一种无人化抓斗卸船机的制作方法

本发明涉及抓斗卸船机，尤其涉及一种无人化抓斗卸船机。

背景技术：

1、抓斗卸船机作为散料码头重要的卸船设备，目前仍普遍采用半自动与手动相结合的操作模式，智能化、无人化程度较低。在当今全球倡导发展人工智能、智能制造的时代背景下无人化抓斗卸船机的开发已成为行业的发展潮流。此外，司机人工操作控制抓斗卸船机进行卸船作业时，劳动强度大、工作环境差；作业任务的获取、移舱、卸船作业完全依赖人工，作业效率、运行安全等均不能得到很好地保证。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，而提供一种无人化抓斗卸船机，实现散料码头抓斗卸船机的无人化卸船作业，在保证抓斗卸船机自动运行数据处理实时性的基础上，实现作业任务的自动动态跟踪规划与智能实时调度，使卸船机的抓斗在船舱内闭斗取料、抓斗进出船舱、抓斗空中摆动控制及甩斗抛料等卸船作业流程上的高效性、安全性更有保障。无人化抓斗卸船机技术的应用，可以极大程度上减少操作人员数量，降低人力成本。本发明采用的技术手段如下：

2、一种无人化抓斗卸船机，包括抓斗卸船机本体、抓斗卸船机精确定位系统和无人化抓斗卸船机控制系统，

3、所述抓斗卸船机本体用于实现抓斗卸船机常规卸船作业功能，包括小车、大车走行装置、主梁臂架机构、抓斗机构、司机室；

4、所述抓斗卸船机精确定位系统包括机构定位单元、抓斗位姿检测单元14、扫描识别单元以及数据采集单元，所述机构定位单元、抓斗位姿检测单元、扫描识别单元分别与所述数据采集单元通信连接；其中，所述机构定位单元用于小车位置值校准、臂架俯仰角度检测、大车位置值校准以及司机室位置值检测；所述抓斗位姿检测单元用于抓斗运行空间位置及抓斗姿态检测；所述扫描识别单元用于船舶、舱口、物料的实时检测；所述数据采集单元用于接收所述机构定位单元、抓斗位姿检测单元、扫描识别单元采集的数据；

5、所述无人化抓斗卸船机控制系统，包括：机载控制单元、远程控制单元、视频监控管理单元和决策分析单元，各个单元之间的数据传输采用以太网通讯协议；所述机载控制单元设置于抓斗卸船机设备上，用于在所述远程控制单元的控制下驱动抓斗卸船机本体的各机构运行，进行无人化卸船作业；所述远程控制单元设置于中央控制室，用于根据所述视频监控管理单元采集的实时数据以及所述决策分析单元得到的决策向所述机载控制单元发出控制指令，以实现对抓斗卸船机及输料作业线工作状态的远程值守；所述视频监控管理单元用于实现对抓斗卸船机运行的全方位监控；所述决策分析单元内置于中央控制室远程控制柜内的工业计算机中，用于根据所述视频监控管理单元采集的实时数据对无人化抓斗卸船机卸船作业进行决策分析，实现单舱任务规划功能。

6、进一步地，所述抓斗卸船机本体还包括门架机构、塔架机构、给料机构、机房机构，门架机构作为抓斗卸船机主要的支撑结构，在海陆侧门架机构下部设置所述大车走行装置，所述大车走行装置用于抓斗卸船机能够沿码头轨道移动；主梁臂架机构设置于门架机构上方，用于提供抓斗卸船机小车运行所需轨道，使得小车能够在主梁臂架机构上移动；主梁臂架机构的臂架部分能够俯仰抬起；塔架机构位于主梁上方，其上设置有臂架俯仰用钢丝绳滑轮及挂钩装置，用以实现臂架俯仰及俯仰至高点后的挂钩锁定；给料机构设置于门架机构下部，由所述料斗和给料装置组成，通过料斗接收抓斗机构从船舱内所抓取的物料，而后通过给料装置将物料传输至码头地面皮带；机房机构设置于主梁臂架机构后端，其用于驱动抓斗卸船机完成小车、抓斗、臂架俯仰的动作，所述抓斗机构通过钢丝绳悬挂在小车下方，由钢丝绳牵引完成将物料从船舱内抓取至料斗的卸船工艺流程。

7、进一步地，所述机构定位单元通过在小车机构设置激光测距装置进行小车位置值校准，具体地，在臂架前端区域、主小车区域及后大梁区域设置位置校准模块，以实现对主小车位置值进行校准检测，所述位置校准模块包括安装在臂架前端区域的海侧激光测距仪，安装在主小车海侧面的反射板，安装在后大梁区域的陆侧激光测距仪，安装在主小车陆侧面的反射板，其中海侧激光测距仪、陆侧激光测距仪分别采用线性激光测距仪，且海侧激光测距仪和陆侧激光测距仪检测距离不小于80m；

8、在机器房主小车电机处设置位置检测模块，以实现对主小车位置值进行测量，所述位置检测模块包括绝对值编码器，所述绝对值编码器用于对主小车机构电机运行进行实时定位；

9、根据以下公式计算主小车的实时校准检测位置值：

10、l实时＝(lws+0.5*l小车)/(lws+lls)*l臂架-lls

11、其中，以主小车料斗中心停车位作为主小车水平位零位，lws为海侧激光测距仪所检测的主小车海侧面至臂架前端的距离，lls为陆侧激光测距仪所检测的主小车陆侧面至后大梁的距离，l小车为主小车长度，l臂架为臂架前端至后大梁的实际距离；

12、根据以下公式计算主小车的基础位置值：

13、l基础＝a*e编码+b

14、其中，以主小车料斗中心停车位作为主小车水平位零位，e编码为主小车绝对值编码器测量数据，a为绝对值编码器换算数据，b为绝对值编码器换算修正值。

15、进一步地，机构定位单元通过在司机室增加格雷母线编码尺进行司机室位置值检测，具体地，通过司机室定位模块获取司机室的位置值数据，所述司机室定位模块包括设置在臂架主梁下方的编码尺和设置在司机室顶部的u型读码器，其中编码尺设置在u型读码器的u型槽中，u型读码器的两侧分别为红外信号发射端和红外信号接收端，在司机室运行过程中，u型读码器随司机室沿着编码尺移动，过程中读取编码尺于当前位置的定位编码，经以太网协议将定位编码传输至plc控制单元进行换算，得到相应的司机室位置值；

16、通过司机室驱动单元根据司机室定位模块获取的司机室的位置值数据驱动运行司机室，所述司机室驱动单元包括设置在司机室电控柜内的变频器和设置在司机室顶部的驱动电机，其中变频器的输入端连接进线接触器的输出端，进线接触器的输入端连接进线断路器的输出端；变频器的一个输出端连接制动电阻，另一个输出端连接马达启动器的输入端，马达启动器的输出端连接司机室顶部的驱动电机；

17、根据以下公式计算司机室位置值：

18、p司机室＝0.8*e编码+k修正

19、其中，p司机室表示司机室位置值，e编码表示u型读码器所读取的定位编码，k修正表示换算修正值。

20、进一步地，抓斗位姿检测单元通过在司机室平台上设置激光扫描装置和视觉识别装置进行抓斗运行空间位置及抓斗姿态检测，包括：

21、获取由三维激光扫描装置采集的第一抓斗位姿数据，所述三维激光扫描装置设置于司机室平台上；

22、获取由视觉识别装置采集的第二抓斗位姿数据，所述视觉识别装置设置于司机室平台上；

23、以第一抓斗位姿数据为基准，通过第二抓斗位姿数据对第一抓斗位姿数据进行校准，从而生成最终的抓斗位姿数据；

24、根据以下公式计算校准后的抓斗空间位置数据：

25、p定＝p检+k1*(p校-p检)

26、其中，p定为校准后的抓斗空间位置数据，p检为三维激光扫描装置采集的抓斗空间位置数据，p校为视觉识别装置采集的抓斗空间位置数据，k1为空间位置修正系数；

27、根据以下公式计算校准后的抓斗倾倒角度数据：

28、ω倾定＝ω倾检+k2*(ω倾校-ω倾检)

29、其中，ω倾定为校准后的抓斗倾倒角度数据，ω倾检为三维激光扫描装置采集的抓斗倾倒角度数据，ω倾校为视觉识别装置采集的抓斗倾倒角度数据，k2为倾倒角度修正系数；

30、根据以下公式计算校准修正后的抓斗回转角度数据：

31、ω回定＝ω回检+k3*(ω回校-ω回检)

32、其中，ω回定为校准修正后的抓斗回转角度数据，ω回检为检测单元中三维激光扫描装置采集的抓斗回转角度数据，ω回校为视觉识别装置采集的抓斗回转角度数据，k3为回转角度修正系数。

33、进一步地，扫描识别单元通过在司机室平台以及主梁绞点位置设置激光扫描装置进行船舶、舱口、物料的实时检测，包括：

34、通过船舶激光扫描装置进行船舶扫描，所述船舶扫描装置安装在主梁绞点处；

35、通过舱口、物料激光扫描装置进行舱口、物料扫描，所述舱口、物料激光扫描装置安装在司机室平台，所述舱口、物料激光扫描装置具有云台，通过云台的旋转实现对舱口及物料的快速扫描；

36、还包括：根据船舶扫描结果进行船舶防倾斜预警，具体包括：

37、根据以下公式进行船舶横向倾斜预警判定：

38、当ω横倾＝arctan(|(h海-h陆)/(l海-l陆)|)>ω横倾允时，判定船舶发生横向倾斜过大，其中ω横倾为船舶横向倾斜角度值，h海为船舶海侧边沿高度，h陆为船舶陆侧边沿高度，l海为船舶海侧边沿水平位置，l陆为船舶陆侧边沿水平位置，ω横倾允为船舶横向倾斜角度最大允许值；

39、根据以下公式进行船舶纵向倾斜预警判定：

40、当ω纵倾＝arctan(|(h船头-h船尾)/(p船头-p船尾)|)>ω纵倾允时，判定船舶发生纵向倾斜过大，其中ω纵倾为船舶纵向倾斜角度值，h船头为船舶船头高度，h船尾为船舶船尾高度，p船头为船舶船头水平位置，ω纵倾允为船舶纵向倾斜角度最大允许值，p船尾为船舶船尾水平位置；

41、所述扫描识别单元通过在司机室平台以及主梁绞点位置设置激光扫描装置进行船舶、舱口、物料的实时检测，还包括：根据舱口扫描结果进行舱口防碰撞预警，具体包括：

42、根据以下公式计算海陆侧防撞安全距离：s海陆＝a*l抓斗+b，其中s海陆为海陆侧防撞安全距离，a为海陆侧防撞安全系数，l抓斗为抓斗开斗时长度值，b为防撞安全修正值；

43、根据以下公式计算左右侧防撞安全距离：s左右＝a*w抓斗+b，其中s左右为左右侧防撞安全距离，a为左右侧防撞安全系数，w抓斗为抓斗宽度值；

44、将距离舱口海陆侧边沿s海陆范围内的区域划为海陆侧防撞预警区，将距离舱口左右侧边沿s左右范围内的区域划为左右侧防撞预警区，卸船作业中，抓斗进入海陆侧防撞预警区或者左右侧防撞预警区，即发出舱口防撞预警。

45、进一步地，所述机载控制单元，包括：plc处理器、驱动机构、编码器及限位开关；所述plc处理器用于接收编码器及限位开关信号，控制驱动机构完成卸船动作；所述驱动机构用于接收plc处理器指令，并完成相应卸船动作；所述编码器用于测量、计算各驱动机构运行位置；所述限位开关用于检测各运行机构运行状态；

46、所述视频监控管理单元，包括：视频采集单元、控制单元和监控显示单元；

47、所述视频采集单元由布置于抓斗卸船机上各关键位置处的视频监控摄像头所组成，用于抓斗卸船机整机的视频信息采集；

48、所述控制单元设置于抓斗卸船机电气室，包括光纤交换机、硬盘录像机、流媒体服务器和以太网交换机，用于视频采集单元传输数据的接收发送及备份存储，同时依据抓斗卸船机实际运行工况，实现视频监控画面的自动切换、自动调焦和自动跟随；

49、所述监控显示单元分为两部分，一部分为设置于抓斗卸船机司机室的机载监控显示装置，包括液晶显示器及机载操作键盘，用于抓斗卸船机本地操作作业时操作人员进行视频画面监控；另一部分为设置于码头中央控制室远程操作站处的远程监控显示装置，包括液晶显示器及远程操作键盘，用于抓斗卸船机进行无人化远程作业时操作人员进行视频画面监控。

50、所述视频采集单元同控制单元之间的视频数据采用以太网协议经机上光纤进行传输；所述监控显示单元中位于司机室的机载监控显示装置同所述控制单元之间的通讯采用以太网协议经机上光纤进行传输，位于码头中央控制室远程操作站处的远程监控显示装置同所述控制单元之间的通讯采用以太网协议经机上光纤、卷盘光纤、码头固定敷设光纤进行传输。

51、进一步地，所述远程控制单元包括：设置于中央控制室的中央服务器和远程操作台，所述中央服务器用于接收码头生产调度系统的作业指令、机载控制单元的运行数据，并向机载控制单元发出卸船作业指令；所述远程操作台用于人工值守，在无人化抓斗卸船机控制系统出现故障时人工介入，远程操作排除故障；

52、所述无人化抓斗卸船机控制系统还包括：远程运维单元，设置于远程调试调度中心，用于结合所述视频监控管理单元采集的现场数据实现对抓斗卸船机设备的远程调试和远程运维。

53、进一步地，所述无人化抓斗卸船机基于如下方法进行无人化控制：

54、船舶靠港，机载控制单元开始工作，抓斗卸船机无人化卸船作业启动；同时，视频监控管理单元开始工作，对抓斗卸船机运行进行全方位监控；

55、抓斗卸船机臂架扬起；

56、抓斗卸船机沿大车轨道从船头位置向船尾方向运行，对船舶进行扫描；

57、船舶扫描完成后，抓斗卸船机接收远程控制单元发出的舱口调度指令；

58、抓斗卸船机运行至目标作业舱口；

59、抓斗卸船机臂架放下，司机室移动至舱口中心位置；

60、对舱口及舱内物料进行扫描；

61、抓斗移动至舱口上方，抓斗位姿检测功能激活；

62、自动卸船作业开始，抓斗卸船机按决策分析单元给出的决策进行卸船作业；

63、作业过程中，抓斗卸船机实时接收远程控制单元的远程控制指令；

64、在当前舱口作业至需清舱时，由操作人员在中央控制室远程操作将清舱机吊运至船舱内，开始自动清舱作业；

65、清舱完成后，抓斗卸船机无人化卸船作业完成。

66、进一步地，还包括：对抓斗卸船机设备的远程调试和远程运维；包括：

67、所述远程运维单元同所述机载控制单元及所述视频监控管理单元之间建立通讯连接；

68、所述远程运维单元通过发送调度指令，完成信号测试；调试人员通过视频监控管理单元在远程调试调度中心对现场设备安全元件信号进行实时监控；

69、所述远程运维单元发送调度指令，依次完成测试动作；调试人员于远程调试调度中心对现场设备单机构运行状态以及现场设备实际影音环境进行实时监控；

70、所述远程运维单元发送调度指令，现场操作人员进行抓斗卸船机空载测试；调试人员于远程调试调度中心对现场设备空载运行状态以及现场设备实际影音环境进行实时监控；

71、完成抓斗卸船机远程调试及远程运维工作；

72、还包括：数据延时检测，包括：

73、在抓斗卸船机远程调试、远程运维过程中，所述远程运维单元定时依次向机载控制单元及视频监控管理单元发送数据延时检测信号；

74、当所述机载控制单元及所述视频监控管理单元接收到所述数据延时检测信号后，立即向所述远程运维单元发出数据延时检测反馈信号；

75、所述远程运维单元接收到所述机载控制单元及所述视频监控管理单元返回的数据延时检测反馈信号后，对所述数据延时检测信号发出的时间及数据延时检测反馈信号接收的时间进行数据延时时间运算，同时将数据延时时间与阈值进行比较判断远程工程师站数据通讯实时性；

76、抓斗卸船机按决策分析单元给出的决策进行卸船作业，包括：

77、将抓斗卸船机舱内区域的作业区划分为若干个作业单元；

78、在卸船作业开始前，通过抓斗卸船机实时监控作业区内各作业单元的物料堆积情况，并选取初始作业单元；由初始作业单元起，根据第一控制策略、第二控制策略和第三控制策略完成对中央作业区内堆积物料的卸船作业；

79、所述第一控制策略为抓取方向控制策略，包括：向下步进作业，兼顾预防埋斗；所述第二控制策略为小车方向控制策略，包括：海侧和陆侧分别步进作业，兼顾预防埋斗；所述第三控制策略为大车方向控制策略，包括：垄沟式步进作业；

80、控制抓斗到达作业单元后，按照第一控制策略控制，完成一次作业流程，然后根据当前作业单元及周边作业单元的物料堆积情况，判断是否存在埋斗风险：若无埋斗风险，则按照第一控制策略控制，直至当前作业单元已完成卸料，则按照第二控制策略进行控制；若存在埋斗风险，则终止抓斗在当前作业单元点位的向下步进，按照第二控制策略进行控制；

81、控制抓斗沿当前作业单元所在纵列作业组合向海侧步进移动至下一个作业单元，并在下一个作业单元按照第一控制策略控制；若抓斗已到达海侧边沿，则向陆侧步进移动至下一个作业单元；当当前作业单元所在纵列作业组合内所有的作业单元都已完成上述操作后，按照第三控制策略控制；

82、将所有纵列作业组合按顺序编号，然后根据编号的奇偶分为两个小组；控制抓斗由第二控制策略控制最后作业的一个作业单元沿大车运行方向分别步进移动至该作业单元所在纵列作业组合所属小组内其他的纵列作业组合内相应的作业单元，重复第一控制策略控制和第二控制策略控制，直至该小组内所有纵列作业组合内所有的作业单元均完成卸料，然后控制抓斗沿大车运行方向分别步进移动至另一个小组内各纵列作业组合内的作业单元，重复第一控制策略控制和第二控制策略控制，直至作业区内所有的作业单元都已完成卸料，表示卸船作业完成；

83、还包括：对抓斗卸船机及输料作业线的安全连锁控制，包括：料流输送启动和料流输送停止；

84、其中，所述料流输送启动的控制流程包括：

85、接收用户发出的料流输送启动指令；料场设备及转运皮带启动；确认转运站处码头皮带机转运皮带对接正确后，码头皮带启动；确认卸船机给料系统与码头皮带对接正确后，卸船机给料系统启动；料流输送启动完成，卸船输料作业线正式运行；所述料流输送停止的控制流程包括：所述远程控制单元接收到料流输送停止指令；卸船机给料系统停止向码头皮带给料；码头皮带停止运行；转运皮带机料场设备停止运行；料流输送停止完成，卸船输料作业线停止运行。

86、本发明提供的一种无人化抓斗卸船机，在保证抓斗卸船机自动运行数据处理实时性的基础上，实现作业任务的自动动态跟踪规划与智能实时调度，使卸船机的抓斗在船舱内闭斗取料、抓斗进出船舱、抓斗空中摆动控制及甩斗抛料等卸船作业流程上的高效性、安全性更有保障，安全性更高，高效可靠。无人化抓斗卸船机控制系统技术的应用，可以极大程度上减少操作人员数量，智能化程度高，节约人工成本。在抓斗卸船机各机构通过编码器定位这种常规定位方案的基础上，通过增加格雷母线、rfid装置、激光测距装置等创新定位方案，强化抓斗卸船机各机构定位的准确性。同时设置抓斗位姿检测装置，通过激光扫描加视觉识别这种冗余扫描识别方案，增加对抓斗位置及姿态的实时检测功能。此外增加扫描识别装置，实现对船舶、舱口、物料的实时检测。本技术在强化抓斗卸船机自身各机构定位准确可靠的基础上，创造性的增加了对抓斗、船舶、舱口、物料的状态检测，为无人化抓斗卸船机技术的实现创造了底层硬件基础。