干散貨無人行車智能裝載系統研究與實現

劉國榜 于繼明 徐 偉 韓明辰3

（1.南京寶地梅山發展有限公司礦業分公司；2.金陵科技學院）

散裝貨物無人值守裝運系統一直是國內外的難題。在無人智能行車方面，發達國家的干散貨裝運設備制造業起步較早，上世紀80年代ABB公司推出了在當時比較先進的自動操作系統，即橋式抓斗卸船機系統，功能包括自動卸船、卸船機自動操作時過載控制、抓斗運行軌跡優化計算和抓斗擺動抑制，投產后使用效果良好［1］。在國內，上海國際港務（集團）有限公司聯合上海港機重工、ABB（中國）有限公司、上海交通大學等單位研制開發了全自動散貨抓斗、全自動散貨裝載機和全自動斗輪取料機，這項研究涉及到物料的監測、智能輔助等關鍵技術，為實現上海港散貨的高效自動化裝卸、堆放開創了先例［2-7］。不足的是，該項目的物料分布監測以及定點卸船等關鍵技術尚屬于探索性研究，許多工作還有待進一步進行。干散貨無人行車裝載貨系統至今無成功的產品與應用案例。因此，開發智能工業機器人進行干散貨的裝卸工作是亟待啟動的項目。

1 項目概況

國內企業在干散料發貨方面，全靠人工操作，操作技能要求較高，現場工作環境差，勞動強度大，易疲勞，工作內容機械重復，不符合散裝貨物發貨高效、安全的要求。且人為操作容易引起設備損壞、維保成本增加。近年來，梅山礦業分公司人員不斷減少，生產效率和安全要求不斷提高，特別是發貨工作直接關系到礦山的生產、經營。因此，發貨業務需要向自動化、無人化方向發展。2017年3月，梅山與本地高校就無人行車裝載貨系統進行合作調研，2018年7月完成了自動化行車控制系統、業務智能調度系統等的研發工作，2018年8月開始在梅山礦業分公司進行集成測試。經過多輪實驗、標定、優化、修正，系統于2019年投入使用。

2 無人行車智能裝運系統設計

2.1 系統思路

無人值守行車智能裝載貨系統是涉及通信、自動控制、電氣、計算機等多個學科交叉的集成應用創新。結合梅山實際發貨業務及復雜的現場環境，其主要功能包括現場信息的采集、行車自動控制、業務生成及處理。系統架構包括硬件支撐層、信息采集與通信層、業務建模與分析層、無人行車業務應用層，系統架構見圖1。

硬件層包括服務器、控制主機、PLC控制裝置、激光定位器、微波雷達、車位監測裝置等，用于現場的業務環境、業務裝運、業務調度、安全檢測等方面的技術支撐。采集通信層用于采集、傳輸和存儲業務場景的設備、環境、系統各方面的實時信息及狀態。雷達、傾角監測信息通過232/485傳輸，行車與控制主機之間通過OPC傳輸，其它信息通過TCP/IP傳輸。業務建模與分析層是系統最核心的模塊，三維特征分布與裝運過程控制等是涉及發貨業務優先級、類型、執行情況等的關鍵因素。李鵬宇等［8-9］在干散料的三維分布特征與安全方面做出了研究，但還缺乏較成熟的應用，這正是系統安全、穩定工作的關鍵。業務應用層完成發貨裝運、布料、掃描檢測、人工交互、系統檢測業務。其中人工交互是在特殊情況下提供人工處理功能，正常情況下不需要人員干涉。整個系統能根據現場條件，完全自主實現無人值守發貨工作。

2.2 主要模塊設計

2.2.1 無人值守行車裝載系統功能架構

無人值守行車裝載系統主要包括六大功能模塊：集成業務調度、行車電控系統、掃描模塊、安全子系統、人工交互模塊、數據分析模塊，各模塊的詳細功能及模塊間關系見圖2。

2.2.2 集成業務調度模塊

整個系統的功能是以散裝料無人值守業務為中心，本模塊是整個系統的大腦。無人值守完全代替人工操作，涉及系統的現場、設備、業務等各種實時信息，各信息之間具有一定的關聯關系，需要有機協同，因此，需要多信息之間高度集成、智能調度。本模塊主要包括基礎配置、數據接口、通信接口、三維場景采集及三維生成等功能。其中通信接口又包括集成業務調度與車位狀態通信，確認是否有待裝載車輛；行車電控系統接口定義行車與集成業務調度系統之間數據的交互、規則；行車垂直偏離角度檢測用于感知行車是否產生傾倒安全風險；雷達無線接口實現雷達所在實時位置的高程檢測，三維生成包括對場景三維坐標的插值、堆料三維分布和特征生成功能，在生成業務信令前，根據三維特征分布確定當前位置是否滿足抓取條件。

2.2.3 掃描模塊

掃描模塊包括雷達采集模塊、雷達掃描及采集處理軟件、雷達數據接口、平面位置采集。平面采集與雷達高程采集是2個不同的硬件，需要根據實時數據進行處理與融合；雷達接收到數據后，要根據算法進行濾波、處理，優化采集數據達到業務精度；雷達數據接口定義雷達數據采集協議、雷達數據通信傳輸協議，使雷達數據有效送達集成業務調度系統。

2.2.4 行車電控系統模塊

行車電控系統包括激光定位、行車通信接口、運動控制系統、故障檢測模塊。激光定位硬件及接口軟件能檢測大小車的實時位置，并將數據提供給掃描模塊，與雷達高程數據共同生成空間三維坐標；行車通信接口定義了電氣控制模塊與集成業務調度模塊之間的協議接口，包括業務信令、業務規則、空間坐標、故障代碼、行車狀態代碼等內容；運動控制系統為PLC控制系統，能根據行車位置、行車狀態、業務指令等，控制大小行車運動速度、抓斗升降與開閉動作；故障檢測模塊檢測硬件及指令故障，當電機、行車、抓斗等有故障產生時，則根據故障種類，做出暫停、報警、停電等行為。

2.2.5 安全子系統

工業無人值守控制系統對安全、穩定要求非常高，安全系統直接影響系統的可用性。本系統的安全包括限位安全、故障安全、翻斗安全、滑槽安全。限位安全是針對起始點、場景中安全避險點進行設置、定義，保證場景中本質化安全；故障安全是設備故障時，對電氣、控制部分的安全管理功能，保證設備本質化安全；翻斗、滑槽安全是保證軟繩抓斗因擺動、抓取表面極不規則等原因造成的翻斗、滑槽風險，從PLC系統進行控制，減少安全事故發生。

2.2.6 人工交互模塊

系統運行過程中，在故障或特殊情況下需要人工做出處理。業務查詢可查詢業務關鍵信息，比如當前設備狀態、業務完成情況、報警信息等；人工任務干預可以暫時中斷自動系統的操作，根據特殊需求人工操作電控系統，完成特殊業務。比如臨時增加一斗或臨時停車等作業；當報警信息出現時，根據現場視頻，確定是否需要人工處理相應的故障或事故。

2.2.7 數據分析模塊

數據分析模塊對發貨、故障、任務過程、操作、軌跡等進行記錄與分析，提供業務、操作、安全、故障等類型的統計或分析數據。這些數據之間有一定的聯系，后續可進一步建模，為系統的優化提供數據支撐。

3 主要設備及軟件

無人行車智能裝載系統包括多種硬件、軟件及接口，實現業務、場景、裝備的高度集成與控制，完成無人值守作業，并保證系統的安全、穩定。

3.1 系統硬件裝備

系統的硬件主要包括業務智能調度系統、高精度采集雷達、運動控制系統等主要設備，如圖3、圖4所示。

系統各部分硬件有機連通，根據業務協同工作。業務IC讀卡器、通信模塊、高精度雷達等通過有線或無線的方式與智能調度系統相連，部署在下方料場，用于身份驗證、空間坐標采集工作；PLC及電氣控制裝備部署在行車上，用于實時控制行車與抓斗的運動及操作；業務調度控制主機放置在安全場所，用于現場多源信息的集成與處理，同時具有數據記錄、服務分析、報表統計功能。

3.2 主要軟件模塊

3.2.1 集成業務智能調度系統

軟件主要包括集成業務調度系統、電氣控制系統、業務分析與展示等系統。集成業務調度系統包括業務接口、業務實時過程控制、業務場景監視等功能。

系統具有配置、開行車、關行車等功能，具有雷達、傾角、業務IC卡、車牌識別等現場信息的接收功能，同時有日志、電控任務交互、任務場景分析展示功能，對現場的布料區、發貨業務A區、發貨業務B區、抓取點、放料點、車位點等實時信息進行分析與顯示。

3.2.2 自動行車PLC控制系統

自動行車PLC控制系統，有參數配置、故障檢測與報警、PLC控制功能模塊。本系統接收集成業務調度系統的業務指令及抓、放位置，通過PLC控制系統指揮電氣裝置，控制行車電機及抓斗電機的運動，檢測控制系統的電氣、電流、位置等參數，實現無人值守業務的抓取、放料自動控制，如圖5所示。

4 系統關鍵創新點

4.1 抗干擾電磁波雷達設計與研制

梅山散裝貨物為具有磁性、細顆粒、表面極不規則的鐵精礦粉，具有吸波、反射、散射、對信號干擾性強等特點。當前激光雷達容易受到大霧、揚塵等干擾，無人值守業務難以正常進行。研究、設計一款具有抗干擾、功能穩定的微波雷達，對吸波的、表面不規則的、極細顆粒特征的裝物表面高度精確采集，關系到項目的成敗。

根據現場調研及行車設備實際情況，項目團隊需要設計一款微波雷達，安裝于行車起重臂，用于對礦堆進行快速垂直測距，同時通過激光測距技術采集行車所在平面位置，共同組成行車實時的空間位置信息，如圖6所示。

根據圖6所示的安裝方式及現場采集精度要求，直接決定了雷達研制的參數。因鐵精礦倉的粉塵嚴重超標，超聲波雷達在其中穿透力差、分辨率低，不能采用，所以考慮兼有微波制導和光電制導特點的毫米波雷達。相比紅外、激光、電視等光學制導雷達，毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強，且有體積小、質量輕和空間分辨率高的特點。因此，在本項目的現實環境下，采用毫米波技術研制礦用毫米波雷達是最好的選擇。雷達通過天線向鐵礦粉堆發射頻率經過調制的毫米波，毫米波被礦堆表面反射，反射信號與發射信號進行混頻產生的差頻信號，通過AD采樣后轉換為數字信號，使用高精度測距信號處理算法對該數字信號進行處理，可獲得礦粉堆表面的高度。

根據上述原理，設計的雷達采集系統包括毫米波雷達、無線通信發射模塊、無線通信接收模塊、上位機4個部分，如圖7（a）所示。毫米波雷達進行不間斷連續測量，測量結束后將距離信息通過無線傳輸方式傳回上位機。

微波雷達的結構如圖7（b）所示，包括天線、射頻前端、信號處理板3大部分。雷達采用FMCW體制，前端使用FMCW射頻模塊，信號處理板核心芯片采用FPGA。雷達工作時，通過在FPGA中運行高精度測距算法提取雷達信號中的高度信息。在現場測試獲取的精度結果見表1。

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通過對比雷達的測試距離和實際距離可以看出，測試誤差固定在0.10 m左右，可以通過軟件算法進行誤差消除，滿足現場精度要求。

4.2 干散貨堆料三維特征分布與抓取安全關系數學模型

干散貨抓取位置的選取關系到設備安全，如果傾角過大，可能會造成脫槽、滾筒滑槽事故，因此要根據堆料的三維分布情況，抽取三維特征分布，建立特征分布與安全關系模型，避免安全事故發生。項目建立基于DTM的三維特征分布，對超出安全風險系數的抓取點，采用滑動窗口算法進行滑動，保證系統的安全性。三維安全特征分布模型仿真結果如圖8所示。

圖8中，對每一塊堆料數據，建立分布特征與安全關系模型，并根據安全關系數據，建立DTM三維安全模型數據表，根據抓斗抓取窗口的大小，確定抓取范圍的安全系數，動態滑動確定抓取點，滑動方向如圖中箭頭所示。

5 結語

項目完成了干散堆料無人值守機器人發貨系統的硬件研制、測試，軟件及接口的研發、應用，實現真正意義的無人值守發貨。系統自上線以來，每天可發貨4 000 t，每年產生經濟效益40萬元/套；相比人工操作，本系統發貨可以減少95%的拋灑量；減少勞動力3名；由于控制策略的具體量化，解決了違章操作的問題，設備備件消耗降低80%，動力消耗降低15%左右。