摘 要：為不斷完善和發(fā)展港口碼頭自動化水平，提高軌道式集裝箱起重機(jī)的作業(yè)效率，對目標(biāo)檢測系統(tǒng)的應(yīng)用原理進(jìn)行分析介紹。目標(biāo)檢測系統(tǒng)激光器通過對周圍環(huán)境進(jìn)行掃描，采集數(shù)據(jù)點進(jìn)行處理判斷，對目標(biāo)物體生成對應(yīng)坐標(biāo)點反饋給控制器進(jìn)行控制，協(xié)同完成自動作業(yè)任務(wù)。通過實際的系統(tǒng)應(yīng)用，結(jié)合軟件監(jiān)控對作業(yè)時優(yōu)缺點進(jìn)行分析，對故障分類并總結(jié)對應(yīng)處理方法。關(guān)鍵詞：目標(biāo)檢測系統(tǒng)；自動化碼頭；激光器；故障處理；視覺處理中圖分類號：U691+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）11-0069-06

0 引言

近年來，自動化集裝箱碼頭因其環(huán)保、高效、節(jié)能、穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)被越來越多的港口所接受，從新加坡、荷蘭、日本、美國、德國、英國、澳大利亞到上海、廈門以及青島［1］，國內(nèi)外大型港口逐步自動化智能化促進(jìn)了全球港口集裝箱自動化的發(fā)展，使港口不再是傳統(tǒng)的地域上的綜合物流樞紐，更是一個動態(tài)化的拉動區(qū)域增長的支撐和引擎［2］。

目標(biāo)檢測系統(tǒng)（Target Detection System， 簡稱TDS）利用3D 激光技術(shù)，配合轉(zhuǎn)動馬達(dá)，對目標(biāo)物體進(jìn)行精確掃描，達(dá)到目標(biāo)定位和設(shè)備保護(hù)的目的。無人自動化碼頭興起以來，對軌道式集裝箱起重機(jī)（以下簡稱軌道吊）自動化技術(shù)研究越來越深入，為滿足堆場和無人集卡自動抓放箱要求，對自動化堆場的“眼睛”——自動目標(biāo)檢測系統(tǒng)進(jìn)行升級改進(jìn)。其主要利用Sick 激光器的掃描功能，通過多個激光器協(xié)同配合，與軌道吊控制器相互配合，完成作業(yè)任務(wù)。其作業(yè)環(huán)境主要分為兩種，一種是在堆場中進(jìn)行抓放箱任務(wù)，主要是通過在吊具高點對吊具兩側(cè)下方的堆場環(huán)境進(jìn)行掃描，判斷出下方原有集裝箱位置，再通過與控制器交互進(jìn)行命令交流，確保正常完成堆場任務(wù)。第二種是車道抓放箱任務(wù)，主要是在車道最上方對下方車輛進(jìn)行激光掃描，當(dāng)有車輛時，可通過掃描判斷是否為空車、集裝箱在車板的相對位置和車頭方向等，配合車輛引導(dǎo)系統(tǒng)對集卡進(jìn)行精確引導(dǎo)定位，再進(jìn)行收提箱操作。

自20 世紀(jì)70 年代以來，國內(nèi)外對視覺識別和圖像檢測等問題進(jìn)行不斷研究探索［3］Subramanian 聯(lián)合視覺系統(tǒng)和坐標(biāo)測量機(jī)，將工件位置通過視覺系統(tǒng)測定發(fā)送給坐標(biāo)測量器［4］，實現(xiàn)了視覺識別的作業(yè)應(yīng)用。Ballard 提出廣義霍爾變換的概念，通過目標(biāo)檢測。對邊覺與工業(yè)融合，使理論與實踐相適應(yīng)并用科技推動生產(chǎn)進(jìn)步。

1 結(jié)構(gòu)原理

1.1 3D 掃描機(jī)構(gòu)

在軌道吊的小車架上安裝兩個轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，分別是遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)（司機(jī)室側(cè)）和近端轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)（非電氣房側(cè)）。

轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)和激光器一起安裝于小車平臺下方，其工作模式分為靜待掃描和動態(tài)掃描兩種。靜態(tài)掃描時當(dāng)?shù)蹙咴谧罡唿c，將要抓放箱時，對下部環(huán)境進(jìn)行掃描，并將結(jié)果反饋給軌道吊控制器，判斷是否安全，同時對軌道吊進(jìn)行位置調(diào)整，準(zhǔn)備動作；動態(tài)掃描時，吊具下降到臨近著箱，激光器再對下方環(huán)境進(jìn)行掃描，比對當(dāng)前位置是否安全，是否已滿足著箱外部條件，當(dāng)條件滿足時著箱，不滿足需配合吊具姿態(tài)調(diào)整模塊控制微動電機(jī)調(diào)整，再次掃描著箱。3D 轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)通過CAN 通信進(jìn)行轉(zhuǎn)動馬達(dá)控制，通過以太網(wǎng)與工控機(jī)進(jìn)行信息交互。通過CAN 光轉(zhuǎn)和以太網(wǎng)光轉(zhuǎn)進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換完成信息遠(yuǎn)距離傳輸。整個系統(tǒng)由兩個3D 轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)組成，分為近端和遠(yuǎn)端，分別安裝在大車中線并距離小車中線1500 mm 的位置上，便于對整個工作環(huán)境同時掃描。

1.2 軟件監(jiān)控

1）實時監(jiān)控

如圖2 所示，TDS 監(jiān)控與激光器相對應(yīng)，分為近端監(jiān)控和遠(yuǎn)端監(jiān)控，分別對兩個轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)發(fā)回的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示處理，并配合圖像一起顯示在監(jiān)控畫面右上方。集裝箱定位只需確定兩個參考點，即邊長方向中心線上距離寬邊等距兩點，通過兩點的相對位置變化可明顯判斷集裝箱水平位置偏移情況。TDS 激光器采集的數(shù)據(jù)，通過處理擬合出兩條邊線，計算出規(guī)定距離的坐標(biāo)點。在軟件監(jiān)控界面顯示的為每個激光器數(shù)據(jù)計算點LeftCtrl和RigehtCtrl，為集裝箱一側(cè)的兩點，經(jīng)處理后可得到最終兩點反饋給控制器。集卡定位同樣只需兩點，邊長中線上距離車頭和車尾固定位置的兩點。車尾寬度邊線由集卡引導(dǎo)系統(tǒng)給出確切點，配合TDS 的擬合中線計算出坐標(biāo)，由監(jiān)控軟件顯示。

當(dāng)有故障發(fā)生時，由于控制器反饋的局限性，有些實時具體故障無法顯示，需要TDS 監(jiān)控界面顯示故障并記錄，且顯示在右下區(qū)域便于在維修時進(jìn)行故障分析。在軌道吊接收到總控制器發(fā)出的命令后，通過PLC 控制大車小車到達(dá)指定貝位，此時TDS 開始作業(yè)，所以在監(jiān)控界面最下方加入各運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置信息，便于判斷TDS 的工作狀態(tài)。由于以太網(wǎng)和CAN 雙通信，需要對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時反饋，便于對故障點進(jìn)行查找，在監(jiān)控軟件左側(cè)分別進(jìn)行顯示。

為方便調(diào)試標(biāo)定，在監(jiān)控軟件內(nèi)加入模擬指令，通過控制器和工控機(jī)的信息交流計算，對不同的指令設(shè)置給出相應(yīng)數(shù)據(jù)支持。

圖2 監(jiān)控軟件

2）激光器污染監(jiān)控

如圖3 所示，TDS 激光器安裝在小車上架的露天位置，當(dāng)遇到粉塵、大霧、大雪等極端天氣時，會使其外殼吸附雜物變臟，影響激光器作業(yè)。此時需要對激光器的污染程度進(jìn)行實時監(jiān)控，便于維保保證設(shè)備正常運(yùn)行。

SOPAS ET 軟件是與TDS 激光器攝像頭相匹配的檢測軟件，既可對激光器污染程度進(jìn)行顯示，還可對不同參數(shù)等進(jìn)行配置。

通過軟件登錄許可，可對激光器參數(shù)進(jìn)行修改，需要觀察污染程度時， 由Parameter的Contaminationmeasurement可觀察曲面激光器屏幕的5 °、35 °、70°、110°、145°和175°等不同方位的清晰度百分比，進(jìn)而準(zhǔn)確了解激光器污染狀態(tài)。

圖3 激光器監(jiān)控軟件

1.3 安裝標(biāo)定

由于TDS 系統(tǒng)工作時需要較高的準(zhǔn)確度，所以在標(biāo)定時要保證標(biāo)定環(huán)境的穩(wěn)定，嚴(yán)禁在大風(fēng)大雨大霧的情況下標(biāo)定。由于識別問題，標(biāo)定時不可選用箱頂為深藍(lán)色或有水覆蓋的箱體，在TDS 系統(tǒng)標(biāo)定前應(yīng)確保各設(shè)備正常且地面平整。

1）TDS 轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)調(diào)平

將40 尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱放到地面貝位標(biāo)志內(nèi)，從工控機(jī)對TDS 基本參數(shù)數(shù)值按規(guī)定修改，打開TDS 監(jiān)控軟件，發(fā)送模擬抓箱指令，此時TDS 正常工作，并計算出遠(yuǎn)近端抽象坐標(biāo)點LeftCtrl 和RigehtCtrl（見圖4）。

圖4 掃描畫面

對比兩坐標(biāo)點數(shù)據(jù)，因一側(cè)坐標(biāo)Y 值相差不大，當(dāng)左右兩數(shù)值差大于25 mm 時，須對轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械調(diào)整，直到數(shù)值滿足條件為止。

2）馬達(dá)零位以及大車方向角度修正在轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)調(diào)整完成后，吊具上行至上停止點，對小車不動并記錄此時位置。發(fā)送模擬指令抓一層箱，記錄此時TDS 遠(yuǎn)近端LeftCtrl 和RigehtCtrl 坐標(biāo)點（見表1）。

此后與場橋司機(jī)配合手動放二、三和四層箱，不需要數(shù)據(jù)記錄。手動放第五層箱時，小車盡量與第一層箱作業(yè)時位置相近，完成后吊具上升至上停止位。通過TDS 監(jiān)控軟件發(fā)送第五層抓箱指令，并記錄小車位置和數(shù)據(jù)點同上。填入表格計算出馬達(dá)零點以及大車角度修正值，對原有參數(shù)進(jìn)行修改完成調(diào)試。

3）設(shè)置馬達(dá)掃描范圍和數(shù)據(jù)采集抓箱、放箱和疊箱因工況不同對馬達(dá)掃描范圍要求不同，對應(yīng)的掃描范圍需通過數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，分成3D 掃描范圍、小車掃描范圍和疊箱掃描范圍。遠(yuǎn)近端位置和參數(shù)設(shè)置相匹配，在表格中修改后可正常運(yùn)行。正常運(yùn)行后對3D 掃描數(shù)據(jù)和小車移動數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄。

4）TDS 數(shù)據(jù)標(biāo)定和高度匹配補(bǔ)償TDS 標(biāo)定以標(biāo)定程序為準(zhǔn)，通過在標(biāo)定程序輸入對應(yīng)采集數(shù)據(jù)，并在多次重復(fù)自動生成后，對吊具姿態(tài)調(diào)整控制不再發(fā)生變化，證明標(biāo)定完成。此時完成某一列標(biāo)定，對于其他位置通過對吊具最低位置和最高位置姿態(tài)調(diào)整控制點，與實際偏差進(jìn)行比較，自動生成不同列的標(biāo)定數(shù)據(jù)。

當(dāng)同一次抓箱時，TDS 計算高度H 與起升位置高度h 明顯存在偏差時，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新配置。當(dāng)H 與h 的差值大于100 mm 時，將初始數(shù)據(jù)Highoffest 賦0 值，數(shù)據(jù)清零，再自動抓箱一次，打開軟件監(jiān)控界面記錄箱高container Height，找到起升實際位置Hoistland，通過兩者相減得到新Highoffest 值，再賦給初始參數(shù)。當(dāng)重啟TDS 監(jiān)控軟件自動作業(yè)后H 與h 差值數(shù)據(jù)正常，調(diào)試完畢。

2 應(yīng)用及故障分析

2.1 應(yīng)用功能描述

1）安全保護(hù)

在堆場自動化作業(yè)過程中，因無人操控而使目標(biāo)檢測尤為重要，安全位置的目標(biāo)檢測可避免危險事故發(fā)生，保證生產(chǎn)安全。自動化設(shè)備的關(guān)鍵便是能自行判斷工況環(huán)境并加以處理，其中傳感器系統(tǒng)可完成系統(tǒng)中的信息采集和處理任務(wù)，能準(zhǔn)確判斷外部環(huán)境進(jìn)行作業(yè)。目標(biāo)檢測技術(shù)的3D 轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)就是典型傳感器系統(tǒng)，可輔助軌道吊自動化系統(tǒng)完成復(fù)雜工況的作業(yè)任務(wù)。TDS 的安全保護(hù)功能主要通過對集裝箱箱高和箱子類型尺寸檢測加以實現(xiàn)。在掃描完成后，將目標(biāo)高度和集裝箱尺寸等信息發(fā)送給軌道吊控制器，根據(jù)控制策略可完成不同任務(wù)動作并進(jìn)行風(fēng)險規(guī)避。當(dāng)目標(biāo)位置高度接近策略要求高度時，會對起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行限速處理，當(dāng)目標(biāo)箱尺寸發(fā)生變化時，可通知控制器更改吊具尺寸來完成相應(yīng)作業(yè)任務(wù)。

對于特殊工況，當(dāng)有人工需求需要手動抓放箱時，因個人習(xí)慣和人眼判斷等因素影響，很難將集裝箱貝位位置放置準(zhǔn)確，此時將會出現(xiàn)歪箱或斜箱的現(xiàn)象。當(dāng)轉(zhuǎn)為自動作業(yè)后，TDS 會對堆場再次進(jìn)行掃描，并規(guī)劃出保護(hù)區(qū)域，當(dāng)歪箱、斜箱不能正常作業(yè)或無法判斷是否有安全事故隱患時，將會切換遠(yuǎn)程故障臺由人工進(jìn)行詳細(xì)判斷，避免了盲目自動抓箱造成集裝箱相撞或其他安全事故的發(fā)生（見圖5）。

如圖6 所示，由于軌道吊等定位故障且未報警時，自動軌道吊正常作業(yè)，但因定位問題或指令錯發(fā)，造成在吊具運(yùn)行過程中存在與其他列高層箱相撞的情況。此時TDS 會對周圍集裝箱進(jìn)行掃描，在發(fā)現(xiàn)路徑方向有集裝箱不能正常作業(yè)時，同樣會切換遠(yuǎn)程故障臺由人工解決，防止繼續(xù)作業(yè)造成安全事故。

圖5 保護(hù)原理

圖6 防撞原理

2）精確定位

如圖7 所示，TDS 系統(tǒng)有精確的定位功能，其通過轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的配合，可較全面準(zhǔn)確地對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描，并對目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)。主要檢測對象有集裝箱位置、集卡車位置和雙箱間隙等。當(dāng)集裝箱因地面不平或人工作業(yè)等因素造成位置不規(guī)范時，可通過數(shù)據(jù)處理對目標(biāo)位置進(jìn)行重新定位。具體定位通過監(jiān)控軟件進(jìn)行顯示，并由工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與控制器交互。

圖7 定位原理

2.2 故障分析處理

1）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

異常具體現(xiàn)象：TDS 工控機(jī)通信問題、激光器和馬達(dá)硬件故障。

影響程度：嚴(yán)重。

解決措施：聯(lián)系現(xiàn)場維修檢查線路問題或重啟TDS工控機(jī)，檢查激光器的硬件是否受損，馬達(dá)轉(zhuǎn)動是否靈敏，如有卡頓情況需更換。

2）算法限制

具體現(xiàn)象：當(dāng)激光器污染較輕時，雖未達(dá)到污染報警程度，但對數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生一定干擾，導(dǎo)致算法處理受限；當(dāng)集裝箱為黑色或深藍(lán)色，受條件限制，掃描數(shù)據(jù)存在誤差。

影響程度：嚴(yán)重。

解決措施：檢查激光器污染情況，須擦拭時聯(lián)系現(xiàn)場擦拭。限制顏色偏深集裝箱進(jìn)入堆場，當(dāng)因太臟或外界環(huán)境因素導(dǎo)致算法錯誤時，人工抓箱。

3）等待超時

具體現(xiàn)象：TDS系統(tǒng)工控機(jī)與控制器指令通信故障，等待超時。

影響程度：一般。

解決措施：檢查TDS 系統(tǒng)監(jiān)控軟件，異常時導(dǎo)致與控制器指令交互問題，檢查工控機(jī)與控制器交互通道。

4）激光器攝像頭臟

具體現(xiàn)象：當(dāng)大霧、大雨、大雪和大風(fēng)等天氣時，激光器外罩極易附著空氣中漂浮顆粒，會導(dǎo)致激光器模糊不能作業(yè)。在使用一定周期后，激光器變臟需處理。

影響程度：嚴(yán)重。

解決措施：參照SOPAS 激光器監(jiān)控軟件對受污染情況分地址查看，當(dāng)百分比小于80% 時，其對應(yīng)角度需要擦拭。定期對TDS 激光器外殼進(jìn)行有規(guī)律擦拭。

5）周圍有障礙物

具體現(xiàn)象：在堆場作業(yè)時，TDS 通過檢測發(fā)現(xiàn)周圍距離小于25 cm，在安全位置內(nèi)。

影響程度：一般。

解決措施：臨時手動進(jìn)行抓放。導(dǎo)致的原因可能是人工放箱或設(shè)備位置偏差，需對人工作業(yè)時進(jìn)行嚴(yán)格要求，檢查小車位置是否準(zhǔn)確，與大車起升位置是否匹配，如有問題需對準(zhǔn)貝位重新標(biāo)定。

6）指令不匹配

具體現(xiàn)象：20 尺、40 尺箱子與吊具對應(yīng)不匹配。

抓放箱層高與實際不匹配。

影響程度：一般。

解決措施：存在吊具卡頓導(dǎo)致無法切換尺寸或箱子信息與指令任務(wù)信息不符。堆場地圖信息不匹配需重新更新地圖。

7）TDS 與控制器通信無心跳

具體現(xiàn)象：具體體現(xiàn)在監(jiān)控軟件中CAN 和以太網(wǎng)通訊故障。

影響程度：嚴(yán)重。

解決措施：需對光轉(zhuǎn)和Hub 進(jìn)行檢查，對各通信端口接線進(jìn)行插拔重連，重啟工控機(jī)。

3 總結(jié)

目標(biāo)檢測系統(tǒng)涉及激光器的信息采集和處理，通過對目標(biāo)信息判斷結(jié)合軌道吊完成作業(yè)任務(wù)。隨著智能化碼頭的發(fā)展，目標(biāo)檢測技術(shù)在不斷發(fā)展成熟。3D 激光識別技術(shù)，通過對周圍物體的立體掃描進(jìn)行環(huán)境識別，其優(yōu)點是可實現(xiàn)實時監(jiān)控，檢測距離精確，判斷位置準(zhǔn)確，受工作環(huán)境影響小。對于目標(biāo)物體以外的無關(guān)物體也可進(jìn)行掃描，可能存在因周圍雜物影響而導(dǎo)致檢測不準(zhǔn)情況發(fā)生。同時，由于對顏色的敏感性問題，對深色集裝箱信息采集困難。過于標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)定使其難以靈活處理復(fù)雜工況。這些都是此類目標(biāo)檢測系統(tǒng)優(yōu)化的方向，通過不斷實踐和完善，目標(biāo)檢測系統(tǒng)對工作環(huán)境適應(yīng)能力會越來越強(qiáng)，使其在港口集裝箱作業(yè)中成為關(guān)鍵核心。

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