桥式抓斗卸船机智能控制系统研究

黄志平，王博强，孟怀锋

（国能常州发电有限公司，江苏 常州 213034）

随着信息时代的到来，设备控制的智能化将成为必然趋势。作为码头卸船的主要器械，当前的桥式抓斗卸船机控制手段自动化程度不高，部分作业还需手动控制，无法适应信息时代的要求，其在卸货时往往存在3个问题：一是司机室对卸货系统不能正常控制；二是副司机室对放货不能准确操控；三是斗门开闭和角度调节尚需人工控制，亟需引入智能控制技术。

1 桥式抓斗卸船机智能技术

（1）自动定位技术。桥式抓斗卸船机传统的定位技术通常是编码器定位，这种方式的误差概率较大，只有配合标定位置程序误差才能降低，但在应用中仍会影响定位的精度，不利于卸船作业效率提高。智能定位技术能有效满足精度方面的要求，甚至能达到毫米或微米级别，定位的准确性相当高，在定位质量和效率上与传统技术形成鲜明对比。

（2）激光自动扫描技术。主要原理是用距离检测飞行时间，即扫描仪射出激光到被扫货物表面光束再反射回扫描仪这一过程所用的时间，再计算扫描仪与反射点之间的距离，利用双轴驱动三维扫描相关货物。桥式抓斗卸船机应采用3D扫描技术，在卸船过程中，3D扫描仪在舱内、舱口自动扫描，测出扫描仪与舱内、舱口货物表面之间的精确距离。百米之内一般都能检测，且扫描频率高、数据更新快，能随着船舶的位置变化瞬时呈现出扫描图像，再通过计算机高速处理扫描信息，进而及时掌握桥式抓斗卸船机的工作情况。

（3）三维图像虚拟成像技术。该技术主要是配合激光自动扫描系统使用，激光扫描数据获得后要传输到船舱内的图形处理器中，主要传输的是各种角度扫描物体收到的距离值。这些数据主要应用于控制系统完成某些控制工作，但应用前需利用三维图像虚拟成像技术对其重构，采用处理软件对舱内物料、甲板和船舱面等虚拟出三维轮廓图形，为保证图像虚拟的精度，再结合扫描数据加以修改和调整。三维图像虚拟成像技术不但能监控扫描仪的工作状态，还能抓取扫描结果的关键信息点，以完善卸船机的智能系统。

（4）定位导航技术。卸船机在卸船时有很大的惯性，为提高工作质量和效率，应对这种惯性加以控制，准确定位抓斗的位置选取抓料点，保证最佳抓料量，这也能防止抓斗出现晃动造成碰撞事故。抓斗定位导航程序的关键是惯性导航，由无限通信和陀螺仪组成，抓斗中的陀螺仪利用接口输出抓斗的海拔和位置，并通过通信技术无线传输至驾驶室无线接收端，进而计算抓斗的精确位置，以得出抓斗的最佳抓取点。

2 智能控制作业方案

（1）检测垂直方向作业范围。自动卸船系统工作时，司机需要确认小车回程的位置点，方法是把抓斗放在煤上标注，再根据船舱的深度确定垂直作业时抓斗的摆动范围。在智能控制中采用激光雷达为传感器检测距离，不用抓斗改变位置就能确定小车回程的位置点。激光雷达是在光波段工作的一种新雷达系统，具有射束窄、单色性好等特点，测距能力相当精确，精度能达到毫米。与普通的毫米波、微波雷达相比，具有波长短、测距精度高、重量轻、体积小等优势，它将激光用来测量回波距离，快速形成距离信息，并将其作为小车的初始回程的位置点，再根据船舱的深度确定垂直方向作业的范围。

（2）检测水平方向作业范围。卸船的传统过程是由驾驶员目测船的仓位，依据抓斗在船舱岸侧内的位置确定X，依据抓斗在船舱海侧内的位置确定Y，并将参数录入系统以确定水平方向抓斗的摆动范围。抓斗通常抓取的货物是单一的，以煤为例说明。作业现场船体和煤炭颜色差异较大，钢板和煤炭的纹理也是不同，基于此，将煤的颜色、纹理通过图像识别存储于计算机。卸船机的前梁装有采集图像的装置，船到岸后利用摄像头采集船和煤的识别图像，计算机再比较图像的纹理和颜色，设定作业区域为纹理和颜色在标准值范围内的部分，以区分船和煤的构造。卸船机工作时，船身要随货重和潮水出现高低变化，结合透视知识，成像时会存在远小近大的问题，所以不能把图像识别当作直接处理依据。码头高度与卸船机高度一定时，通过激光雷达对高度予以确认，并确认出垂直方向的起始坐标，所拍的图像处理时采用网格等分法，若高度出现变化，抓斗涉及的图像面积就相应变化，计算出各工作状态高度，确定抓斗工作范围的空间。全程中伴随着下降的煤层，不断识别水平方向抓斗的范围，并适时进行修正，努力减少船身和抓斗的误碰撞。

（3）智能处理。为了提高卸船效率，防止出现少抓、空抓现象，要让司机凭借经验每次修正小车的起升位置和回程点，这是智能卸船中要解决的难点。作业区确认时要结合计算机识别图像的技术和激光雷达测出的高度值，用数组标记该范围的二维坐标，并标记坐标的具体高度值。另外，利用数学软件将高度垂直方向的信息转为用颜色变化的图像信号，以便监控人员在监控室查看该信息。卸船自动流程启动后，激光雷达精确采集作业高度数据，利用大梁安装的摄像头，确定水平、垂直方向的范围，在作业范围内设大梁下方作原点，建立直角坐标系，其坐标表示采用二维数组；作业区间每个点的垂直高度均由激光雷达获取，该值被记在坐标系的数组里，数组也是作业区域的数字模型，其转为图像颜色才能被监控使用。若从数组选择极大值范围进行作业，抓斗将关闭其上周移向漏斗位置。二次作业时，摄像头和激光雷达重复信息采集操作确定工作范围。

3 卸船作业智能控制改进方案

（1）改进设计。因为司机不能观测卸料辅助系统运行情况，放料操作若要安全须掌握相关实时动态，根据情况在船舱显示屏增加信息和数据提示是较为高效便捷的方法。司机室也要增放卸料装置的24h监控高清屏，保证获取定量定性信息的完整实时。需目测的料斗门开启程度、给料器角度及面板显示的给料器变频频率，是操作辅助机构时司机要用的信息，分别需要转为百分比（100%为全开）、实际度数（最大为10°）、实际频率3个数值，斗门和给料器角度均由电动推杆驱动，由于存在最大最小极限值，所以不用其他测量器件，只要增加传感器即可。结合实际推杆工况，采用直线位移类型传感器应该能满足需求，同时，可增加PLC模拟模块及有关程序，并对船舱源程序进行编辑。至于监控需新增四摄像头，全方位监控地面皮带、料斗范围、机房整体、料斗上部，另外，破拱料斗的船仓壁振动器在司机及副司机室均安装操作按钮，控制主要由非变频器执行，且无法调速，因此不用另加数字设备显示。改进的主要技术是数字化的应用及编程技术的升级。

（2）编程调试。把给料机斗门开合与振动角度调节的轨迹设为传感器最终位置与模拟输入的模型。一是斗门开关。推杆和开闭程度呈线性关系，根据斗门上下2个极限点由传感器测出的模拟值（V上，V下）和开闭程度区间（0，100），确定两点位置（V上，100）、（V下，0），再确定轨迹的偏移及增益，具体开闭程度的计算根据运动区域内任意坐标。二是调节给料机的角度。角度和推杆的关系是非线性的，曲线可看作无数段直线组成，利用测量把0～10°的角度范围分成两部分，就能达到精度要求。0°、10°分别对应着推杆的极限位，利用测量角度仪器将中点5°测量时记下传感器的显示值。设这3个度数时，推杆的传感器显示值分别为 A0、A5、A10，根据(A0，0)、(A5，5)、(A10，10)3点确定2条直线，进而从运动区域内任意坐标算出真实角度。

（3）方案实施

安装硬件。一是安装直线位移传感器，用于开闭斗门、调节给料机角度，将抱箍和角钢分别绑定在给料器角度和漏斗门的推杆上。二是安装监控设备。为让司机便于了解情况，在卸料系统上下部、地面皮带机、机房上都安装摄像头，还要在司机室配备监视器用来回放画面，单独或同时显示4处位置的监控。

调试程序。利用PLC调试，要结合传感器的工况，定好是否取反及取反过程的偏移量，因为算法能按推杆的极限位上下自动调整，传感器的输入值也相应上下校正，即运动轨迹能自动调整和更新，因此，使用中不用定期校正调试。