自动化集装箱轨道起重机的定位原理

王智远 易思炜

科学技术进步和积累到一定程度就会给工业生产和人们的日常生活带来翻天覆地的变化, 集装箱堆场无人化操作技术越来越成熟，已经成为未来集装箱港口的发展趋势。目前在集装箱堆场普遍使用的是轨道式起重机（以下简称轨道吊），而要实现起重机的自动化作业，首先要解决的是起重机的自动定位问题，即一台自动化起重机按照码头物流操作系统（以下简称TOS 系统）发出的指令行进到目标位置并完成指定的作业。

1 位置参照
自动化作业的前提是让控制系统知道目标箱的起点位置、终点位置和起重机当前位置。为此需要为堆区（自动化集装箱码头一般把2 台轨道吊布置在一个堆区中）建立统一的公制三维坐标系。目前普遍做法是把坐标系原点定在海侧或陆侧的大车轨道缓冲器上，如图1 所示。

图1 坐标系原点位置

坐标系中各坐标轴按起重机三大机构运行方向进行定义。其中小车运行方向定义为X 轴，从图2 所示起重机登机侧大车轨道中心线到吊具横向中心线的行程为X 值；大车运行方向定义为Y 轴，坐标原点到吊具纵向中心线的行程为Y 值；起升机构运行方向定义为Z 轴，大车轨道上平面到吊具着箱面的行程为Z 值。

图2 坐标轴定义

2 指令
一般情况下，自动化作业是通过TOS发送指令启动。指令中包含集装箱的源位置和目标位置。
集装箱码头一般用Block（箱区）、Bay或Slot （贝位）、Row（行位）和Tier（层位）来描述一个集装箱的位置。其具体含义如图3 所示。此外，贝位号将随大车行程增大方向而增大（1 号靠近坐标原点）。行号随小车行程增大方向而增大（1 号靠近坐标原点）。假设最大层高为5 层，则层高编号为1 ～ 5（随起升行程增大方向而增大）。

图3 箱位定义

TOS 发出的指令中以贝位编号、行编号和箱高来给出位置信息，起重机控制系统在收到位置信息后需要解算，比如指令中的行号、贝位号就是根据存储在PLC里的数据表被转换为以mm 为单位的坐标值。随后，控制系统将会启动起重机的大车、小车和起升机构。控制系统对位置传感器反馈回来的数值和目标位置进行比较，直到差值为0。这样，控制系统就将吊具大致运行到目标位置上。

3 大车定位
在大车定位过程中，需运用一些技术手段来克服跑偏问题。因为一旦起重机在轨道上处于偏斜状态，同一贝位的集装箱堆放和拾取都会有较大偏差。为此要求起重机在行进过程中能自动进行纠偏。除了海陆两侧装有绝对位置编码器外，还需根据自动化堆场的箱区定义规则，在轨道吊两侧的大车轨道旁间断布置带有射频识别技术（以下简称RFID）功能的FLAG 板（位置标识），FLAG 板需精确布置在集装箱箱位的中心线上，如图4所示。
在轨道吊两侧的大车机构上各安装1 套光电传感器和RFID 读头。传感器被精确安置在起重机的中心线上。当传感器每次经过FLAG 板时，都会送出信号，控制系统在接到信号后会把绝对位置编码器的读值和FALG 板所代表的实际位置进行一次同步，最大程度地保障了绝对位置编码器的可靠性和准确性。
FLAG 板的另一个作用是目标停车位的确认。当大车机构按照绝对位置编码器告知出目标位停车时，海、陆两侧的传感器应都检测到目标位置的FLAG 板并发送信号给控制系统，否则控制系统就会认为出错。这样，就保证了起重机能够准确停在目标贝位。RFID 读头可用来直接读取贝位，从另外一个角度来验证定位的正确性。使用这种技术，大车方向可取得±10 mm 的定位精度。

1. 海侧大车位置标记板 2. 20 英尺集装箱 3. 陆侧大车位置标记板
图4 用FLAG 板来精确定位大车

4 小车定位
堆场在建造完毕后，同一贝位中每个箱位的大小和间隔尺寸理论上是相同的，可以在画图软件中测量出来。但这个纸面上的尺寸并不能被控制系统直接使用，因为结构制造精度、环境温度和小车质量等因素会导致每台机的大梁都有不同的形变。为此需要对ROW 尺寸进行修正。修正的首要前提是让大车机构精确先定位在某一40 英尺贝位内，让吊有40 英尺重箱的吊具分别悬停在不同ROW 位，再记录小车位置传感器的反馈值。计算出理论值和实测值的偏差，并将这些偏差值存储在PLC的数据块中。表1 是一个ROW为10 的箱区的矫正结果。小车的目标位置按照实测的修正值修正后，就能保证小车基本停在正确的ROW 位。

5 吊具定位
由于集装箱的质量不对称、钢丝绳长度偏差和大梁制造误差都会导致集装箱在小车方向（X 轴）、大车方向（Y 轴）、回转方向存在误差。为了准确实现对中，还需要采取技术手段来消除这些误差。为此，需要在小车架上安装一套角位移探头（SPCS 系统）用来探测吊具的实际位置（X 轴和Y 轴方向）和目标位置的偏差。还需在吊具上架上安装一套微动系统作为执行机构来修正偏差。微动机构由4 个电动推杆组成，在大车方向有± 250 mm 的行程的调节能力，在小车方向上有± 200 mm 的行程的调节能力，在回转方向上有± 5 °调节能力。

6 SPSS 系统的配合
SPSS 系统（Stack Profile Scanning System）由4 个安装在小车架下的二维激光探头组成。这个系统的主要作用是位置（X 轴、Y 轴和Z 轴方向）校验，确保作业的安全。虽然位置信息（贝位、行位、层高、吊具尺寸等）由TOS 给出，堆场真实情况是否和TOS 给出的信息一致，靠SPSS 系统的测量来校验。
SPSS 系统测量出同一贝位里所有集装箱高度，反馈的数据和堆场箱区数据库（来自TOS）比较。如果偏差超过100 mm，起重机的自动模式将立即停止。在目标实际高度（Z 轴数值）得到确认的情况下，吊具就能以最大预置速度下降，操作效率极大提高。此外，SPSS 系统还可进行空位确认。由于SPSS探头在X 轴和Y 轴方向的扫描，目标空位能否容纳集装箱得到了确认。
SPSS 系统同时能测量目标集装箱长度，以确保目标集装箱长度和吊具伸缩尺寸的匹配，通过另一个角度来确认指令的正确性。
吊具着箱前，SPSS 还被用来检查邻近2 个集装箱之间的间隙，保证了吊具在着箱时不会碰到周围的集装箱。
当起重机把集装箱放在堆场地面或交换区时，SPSS系统将用来检查地面是否有障碍物。在有集卡（或跨运车）出入的区域这一点十分重要。

7 堆箱精度
1）地面层
堆放精度在 ±50 mm 以内 ( 取决于堆场条件和机器结构误差)，见图5。

图5 地面层集装箱堆放精度

2）集装箱与集装箱之间
2 个集装箱之间的堆放精度为：±30 mm 以内（小车方向）， ±50 mm 以内（大车方向），见图6。

图6 集装箱之间堆放精度

3）整个堆垛
整个堆垛误差值可控制在±100 mm 以内，见图7。

图7 堆垛的堆放精度

8 结语
通过上述分析可知，自动化集装箱起重机定位是通过坐标、指令和位置修正来实现。而FLAG 系统、SPSS 系统、SPCS 系统和MM 微动系统是定位过程中重要的系统。随着技术的发展，定位手段将会越来越多，而定位精度也将会越来越高。