自動化軌道式龍門起重機AGV掃描定位功能優化

謝錫聰 徐良軍 周舜易

上海國際港務(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

某超大型自動化集裝箱碼頭工藝系統采用岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)+AGV(Automated Guided Vehicle，自動搬運車)+自動化軌道式龍門起重機(以下簡稱軌道吊)。在該工藝系統中，碼頭與堆場間的水平運輸采用無人駕駛AGV,碼頭裝卸船作業大多采用雙小車岸橋,堆場作業采用自動化軌道吊，堆場和軌道垂直碼頭布置。為了避免同一堆場中，裝卸船作業與外集卡進提箱互相影響，每個箱區分布有海陸側2臺軌道吊，分別進行裝卸船作業和外集卡交互作業，或通過接力方式提高繁忙側的作業效率[1]。由于洋山深水港四期自動化碼頭是深水碼頭，存在大量的水水中轉作業，只在箱區末端與AGV交互的無懸臂軌道吊已經不能滿足碼頭需求，新增加的懸臂吊可以直接在箱區中段與懸臂下的AGV直接交互，減少軌道吊帶箱作業時間，在降低能耗的同時可提高轉運效率。

自動化碼頭的裝卸船作業直接由AGV在岸橋與軌道吊間中轉，與傳統的人工或半人工的物料輸送方式相比,AGV系統可減輕勞動強度,降低危險性,提高生產效率,在各行各業均可發揮重要作用[2]。最初方案使用軌道吊和AGV自身的定位系統來判定設備的位置，兩者不存在直接的交互流程。長時間作業后，軌道吊結構變化、AGV定位偏差和地基沉降不均勻導致作業精度出現一定程度降低，交互作業無法自動完成的情況時有發生，偏差甚至可達到1 m以上，導致集裝箱部分懸空在AGV上，從而降低碼頭作業效率，增加人工作業成本和事故隱患。

設備結構形變、AGV定位偏差和地基沉降在所難免，需要加入可以修正誤差的系統。為了提高對AGV的放箱精度，參考陸側集卡掃描功能提出了AGV掃描功能。選用小車架上現有的探頭，在原本的自動作業掃描軟件maxview中加入對AGV的掃描功能，使得軌道吊能通過激光掃描儀識別AGV上選取的參考點，計算獲得AGV與軌道吊的相對位置，在吊具下降過程中，通過控制吊具上架微動機構對較小的偏差進行調整，或者在檢測出較大的偏差后停止作業，提示遠程操作員手動介入。

2 功能需求分析

2.1 流程分析

最初方案是在TOS(Teminal Operation System,碼頭管理系統)發出對AGV交互作業的抓放箱指令后，軌道吊會得到抓放箱的大小車具體位置，然后參照編碼器反饋數值移動到目的位，同時向TOS發出交互區起升下降申請，即通過TOS確認AGV已到位。到達目的位后，吊具下降到9 m等待TOS的交互區允許，若AGV已到位，TOS會返回交互區許可，軌道吊自動下降吊具，得到著箱信號后，開鎖拉起吊具，到達安全高度后反饋給TOS交互作業結束，TOS轉發給AGV允許駛離。

流程中，軌道吊對于碼頭定位依賴基于磁釘、flag板和編碼器定位的大車單機定位系統。實際使用中發現，軌道沉降導致磁釘、flag板的位置偏差，下雨或者軌道油污引起行走輪打滑，設備結構上的形變等都可能會導致出現定位偏差。AGV的定位由外部的獨立信號源(磁釘)提供精確的位置信號,不斷修正AGV慣性導航系統的累積定位誤差[3]，但隨著地面沉降，磁釘的位置變化，并不能保證和軌道吊相對位置的精度。因此加入AGV掃描功能，直接獲取AGV與軌道吊的相對位置，然后通過微動補償掃描到的偏差，可以提高自動作業精度。

2.2 功能要求

(1)為了減小優化難度，盡可能保留原有作業流程，選擇在軌道吊大小車停止后，吊具下降過程中加入對AGV進行掃描作業。

(2)AGV交互作業按作業箱型可以分為4類，即45 ft集裝箱、40 ft集裝箱、20 ft前箱和20 ft后箱，由于掃描開始后大小車位置固定，所以這4種作業得到的掃描數據都不同，需要分別處理。

(3)系統需要得到大小車方向上需要微動的距離，并判斷出偏差是否在微動極限范圍內，著箱后能夠檢測出集裝箱是否有傾斜或偏差。

3 優化方案

3.1 流程優化

在原有流程中，軌道吊得到TOS給出的交互允許后，下降吊具直接著箱。加入掃描功能后，軌道吊大小車到達目的位，掃描功能開啟，實時檢測設備相對位置；吊具下降至9 m，得到TOS的交互允許后，參照掃描數據判定AGV是否到位；若AGV掃描數據偏差過大跳入手動作業狀態，若AGV到位繼續下降吊具同時微動開始調整作業；著箱后判定放箱是否正常，若集裝箱出現扭轉或傾斜，跳入手動作業，若放箱成功，吊具開鎖起升上升后AGV掃描功能關閉。作業流程見圖1。

圖1 AGV作業流程優化

3.2 AGV和吊具位置識別

軌道吊原有的激光測距探頭包括安裝在小車架下方的1#、2#和3#，其中1#和2#以小車架為中心對角對稱，3#在步道最外側；4#和5#探頭在小車架外緊靠大梁(見圖2)。

1.1#探頭 2.2#探頭 3.3#探頭 4.4#探頭 5.5#探頭 6.6#探頭

AGV20 ft集裝箱作業使用1#、2#、3#探頭進行掃描，其中1#和2#獲取AGV小車方向和旋轉的偏差，3#獲取大車方向的偏差。40 ft和45 ft集裝箱作業，由于AGV邊緣形狀復雜，大車方向坐標難以判定，使用4#和5#兩個探頭掃描偏差，小車方向和旋轉偏差同樣使用1#和2#探頭。通過識別AGV上選取的參考點，maxview可以計算出AGV的相應位置。

同理，通過識別吊具上的3個反光板計算吊具位置，其中2個在上架對角，由1#和2#探頭識別計算吊具小車方向坐標；1個在吊具陸側或海側邊緣，由3#、4#和5#探頭分別識別20 ft、40 ft和45 ft狀態下吊具大車方向的坐標。反光板和探頭激光分布見圖3。

1.1#探頭激光束 2.2#探頭激光束 3.3#探頭激光束 4.4#和5#探頭激光束 5.1#反光板 6.2#反光板 7.3#反光板

3.3 微動控制

對比掃描出的吊具位置和AGV位置，計算兩者偏差可以得出微動需要調整的距離。為了避免著箱時小車架中心和吊具中心相差過大，導致集裝箱傾斜，應加入相應的限制范圍，限定小車編碼器反饋的位置和掃描得出的AGV位置的偏差。

假設吊具中心小車方向為X1，大車方向為Y1，相應的AGV坐標為(X2，Y2)，小車中心為(X3，Y3)，限定值為T。當AGV位置和小車架中心位置偏差小于限定值時，小車方向微動調整距離為：

X=X1-X2+(X3-X2)

(1)

大車方向微動調整距離為：

Y=Y1-Y2+(Y3-Y2)

(2)

若偏差大于限定值則小車方向微動調整距離為：

X=X1-X2+T

(3)

大車方向微動調整距離為：

Y=Y1-Y2+T

(4)

3.4 偏差判定

(1)AGV偏差判定。當吊具下降至9 m安全高度得到下降允許時，只有在識別到AGV上的參考點，并且掃描得出的AGV位置與理想位置(數據庫中AGV每個交互位的固定位置)各方向偏差小于15 cm時，maxview才會認為掃描到的目標是AGV且掃描數據有效，否則軌道吊跳出自動報錯。

(2)下降過程中，實時計算吊具和AGV各方向偏差，輸出微動需要移動的距離，并判斷是否大于微動調整極限，微動行程為20 cm，即偏差調整極限為±10 cm。

(3)放箱偏差判定。著箱后，確定各方向掃描數據有效后，比較偏差與設定范圍大小，確定著箱成功后輸出開鎖允許。

4 結語

在AGV掃描功能投入使用后，軌道吊與AGV交互作業中，抓箱作業成功率由90%上升至98%，放箱成功率由75%上升至85%，手動介入率顯著下降。根據掃描得出的AGV與軌道吊相對位置，系統能夠自主判斷集裝箱下降后是否能完全著箱于AGV上，并決定是否給出下降允許，從根源上杜絕了放箱作業時集裝箱懸空的情況，解決了由于AGV大車運行軌跡偏離、軌道沉降及軌道吊自身吊具不水平等原因引起無法正常自動抓放箱的問題。