集装箱堆场轮胎吊自动化作业系统

摘要

一种用于集装箱堆场轮胎吊的自动化作业控制装置，能根据激光测距传感器、绝对值编码器、高清数字摄像机、双向倾角传感器等的测量信息和码头运营管理系统的调度指令，通过悬停着落阶段远程+现场自动控制确认方式，自动完成空载(或载箱)吊具的门字运行、侧倾修正、扭转对位、悬停纠偏和抓箱放箱等作业；且具有手/自动模式互补、冗余定位、防打保龄、松绳停降、紧绳禁开锁、紧急停机、故障提示、过程记录、远程监控等多种功能，能显著提高对位精度、提升作业效率、减少撞箱事故和节约人力成本，可广泛用于集装箱堆场的各类轮胎式和轨道式龙门吊。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于集装箱堆场轮胎吊的自动化作业控制装置，尤其是能根据激光测距 传感器、绝对值编码器、高清数字摄像机、双向倾角传感器等的测量信息和码头运营管理系 统的调度指令，通过悬停着落阶段远程+现场自动控制确认方式，自动完成空载(或载箱)吊 具的门字运行、侧倾修正、扭转对位、悬停纠偏和抓箱放箱等作业的集装箱堆场轮胎吊自动 化作业系统。

背景技术

集装箱堆场轮胎吊(简称轮胎吊)是一种用于集装箱堆场、依赖轮胎行走的门式起重设 备，相比依赖轨道行走的轨道吊具有投资成本低、灵活机动性好、标准化程度高等优点，但 也存在作业效率低、劳动强度大、安全隐患多、自动化实现难度大等缺点。目前轮胎吊自动 化作业系统仍处于研发测试(或试运行)阶段，国内外尚未见成功推广案例。据资料分析， 现有的轮胎吊自动化作业系统方案大多采用激光扫描测距仪、绝对值编码器、高清数字摄像 机等一种(或多种)传感器测量技术，普遍存在定位精度差、自动化程度低、场地适应性差、 安全可靠性低、投资及维护成本高、作业效率提升不明显等缺陷，因此总体实用性不大、难 以实现推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为克服在研轮胎吊自动化作业系统普遍存在的定位精度 差、自动化程度低、场地适应性差、安全可靠性低、投资及维护成本高、作业效率提升不明 显等缺陷，本发明提供一种集装箱堆场轮胎吊自动化作业系统，能根据激光测距传感器、绝 对值编码器、高清数字摄像机、双向倾角传感器等的测量信息和码头运营管理系统的调度指 令，通过悬停着落阶段远程+现场自动控制确认方式，进行吊具位置及速度、吊架扭转及伸缩、 旋锁开闭等运动控制，自动完成空载(或载箱)吊具的门字运行、侧倾修正、扭转对位、悬 停纠偏和抓箱放箱等作业。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：集装箱堆场轮胎吊自动化作业系统主要由 远程监控计算机(RMC)、工控机(IPC)或可编程自动化控制器(PAC)、绝对值编码器(AVE)、 激光测距传感器(LDS)、双向倾角传感器(TAS)、高清数字摄像机(HDC)、自动控制确认 按钮(ACCB)、急停按钮(ESB)、可编程控制器(PLC)或运动控制器(SMC)等组件构成。 该系统原理是：安装在小车运行和起升机构传动轴上的两台AVE分别测量小车水平向绝对位 置和吊具垂向绝对位置，对称安装在小车四角上的四台LDS分别测量吊具两侧下方的堆场高 度，安装在小车上的一台TAS测量轮胎吊前后/左右方向的水平倾角，对称安装在小车上的两 台HDC分别采集吊具两侧及下方堆场的视觉图像，安装在车道侧腿柱外立面上的ACCB和 ESB分别接收集卡司机的确认和急停信号；安装在司机室的IPC或PAC通过通信端口分别接收 AVE、LDS、TAS、HDC发送的数据流，并通过数字I/O口分别接收ACCB和ESB的电平信号， 以及通过无线局域网接收位于中控室的RMC的远程操控指令和来自码头运营管理系统的箱 位调度指令，同时将作业现场的监控信息反馈给RMC和TOPS；IPC或PAC按照手/自动门字运 动控制算法，通过通信端口将控制指令发送给PLC或SMC；PLC或SMC再将控制指令通过电 机驱动器分别驱动小车运行机构、吊具起升机构、旋锁开闭机构和吊架扭转伸缩机构运行， PLC或SMC还同时接收轮胎吊运行状态监测、操作手柄开关等输入信号，并发送运行状态指 示等输出信号。

作业系统的手/自动门字运动控制算法：主要分手动和自动两种运行模式，且具有手/自动 模式互补功能；开机默认自动运行模式，如切换至手动运行模式，系统将暂停自动运行后续 作业步骤，再次切换回自动运行模式并解除暂停后，系统将恢复自动运行后续作业步骤。手 动运行模式下，可实现小车运行速度、吊具升降速度、吊架扭转/伸缩、旋锁开闭等控制功能， 小车运行速度控制还包括防打保龄功能(打保龄预警时小车停止运行，否则小车可继续运行)， 吊具升降速度控制还包括松绳停降功能(下降至触底松绳时吊具停止下降，否则吊具可继续 升降)，旋锁开闭控制还包括紧绳禁开锁功能(紧绳状态时旋锁禁止开锁，否则旋锁可执行开 闭锁)。自动运行模式下，作业指令未更新或有错误时等待作业指令，否则顺序执行上升至门 顶(准备阶段)、平移至门顶起点(准备阶段)、下降至悬空低位(起点阶段)、提示自动控制 确认(起点阶段)、下降至触底松绳(起点阶段)、闭锁抓箱(起点阶段)、上升至门顶(起点 阶段)、平移至门顶终点(过渡阶段)、下降至悬空低位(终点阶段)、提示自动控制确认(终 点阶段)、下降至触底松绳(终点阶段)、开锁放箱(终点阶段)、上升至门顶(终点阶段)14 个作业步骤，期间可随时执行急停(同时退出自动运行)、中止自动运行、跳过当前转至下一 步骤、暂停后续步骤、切换至手动模式(同时暂停后续步骤)等操作；LDS与HDC定位误差超 出门限时，暂停后续步骤、故障提示及记录；吊具悬停着落阶段，处于车道排位时须远程和 集卡司机同时保持确认状态方可继续自动运行，处于其它排位时仅须保持远程确认状态即可 继续自动运行。

作业系统的远程操作界面：系统主面板主要包括二维图片控件(作业场景动画演示)、视 觉影像控件(作业场景摄像监视)、字符串显示控件(包括箱位调度指令、被吊箱型指令、吊 具工作状态)、数值显示控件(包括吊具当前位置、吊具当前速度、大车当前倾角)、选项卡 控件(包括自动运行模式、手动运行模式)、布尔显示控件(包括故障报警、指令已完成、急 停外部按钮、自动控制确认外部按钮)、布尔输入控件(包括设置、启动、急停、退出)等区 位，设置子面板主要包括布尔输入控件(保存用户设置、恢复用户设置、恢复出厂设置、应 用退出)、选项卡控件(动画演示参数、大车结构参数、小车结构参数、吊具结构参数、集装 箱结构参数、堆场结构参数、编码器配置参数、激光器配置参数、倾角计配置参数、摄像头 配置参数、运动控制参数、控制器配置参数)等区位，用户可通过触控式显示屏进行监视和 操作。

本发明的有益效果是：能根据激光测距传感器、绝对值编码器、高清数字摄像机、双向 倾角传感器等的测量信息和码头运营管理系统的调度指令，通过悬停着落阶段远程+现场自动 控制确认方式，自动完成空载(或载箱)吊具的门字运行、侧倾修正、扭转对位、悬停纠偏 和抓箱放箱等作业；且具有手/自动模式互补、冗余定位、防打保龄、松绳停降、紧绳禁开锁、 紧急停机、故障提示、过程记录、远程监控等多种功能，能显著提高对位精度、提升作业效 率、减少撞箱事故和节约人力成本，可广泛用于集装箱堆场的各类轮胎式和轨道式龙门吊。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明中作业系统的机械结构图。

图2是本发明中作业系统的电气结构图。

图3是本发明中作业系统的控制流程图。

图4是本发明中作业系统的远程操作界面之系统主面板。

图5是本发明中作业系统的远程操作界面之设置子面板。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步描述。

在图1所示实施例中，本发明中作业系统的机械结构主要包括：轮胎吊(1)、小车(11)、 吊具(12)、腿柱(13)、集装箱(2)、卡车(3)、绝对值编码器(111)、激光测距传感器(112)、 高清数字摄像机(113)、双向倾角传感器(114)、急停按钮(131)、自动控制确认按钮(132) 等组件。其中：堆场集装箱按序纵向堆积在轮胎吊下方，卡车通道位于轮胎吊下方一侧，小 车在横梁轨道上水平运行，小车上的起升机构通过吊索牵引吊具升降运行，吊具包括吊架扭 转伸缩机构、旋锁开闭机构等组件，测量小车水平向位置和吊具垂向位置的绝对值编码器分 别安装在小车运行和起升机构的传动轴上，测量吊具两侧下方堆场高度的四台激光测距传感 器分别对称安装在小车四角(推荐前/后传感器安装间距W_l＝2W_c+2W_i，W_c为集装箱宽度，W_i为集装箱堆放间隙；推荐左/右传感器安装间距L_l尽量长，但应小于20尺短箱长；推荐起点/ 终点阶段悬空低位时空载吊具/吊箱至目标堆位的悬空高度H_g＝H_c，H_c为集装箱高度)，采集 吊具两侧及下方堆场、集卡车道视觉图像的三台高清数字摄像机分别对称安装在小车前/后部 (推荐前/后摄像机安装间距W_h＝W_c+W_i)和车道侧腿柱的下部内侧(推荐摄像机安装高度为 集卡货台平均离地高度)，测量轮胎吊前后/左右方向水平倾角的一台双向倾角传感器安装在 小车上，急停按钮、自动控制确认按钮分别安装在车道侧腿柱的下部外侧。

在图2所示实施例中，本发明中作业系统的电气结构主要包括：位于中控室的码头运营管 理系统(TOPS)和远程监控计算机(RMC)，以及位于轮胎吊的绝对值编码器(AVE)、激光 测距传感器(LDS)、双向倾角传感器(TAS)、高清数字摄像机(HDC)、工控机(IPC)或 可编程自动化控制器(PAC)、运行状态监测(RSM)、操作手柄开关(OHS)、急停按钮 (ESB)、自动控制确认按钮(ACCB)、可编程控制器(PLC)或运动控制器(SMC)、电机 驱动器(MPD)、大车行走机构(GTM)、小车运行机构(TTM)、吊具起升机构(SLM)、旋 锁开闭机构(SLSM)和吊架扭转伸缩机构(HTTM)等组件。其工作原理是：两台AVE分别 测量小车水平向绝对位置和吊具垂向绝对位置，四台LDS分别测量吊具两侧下方的堆场高度， 一台TAS测量轮胎吊前后/左右方向的水平倾角，两台HDC分别采集吊具两侧及下方堆场的视 觉图像，ESB和ACCB分别接收集卡司机的急停和确认信号；IPC或PAC通过通信端口分别接 收AVE、LDS、TAS、HDC发送的数据流，并通过数字I/O口分别接收ESB和ACCB的电平信号， 以及通过无线局域网(WLAN)接收RMC的远程操控指令和来自TOPS的箱位调度指令，同时 将作业现场的监控信息反馈给RMC和TOPS；IPC或PAC按照手/自动门字运动控制算法，通过 通信端口将控制指令发送给PLC或SMC；PLC或SMC再将控制指令通过MPD分别驱动GTM、 TTM、SLM、SLSM和HTTM运行，PLC或SMC还同时接收轮胎吊RSM、OHS等输入信号， 并发送运行状态指示等输出信号。

在图3所示实施例中，本发明中作业系统的控制流程主要包括：系统启动、参数设置、手 动运行、自动运行等四部分流程，运行模式主要分手动和自动两种，且具有手/自动模式互补 功能；开机默认自动运行模式，如切换至手动运行模式，系统将暂停自动运行后续步骤，再 次切换回自动运行模式并解除暂停后，系统将恢复自动运行后续步骤。1)系统启动：控件初 始化/使能/禁用，读入系统参数退出设置，系统故障诊断(如有系统故障，则退出系统、提示 及记录故障)，连续读取AVE位置x_a和y_a、LDS测距y_l、TAS倾角θ_z和θ_x、HDC视觉、RMC指令、 PLC反馈等端口通信数据。2)参数设置：恢复用户/出厂设置、修改/保存用户设置，应用并 退出参数设置。3)手动运行：可实现小车运行速度、吊具升降速度、吊架扭转/伸缩、旋锁 开闭等控制功能，小车运行速度控制还包括防打保龄功能(打保龄预警时小车停止运行，否 则小车可继续运行)，吊具升降速度控制还包括松绳停降功能(下降至触底松绳时吊具停止下 降，否则吊具可继续升降)，旋锁开闭控制还包括紧绳禁开锁功能(紧绳状态时旋锁禁止开锁， 否则旋锁可执行开闭锁)。4)自动运行：作业指令未更新或有错误时等待作业指令，否则顺 序执行上升至门顶(准备阶段)、平移至门顶起点(准备阶段)、下降至悬空低位(起点阶段)、 提示自动控制确认(起点阶段)、下降至触底松绳(起点阶段)、闭锁抓箱(起点阶段)、上升 至门顶(起点阶段)、平移至门顶终点(过渡阶段)、下降至悬空低位(终点阶段)、提示自动 控制确认(终点阶段)、下降至触底松绳(终点阶段)、开锁放箱(终点阶段)、上升至门顶(终 点阶段)14个作业步骤，期间可随时执行急停(同时退出自动运行)、中止自动运行、跳过当 前转至下一步骤、暂停后续步骤、切换至手动模式(同时暂停后续步骤)等操作；|LDS定位 -HDC定位|≥误差门限ξ时，暂停后续步骤、故障提示及记录；吊具悬停着落阶段，处于车道 排位时须远程和集卡司机同时保持确认状态方可继续自动运行，处于其它排位时仅须保持远 程确认状态即可继续自动运行。下面对小车运动方向侧两路LDS对位算法、悬空低位吊箱上 缘距门顶高度算法等关键流程作具体说明：

当|X_o-x_a|≤W_c/2+2W_i且|X_o-x_a|≥W_c/2时，若y_l0-y_l2≥H_c/2且y_l1-y_l2≥H_c/2，则 ${\bar{s}}_x=ave[W_c/2+W_i-|x_{yl0}-x_{yl2}+(H_p+y_{lmin}){\theta }_z\left|\right];$

当|X_o-x_a|≤W_c/2+2W_i且|X_o-x_a|＜W_c/2时，则

对y_l(x_a∈[X_o-W_c/2+W_i,X_o+W_c/2-W_i])进行滤波，则s_y＝y_lmin-H_g(或y_lmin-H_g-H_c)。

式中：W_c、H_c、W_i分别为集装箱的宽度、高度和堆放间距；

H_p为起点/终点阶段吊索上索点至目标堆位的垂向间距；

H_g为起点/终点阶段悬空低位时空载吊具/吊箱至目标堆位的悬空高度；

θ_z为TAS测得的轮胎吊相对水平面绕z轴回转的倾角；

L_l为左/右两路LDS的安装间距；

x_a为小车运行AVE测得的小车x轴当前位置；

X_o为小车x轴目标位置；

y_l0、y_l1、y_l2分别为小车运动方向侧两路激光测得的3次循环移位寄存值；

x_yl0、x_yl1、x_yl2分别为y_l0、y_l1、y_l2对应的小车x轴当前位置；

为两路LDS测得的x_yl0与X_o间距的均值；

Δs_x为两路LDS测得的x_yl0与X_o间距的差值；

为吊架扭转对位角。

y_lmin为y_l的最小值；

s_y为悬空低位时吊箱上缘距门顶高度。

在图4所示实施例中，本发明中作业系统的远程操作界面之系统主面板主要包括：二维 图片控件(作业场景动画演示)、视觉影像控件(作业场景摄像监视)、字符串显示控件(包 括箱位调度指令、被吊箱型指令、吊具工作状态)、数值显示控件(包括吊具当前位置、吊具 当前速度、大车当前倾角)、选项卡控件(包括自动运行模式、手动运行模式)、布尔显示控 件(包括故障报警、指令已完成、急停外部按钮、自动控制确认外部按钮)、布尔输入控件(包 括设置、启动、急停、退出)等区位，用户可通过触控式显示屏进行监视和操作。作业场景 动画演示、作业场景摄像监视分别用于实时显示堆场作业过程的激光扫描图像和机器视觉影 像(三路HDC视频组合)；箱位调度指令包括起点排号、终点排号2个字符串显示控件；被 吊箱型指令包括被吊箱高、被吊箱长2个字符串显示控件；吊具工作状态包括旋锁/装载、缆 绳/着落2个字符串显示控件；吊具当前位置包括X轴位置、Y轴位置2个数值显示控件；吊 具当前速度包括X轴速度、Y轴速度2个数值显示控件；大车当前倾角包括X轴倾角、Y轴 倾角2个数值显示控件；自动运行模式包括当前作业步骤、已完成作业量2个字符串显示控 件，以及开始自动运行、暂停自动运行、悬停着落阶段自动控制确认、跳过当前转至下一作 业步骤4个布尔输入控件；手动运行模式包括小车运行速度、吊具升降速度、吊架扭转旋钮、 吊架伸缩旋钮、旋锁开闭旋钮5个数值输入控件，以及本次指令已手动完成1个布尔输入控 件。

在图5所示实施例中，本发明中作业系统的远程操作界面之设置子面板主要包括：布尔 输入控件(保存用户设置、恢复用户设置、恢复出厂设置、应用退出)、选项卡控件(动画演 示参数、大车结构参数、小车结构参数、吊具结构参数、集装箱结构参数、堆场结构参数、 编码器配置参数、激光器配置参数、倾角计配置参数、摄像头配置参数、运动控制参数、控 制器配置参数)等区位。保存用户设置用于打开文件路径对话框，保存当前设置作为用户自 定义设置；恢复用户设置用于打开文件路径对话框，恢复之前保存的用户自定义设置；恢复 出厂设置用于恢复出厂默认设置；应用退出用于自动保存当前设置作为程序重启时的初始设 置，应用修改并退出设置子函数；动画演示参数包括缩放比例、左上角边距、圆角半径3个 数值输入控件；大车结构参数包括横梁长、横梁高、腿柱宽、腿柱高、悬架高、大车轮宽、 大车轮半径7个数值输入控件；小车结构参数包括小车宽、小车高、小车离梁间隙、小车轮 轴距、小车轮半径5个数值输入控件；吊具结构参数包括吊具宽度、吊具高度、缆绳间距3 个数值输入控件；集装箱结构参数包括集装箱宽度、低箱高度、高箱高度3个数值输入控件； 堆场结构参数包括箱位间距、左柱/箱间距2个数值输入控件；编码器配置参数包括X轴/Y 轴编码器零位、X轴/Y轴/转角编码器倍率5个数值输入控件，X轴/Y轴/转角编码器端口3 个I/O输入控件，编码器通信速率下拉列表输入控件；激光器配置参数包括X轴/Z轴激光器 间距、负外/正外/负内/正内激光器基高6个数值输入控件，负外/正外/负内/正内激光器端口4 个I/O输入控件，激光器通信速率下拉列表输入控件；倾角计配置参数包括倾角计端口I/O 输入控件、倾角计通信速率下拉列表输入控件；摄像头配置参数包括负向/正向/车道摄像头视 频文件保存路径3个路径输入控件、负向/正向/车道摄像头端口3个I/O输入控件；运动控制 参数包括Y轴零位距门顶高、悬停至触底高差、小车/吊具运行速度、小车/吊具加/减速时间 6个数值输入控件；控制器配置参数包括IP地址字符串输入控件等。