自動化技術(shù)是一個非常關(guān)鍵的方向。集裝箱AGV（Automated Guided Vehicle，自動導(dǎo)引運輸車）是銜接碼頭前沿到堆場的重要環(huán)節(jié)，是集裝箱碼頭作業(yè)效率、投資與營運成本、環(huán)境安全及吞吐能力的關(guān)鍵影響因素，因此探索一種適用于集裝箱運輸?shù)男滦虯GV系統(tǒng)既可以用于新碼頭運行，也可以對傳統(tǒng)的舊碼頭自動化升級改造，是一項非常具有現(xiàn)實意義的研究。

1 ?功能需求

由于AGV的作用是代替人工完成集裝箱在碼頭前沿和堆場之間的集裝箱卡車運輸，同時考慮提高作業(yè)效率、降低生產(chǎn)成本等關(guān)鍵因素，所以必須具備以下一些基本的功能：（1）支持全天候運行，適應(yīng)碼頭前沿特定區(qū)域自動化轉(zhuǎn)運作業(yè)[2];（2）能適應(yīng)并承載常見集裝箱尺寸大小，滿足20、2×20、40、45英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱裝載，額定承載61t;（3）AGV集成基于激光雷達(dá)等多傳感器信息融合技術(shù)的自動駕駛技術(shù)，完成AGV即時定位、環(huán)境感知、運動規(guī)劃控制與故障診斷，實現(xiàn)集裝箱無人轉(zhuǎn)運;（4）具備與遠(yuǎn)端調(diào)度系統(tǒng)的無線通信功能，發(fā)送車輛位置、狀態(tài)等信息，接收調(diào)度系統(tǒng)發(fā)出的任務(wù)、路線等指令;（5）具有故障診斷能力，在位置錯誤、環(huán)境不符、機械故障等情況下可啟動應(yīng)急反應(yīng)機制、記錄故障數(shù)據(jù)，并向水平運輸系統(tǒng)發(fā)送錯誤信息，便于現(xiàn)場維護(hù)、部件更換;（6）AGV具備自動駕駛和手動操控兩種模式，自動駕駛模式用于無人化作業(yè)，手動操作模式用于現(xiàn)場維護(hù)和應(yīng)急處理;（7）AGV能在碼頭前沿岸橋和堆場交換區(qū)定點停車，距離指定區(qū)域邊界距離誤差不大于2cm。指定位置的停車精度考慮到集裝箱在岸橋和堆場吊機的起落精準(zhǔn)度，兩者之間的誤差小，才能保證裝卸流程的一致性，也會使裝卸流程更加流暢，是效率提升的關(guān)鍵。

2 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計

國內(nèi)外集裝箱自動運輸車主要分為AGV和無人集卡兩大類。考慮到車輛在轉(zhuǎn)運過程中，需要較高的速度精度和轉(zhuǎn)向精度才能達(dá)到指定區(qū)域定點停車的精度要求，所以本文選擇AGV作為車輛的主體架構(gòu)。首先確定AGV的傳動形式，針對碼頭環(huán)境的復(fù)雜性和作業(yè)空間多樣化，具有全輪轉(zhuǎn)向獨立驅(qū)動的結(jié)構(gòu)更適合作業(yè)需求。整個AGV采用4軸轉(zhuǎn)向輪，配置4個轉(zhuǎn)向電機，轉(zhuǎn)向精度達(dá)到0.1°，轉(zhuǎn)向角度為±90.0°，具有直線、轉(zhuǎn)彎、斜行、橫行、中心回轉(zhuǎn)功能。其次在整車動力方面選用純電池動力形式，滿足碼頭作業(yè)環(huán)境要求，噪聲小，污染少，符合清潔能源，是未來AGV發(fā)展的主流方向。由于AGV的承載需求上，需要滿足61t的承載能力，考慮到?jīng)_擊載荷要求，AGV需要具備沖擊載荷70t。根據(jù)作業(yè)要求，AGV的物理尺寸為長16.50m×寬3.10m×高2.25m，自身重量30t。在動力性能方面，行駛速度設(shè)計直行空載速度：8.0m/s，直行重載速度：5.0m/s，彎道速度：3.0m/s;加速度設(shè)計直行空載加速度1.0m/s2，直行重載加速度0.5m/s2。考慮到AGV在行駛過程中的定位需求，需要安裝GPS接收天線及激光雷達(dá)，GPS在工作時不能被集裝箱遮擋，因此設(shè)計了安裝支架用于傳感器固定，車身周圍也布置了相應(yīng)的安裝附件。AGV的整體示意圖如圖1所示。

AGV機電控制系統(tǒng)要求具備車輛線控化，通訊參數(shù)基于CAN總線。能提供自動駕駛系統(tǒng)設(shè)備的安裝位置空間、穩(wěn)定電源供應(yīng)、物理防護(hù)和保護(hù)，車輛需有自動駕駛傳感器安裝的支架等。

具體的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

3 ?控制系統(tǒng)設(shè)計

AGV以基于CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)，以AGV線控車輛系統(tǒng)，基于多傳感器信息融合的自動駕駛系統(tǒng)及遠(yuǎn)端的調(diào)度系統(tǒng)等組成[3]，實現(xiàn)對AGV的精確定位及速度和轉(zhuǎn)向控制。AGV需要在碼頭安全可靠地自動駕駛，需要自動駕駛系統(tǒng)具備定位功能、環(huán)境感知功能、規(guī)劃控制功能和故障診斷功能。AGV運行的任務(wù)信息來源于調(diào)度系統(tǒng)，AGV在工作過程中需要接收調(diào)度管理系統(tǒng)的運輸任務(wù)，在運輸任務(wù)完成后需要向調(diào)度管理系統(tǒng)發(fā)送任務(wù)完成信號，完成AGV與碼頭調(diào)度管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊，通訊方式采用4G網(wǎng)絡(luò)通訊。控制系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。

AGV自動駕駛的定位系統(tǒng)用來持續(xù)解析出AGV的位姿坐標(biāo)，以指導(dǎo)AGV的運行控制。在行駛過程中，準(zhǔn)確的定位使得AGV能夠按規(guī)劃出的路徑行駛，使AGV不跑偏;在指定的裝卸位置時，要求有精確的定位，保證裝卸的準(zhǔn)確性。考慮到指定裝卸位置的停車精度在0.02m以內(nèi)，系統(tǒng)采用在指定裝卸位置布置磁釘?shù)姆绞剑_(dá)到定位要求。

環(huán)境感知系統(tǒng)的主要功能是在AGV行駛過程中，檢測與AGV行駛相關(guān)的信息，如行駛區(qū)域的人、其他車輛等障礙物的距離、方位等信息，計算障礙物等是否會與AGV發(fā)生碰撞等，提前讓AGV做好預(yù)測準(zhǔn)備，保障自動駕駛的安全。

AGV自動駕駛系統(tǒng)在以上兩個子系統(tǒng)設(shè)計中運用了多種傳感器，主要安裝方式及位置如表2所示。

AGV的控制模式主要有手動控制和自動駕駛控制，AGV控制流程如圖3所示。主要以調(diào)度系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)、線控車體三者之間的決策控制完成。

（1）具體的控制策略：上電自檢，軟件系統(tǒng)啟動，加載地圖，定位初始化，AGV得出當(dāng)前的位置信息，下一步主要是在自動駕駛模式下接收調(diào)度系統(tǒng)的指令。（2）正常工作方式：主要在AGV調(diào)度系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)配下，依據(jù)AGV本身狀態(tài)信息、任務(wù)信息、環(huán)境感知信息、定位信息、高精地圖，規(guī)劃AGV行駛路線，控制AGV避碰、停車等行為;基于AGV數(shù)學(xué)模型，做軌跡跟蹤控制[4]，向AGV線控車體系統(tǒng)輸出速度、加速度、轉(zhuǎn)向信息等;同時響應(yīng)用戶切換為手動操作模式。（3）應(yīng)急工作方式：AGV處于手動遙控模式時，車載遙控接收機接收遙控器的操縱信號，車體電控系統(tǒng)依據(jù)遙控器信號實現(xiàn)對車體的控制。可用頻率數(shù)為433MHz，有效操作距離為100m以內(nèi)。

4 ?系統(tǒng)的軟件設(shè)計

AGV系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中自動駕駛系統(tǒng)采用C++語言[5]，基于Qt開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)，界面友好，主要用于定位感知層、決策層、控制層等智能算法處理模塊;AGV系統(tǒng)的響應(yīng)和執(zhí)行結(jié)構(gòu)為線控車體系統(tǒng)，編程語言采用德國3S公司的CoDeSys軟PLC開發(fā)包，符合IEC 61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)。兩者之間的通訊是基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)通訊。圖4是系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。

5 ?結(jié) ?論

一種適用于集裝箱運輸?shù)男滦虯GV系統(tǒng)，將基于激光雷達(dá)等多傳感器信息融合的定位感知、基于全輪獨立轉(zhuǎn)向控制的線控車體等技術(shù)成功應(yīng)用于自動化碼頭的集裝箱無人化轉(zhuǎn)運。AGV車體設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強、速度性能優(yōu)越。多輛AGV可組成車隊，由遠(yuǎn)端調(diào)度系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，大大提高了轉(zhuǎn)運的效率。總之，集裝箱運輸?shù)男滦虯GV系統(tǒng)是未來自動化碼頭水平運輸?shù)闹匾M成部分。

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作者簡介：鄧燁峰（1982），男，漢族，浙江紹興人，工程師，碩士研究生，研究方向：智能裝備系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)。