淺談無人駕駛清艙機(jī)避障功能

符俊，王博強(qiáng)

（國能常州發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213000）

清艙機(jī)無人駕駛技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。通過傳感器、智能算法等，可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、智能避障等功能。傳感器可以感知周圍環(huán)境，包括船艙內(nèi)物體的位置和狀態(tài)，以及與船艙內(nèi)人員和其他設(shè)備的交互信息。通過智能算法的處理和判斷，無人駕駛清艙機(jī)可以準(zhǔn)確快速地完成清艙任務(wù)，提高工作效率，并且降低了人為操作可能引起的意外風(fēng)險。因此，本文就全自動無人駕駛清艙機(jī)安全性、安全措施和方法進(jìn)行闡述。分開來說，即卸料設(shè)備與運(yùn)輸設(shè)備的避障、多種卸料設(shè)備之間的融合、多種卸料設(shè)備之間的互鎖、人員與設(shè)備的互鎖。

1 清艙機(jī)與卸船機(jī)的安全互鎖和融合

為了確保船艙余料清艙作業(yè)的安全性和高效性，清艙機(jī)與卸船機(jī)之間需要進(jìn)行安全互鎖和融合。安全互鎖是指兩臺設(shè)備之間的聯(lián)動控制，只有在特定條件下才能進(jìn)行操作，以避免可能的事故和損壞。

當(dāng)卸船機(jī)開始卸載散料時，清艙機(jī)應(yīng)自動停止工作，并等待卸船機(jī)完成后再繼續(xù)操作，抑或清艙機(jī)在避開卸船機(jī)作業(yè)半徑區(qū)域進(jìn)行清艙工作。其位置互鎖程序保護(hù)、傳感器直接檢測保護(hù)等兩種及以上的防碰撞保護(hù)手段，避免發(fā)生碰撞事故。

此外，卸船機(jī)和清艙機(jī)的融合也是提高作業(yè)效率的關(guān)鍵。通過優(yōu)化設(shè)備之間的協(xié)同工作，可以減少作業(yè)時間和人力成本。例如，清艙機(jī)可以根據(jù)卸船機(jī)的卸載速度和位置，智能調(diào)整自身的工作節(jié)奏和路徑，以最大程度地減少等待時間和重復(fù)移動。

具體措施如下。

1.1 位置互鎖功能-軟件計(jì)算檢測防碰撞

系統(tǒng)通過建立艙內(nèi)的XOY坐標(biāo)平面并進(jìn)行網(wǎng)格化，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：卸船機(jī)抓斗和清艙機(jī)在進(jìn)入相鄰網(wǎng)格的危險閾值范圍內(nèi)時，結(jié)合卸船機(jī)抓斗的高度數(shù)據(jù)，及時停止運(yùn)行，以確保安全。

1.2 直接傳感器檢測互鎖功能-雷達(dá)相向掃描檢測防碰撞

為了防止碰撞發(fā)生，卸船機(jī)部署了3D雷達(dá)來進(jìn)行下方的掃描，以實(shí)時檢測清艙機(jī)的位置；同時，清艙機(jī)在頂部也部署了仰角可調(diào)的3D雷達(dá)，用于上方的掃描，以實(shí)時檢測抓斗的位置；一旦卸船機(jī)抓斗與清艙機(jī)的距離進(jìn)入危險閾值范圍，系統(tǒng)會立即停止運(yùn)行。

1.3 分區(qū)域作業(yè)規(guī)劃

為了提高清艙效率，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一個合理的作業(yè)流程，使卸船機(jī)抓斗和清艙機(jī)的作業(yè)能夠高效協(xié)調(diào)。

在清艙機(jī)與卸船機(jī)抓斗交叉作業(yè)時，應(yīng)遵循以下規(guī)則：（1）分區(qū)域作業(yè)：將作業(yè)區(qū)域劃分，確定卸船機(jī)抓斗和清艙機(jī)的作業(yè)范圍和順序；（2）就近取料：根據(jù)就近原則，選擇離取料點(diǎn)更近的卸船機(jī)抓斗來進(jìn)行作業(yè)；（3）兩點(diǎn)供料：根據(jù)需要，在兩個指定的地點(diǎn)進(jìn)行供料。

對于艙內(nèi)自動作業(yè)，清艙機(jī)需要遵循以下局部軌跡規(guī)劃：（1）分析艙內(nèi)剩余料堆的分布和特點(diǎn)；（2）將整個清艙作業(yè)拆分成多個單次任務(wù)，通過推料或耙料路徑的最優(yōu)曲線來達(dá)到效率最優(yōu)的作業(yè)結(jié)果；（3）結(jié)合推、耙、鏟、裝等動作，實(shí)現(xiàn)各種動作的協(xié)調(diào)進(jìn)行。

綜上所述，清艙機(jī)與卸船機(jī)的安全互鎖和融合是確保船艙余料清艙作業(yè)順利進(jìn)行的重要因素。通過有效的聯(lián)動控制和協(xié)同工作，可以提高作業(yè)效率、降低風(fēng)險，并實(shí)現(xiàn)更加安全可靠的清艙作業(yè)。

2 清艙機(jī)與船艙艙壁的避障

清艙機(jī)與船艙艙壁的避障是確保清艙作業(yè)順利進(jìn)行的關(guān)鍵。為了避免清艙機(jī)與艙壁之間的碰撞，需要采用先進(jìn)的避障技術(shù)。一種常見的方法是使用激光或雷達(dá)傳感器，通過掃描周圍環(huán)境來檢測障礙物的存在和位置。清艙機(jī)可以根據(jù)傳感器提供的信息，實(shí)時調(diào)整自身的路徑和速度，以避開障礙物。

另外，還可以結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，通過攝像頭等設(shè)備獲取圖像信息，并利用圖像處理算法識別艙壁的位置和形狀。清艙機(jī)可以根據(jù)這些信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，以便在接近艙壁時及時調(diào)整方向，避免與艙壁發(fā)生碰撞。

除了傳感器和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，還可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，讓清艙機(jī)不斷學(xué)習(xí)和優(yōu)化避障策略。通過分析歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時感知，清艙機(jī)可以逐漸提高避障的準(zhǔn)確性和效率，從而更好地應(yīng)對復(fù)雜的工作環(huán)境。

關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)船艙半密閉空間環(huán)境識別及3D重建。

對于船艙內(nèi)的半密閉空間，要實(shí)現(xiàn)清艙機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能，首先，需要對艙內(nèi)空間環(huán)境進(jìn)行識別和3D重建。系統(tǒng)采用了3D激光雷達(dá)作為清艙機(jī)的掃描設(shè)備。然而，在船艙內(nèi)粉塵濃度高、煤炭潮氣大，甚至在雨霧天氣等惡劣環(huán)境中，粉塵顆粒、霧滴和水滴會對激光雷達(dá)的測量結(jié)果造成干擾。為了解決這個問題，系統(tǒng)采用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，將這些干擾降低到最低程度，并且將微小粒子的影響“忽略”，準(zhǔn)確描繪出船艙和料堆的真實(shí)輪廓。

要實(shí)現(xiàn)船艙半密閉空間環(huán)境識別及3D重建，關(guān)鍵在于有效濾波技術(shù)，以應(yīng)對粉塵等干擾因素。系統(tǒng)能夠通過這一技術(shù)，準(zhǔn)確地識別出船艙內(nèi)部的環(huán)境信息，并將其轉(zhuǎn)化為3D模型。這一創(chuàng)新點(diǎn)使得清艙機(jī)能夠更加精確地進(jìn)行清理工作，提高工作效率和質(zhì)量。同時，通過濾波技術(shù)的應(yīng)用，還可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，提升對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。

隨著技術(shù)的發(fā)展，船艙半密閉空間環(huán)境識別及3D重建技術(shù)的研發(fā)改進(jìn)，不斷推動清艙機(jī)的發(fā)展，為清艙工作提供更高效、更精準(zhǔn)的解決方案。

綜上所述，清艙機(jī)與船艙艙壁的避障技術(shù)是保證清艙作業(yè)安全順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。通過使用傳感器、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，清艙機(jī)可以有效地避免與艙壁碰撞，提高工作效率和安全性（圖1）。

圖1 船艙內(nèi)3D建模

3 清艙機(jī)與人的安全互鎖和避讓措施

建設(shè)遠(yuǎn)程實(shí)景控制中心是一項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)無人駕駛的同時，也能使操作人員更直觀的感覺置身現(xiàn)場，順利地完成清艙工作。

首先，需要在中控室建設(shè)一個遠(yuǎn)程控制中心的軟硬件平臺。通過這個平臺，可以控制卸船流程中的各項(xiàng)設(shè)備，如抓斗卸船機(jī)和清艙機(jī)等。同時，還需要設(shè)計(jì)一個數(shù)據(jù)通信接口，將遠(yuǎn)程控制中心和原有的輸煤程控中心連接起來，以確保卸船機(jī)、清艙機(jī)和輸料系統(tǒng)設(shè)備之間的聯(lián)鎖和控制融合。

其次，需要建設(shè)一個具備駕駛艙功能的遠(yuǎn)程控制中心。這個駕駛艙需要集成無線AP、底層控制器（如搖桿、按鈕等直接控制端）和主控單元等重要組件。駕駛艙能夠顯示清艙機(jī)的第一視角實(shí)時視頻和艙內(nèi)環(huán)境，還可以顯示作業(yè)軌跡、360度全景環(huán)視影像等內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)沉浸式的遠(yuǎn)程控制駕駛功能。遠(yuǎn)程實(shí)景控制中心搭建的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性、控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院偷脱舆t性方面。為了保證視頻數(shù)據(jù)的連續(xù)性，在搭建中會采用先進(jìn)的傳輸技術(shù)；為了確?？刂茢?shù)據(jù)的可靠性和低延遲性，使用先進(jìn)的控制技術(shù)。只有這樣，才能成功實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)景控制中心的搭建，為各項(xiàng)工作提供有效的支持。

無人駕駛清艙機(jī)在與人員共同工作時，必須確保安全互鎖和避讓措施的實(shí)施。首先，清艙機(jī)配備高精度傳感器和智能識別系統(tǒng)，能夠及時發(fā)現(xiàn)人員的存在并進(jìn)行識別。其次，清艙機(jī)需要與人員之間建立有效的通信系統(tǒng)，以便及時傳達(dá)指令和信息。在清艙作業(yè)過程中，如果有人員進(jìn)入工作區(qū)域，清艙機(jī)應(yīng)立即停止運(yùn)行，并發(fā)出警示信號，以確保人員的安全。此外，清艙機(jī)還應(yīng)具備靈敏的避讓能力，能夠根據(jù)環(huán)境變化迅速調(diào)整路徑，避免與人員發(fā)生碰撞。通過這些安全互鎖和避讓措施的實(shí)施，可以最大程度地保障人員在清艙作業(yè)中的安全（圖2）。

圖2 人、卸船機(jī)、清艙機(jī)三點(diǎn)位置

4 結(jié)語

無人駕駛清艙機(jī)的設(shè)計(jì)和功能提供了一種高效、安全的解決方案，用于處理船艙余料清艙作業(yè)。通過與卸船機(jī)的安全互鎖和融合，可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程的順暢進(jìn)行，避免可能的事故和損失。同時，清艙機(jī)配備了先進(jìn)的避障技術(shù)，能夠準(zhǔn)確識別船艙艙壁等障礙物，以避免碰撞和損壞。此外，清艙機(jī)還采取了安全互鎖和避讓措施，確保與人員的安全交互，避免潛在的傷害風(fēng)險。綜上所述，無人駕駛?cè)詣泳G色清艙機(jī)是一項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用前景的技術(shù)創(chuàng)新，將為船艙余料清艙作業(yè)帶來更高效、更安全的解決方案。