联诚典型应用之海岸吊拖车自动对位系统应用

一 概述
1．前言
物流是现代社会发展最快的行业之一，如何实现高效、无故障的物流运输已经成为整个物流行业发展的迫切需要。集装箱运输码头作为国际货运最主要的手段之一，如何提高集装箱运输效率已成为全球各港口非常关心的问题。
2．问题的提出
据统计，目前国际上大港口集装箱运输平均效率为25-27次/小时，对于HIT、YICT等自动化程度高、配套设施齐全的港口，操作效率最高可达到35次/小时，平均操作效率为32-33次/小时。随着国际货运总量的急剧增长，对集装箱码头运输效率提出了更高的要求。
海岸吊车是港口集装箱运输的主要设备，它的主要作用是将各种规格不等的集装箱从货船上吊装到集装箱货车上，或者将集装箱货车上的集装箱吊装到货船上指定位置。目前货车对位主要采用人工对位方式，即有专人站在车道上，对某类型货车或海岸吊某位置进行标准对位，在确定的标准位置摆放标志杆，在货柜长度和岸吊位置不变的情况下，以此标志杆来进行集装箱对位。但是，当海岸吊的位置发生变化，或者货柜长度发生变化时，需要重新进行标准对位，导致岸吊操作效率很低。
3．现存的解决方案
针对港口货车对位存在的问题，已经有几种解决方案，以下做简单说明：
(1)3D扫描方案
利用3D扫描头将货柜的立体形状扫描后处理，判断货柜位置，控制货车停到准确位置，优点：不管岸吊位置如何变化，或货柜大小发生变化，扫描系统都可以自动检测新的位置，无需人为参与；缺点：一套系统至少需要3个扫描头一起工作，但3D的扫描头价格昂贵，不适合大量安装。
(2)雪糕筒方案
利用安装在车道一侧一个小车的光线发生器发出一束光线，小车通过光线的反射与否，控制货车停到准确位置；优点：价格低廉，对位精度高；缺点：岸吊位置或货柜大小发生变化，就需要重新确定一次标准中点，影响工作效率。
(3)激光线扫描方案
采用2D扫描头，在一定高度对货柜进行切面扫描，以此判断货柜位置，控制货车停到准确位置；优点：不管岸吊位置如何变化，或货柜大小发生变化，扫描系统都可以自动检测新的位置，无需人为参与，价格适中；缺点：对不同车道的扫描时，需要人工切换。
二 测量原理
1．激光线扫描测量原理


激光扫描头工作时，在如上图的范围内每隔0.25度发射一条光线，并接收光线的反射信息，每扫描一轮，就将这一轮的反射信息创建一组以扫描头为原点的直角坐标，并将该坐标信息发送给控制器；控制器接收并处理这些数据后，就可以控制货车停到正确位置了。

三 系统结构
1．数据采集与传输
激光扫描头与扫描控制器之间通过高速RS422通讯实现连接，通讯速率达到115.2kbps。
激光扫描头每隔0.25度发射一条光线，并接收光线的反射结果计算出一个坐标点，如此每个扫描周期可以得到400个坐标点，如果将这些点放在一个合适的直角坐标系中，我们就可以看到一个货柜车的近似形状，可以看到货柜的顶点，车头等，控制器可以将这些关键点提取出来用以计算。
2．数据处理、分析与控制
扫描控制器接收激光扫描头发送的信息后，经过控制器内置的坐标系转换算法、数据滤波处理算法等将这些数据信息转换为一幅关于货车切面的图形以及货车关于参考位置的距离，和预先设定的货车停车距离进行比较，判断货车位置。
3．系统控制
由于激光扫描器每次扫描的结果都会有一定的误差，因此控制器接收激光扫描器数据计算出的结果并不能直接作为控制输出，必须送到PLC进行累计消除误差，同时PLC还要判断货柜车是否已接近停止点，已控制指示灯的闪烁，令司机可以提前减速停车。
4．操作与显示
最终的结果会显示到安装在岸吊上的指示灯上，指示灯通过亮灭不同的方向灯，告诉货车司机如何控制货车停到正确位置，通过方向灯的闪烁，告诉司机货车离正确位置的距离。
四 功能实现


通过安装在岸吊上的激光测量装置不断测量货柜车的位置信息并实时发送给位置控制器分析，通过控制器内置的控制软件计算货柜车当前位置，同时控制信号灯的亮灭，货柜车司机通过观察信号灯的信号，实现在无人指挥的情况下自行定位货柜车，提高货柜车定位效率。
1．相关硬件
(1) 激光扫描器：安装在海岸吊距离地面约20米的高度，水平安装，根据水平滑动轨道将扫描器移动到货车所在车道后，对货车位置进行连续扫描。扫描器特点：户外安装，防护等级IP67；测量精度高达0.25级。

图2 激光扫描器
(2) 扫描控制器：安装在海岸吊的控制柜中，主要特点：一次可连接2台激光扫描器同时工作；内置的运算和控制功能，自动计算出货车所在位置；一定数量的输入输出接口，直接和外围的控制系统连接，可指导海岸吊的对位。

图3 扫描控制器
软件结构介绍：
数据处理与控制，由C＋＋编写，程序可分为主程序模块、数据处理模块、数字量输出模块、模拟量输出模块；系统工作时，主程序模块先通过通讯将激光扫描头数据采集回来并存储，调用数据处理模块分析数据，计算出货柜车的长度和当前位置，再调用数字量输出模块和模拟量输出模块将结果输出，
软件可实现的功能：
1、定位一个车道上单个20ft的货柜；
2、定位一个车道上单个40ft的货柜；
3、定位一个车道上单个45ft的货柜；
4、定位一个车道上单个48ft的货柜；
5、定位一个车道上两个20ft的货柜（指在同一货柜车上的两个20ft货柜）；
6、分辨同一货柜车上的两个20ft货柜，并定位距货柜车驾驶室较近的20ft货柜。
7、定位一个车道上两个20ft的货柜时，将计算两个货柜总长度。
控制流程
这里以图1三车道举例说明，当货柜车进入第三车道,检验员会将安装在检验员室内的扫描控制开关切换到三号车道，这个信号被送到PLC，PLC依靠此信息令处于三车道的3号激光扫描头进入工作状态，此时3号激光扫描头就开始不断将它扫描到的信息传送到控制器进行处理，控制器处理完相关信息后，控制指示灯的亮灭，货柜车司机则通过观察指示灯的亮灭来控制货柜车的进退，最终将货柜车停到正确的位置。

五 使用效果


六 成功应用实例
1．香港HIT码头
HIT在码头14号安装了该套系统，系统共使用了两套激光扫描器。
2．深圳YICT码头
YICT在码头21号岸吊安装了该套系统，系统共使用了六个激光扫描器，以下是现场设备的图例：

图4 控制柜内

图5 激光扫描头

图6 每个车道上方都安装有一个激光扫描头

图7 方向指示灯