摘要

为提高堆场叠箱质量，对远控自动化轮胎式场桥的叠箱方式进行优化，对比单点激光测距、二维激光扫描测距、视觉传感器与三维激光扫描等方案在进行叠箱作业时的利弊，分析其误差来源和问题解决思路，为传统码头轮胎式场桥自动化改造在优化叠箱质量、提升叠箱精度方面提供一定的借鉴经验。

0  引言

近年来，我国沿海港口正加快建设交通强国、航运强国，同时5G通信、北斗定位、工业互联网等新兴科技为众多行业带来了数字化和智能化机遇。随着智能航运快速发展，自动化、智能化成为集装箱码头发展的必然趋势，无人场桥、无人岸桥、无人集卡、自动导引车等在实践中得到有效应用，商业化潜力巨大，也进一步促进了新建码头的自动化和传统码头的智能化改造。集装箱堆场作业的智能化解决方案成为行业关注热点，自动叠箱技术应运而生。该技术打破传统轮胎式场桥司机目视吊具进行叠箱作业的方式，通过各种传感器获取叠箱对位信息，能够在无人干涉的情况下安全、高效地完成叠箱作业。

1 自动化轮胎式场桥叠箱技术现状

目前，自动叠箱作业通常有多套检测系统共同判断叠箱位置。自动叠箱作业流程：小车自动定位到相应的列，在起升机构自动下降的同时目标检测系统开始工作并将检测到的数据反馈给LACCS，LACCS通过调节微动上架将集装箱的姿态和位置调节到与目标箱位一致，当起升机构下降到距下方集装箱一定高度时，视觉目标检测系统开始工作，对吊具和目标箱的相对位置进行复核并再次调整目标。当检测系统检测到吊具和集装箱的相对位置同时在允许的叠箱相对位置范围内后，吊具开始自动慢速下降并进行着箱；当着箱后系统检测到叠箱偏差，若叠箱偏差在范围内，则吊具自动开锁，完成自动放箱动作，若叠箱偏差不在范围内，则吊具自动起升重试；当重试3次都不合格时，系统自动转手动叠箱；当系统检测到调整范围超过吊具微动的调整范围或调整超过预定时间时，系统自动转成手动叠箱。自动叠箱的误差要求一般为每层小于30 mm。

2 叠箱对位技术方案

轮胎式场桥自动叠箱的关键点在于上下箱对位足够精确。自动叠箱作业需要先扫描并分析出待叠箱位，再控制吊具将待叠箱准确放入。对位如果出现偏差，将导致叠箱偏差过大，易造成倒箱安全隐患。

2.1 位置测算方式

20英尺、40英尺集装箱普箱高度为2 591 mm，高箱高度为2 896 mm。叠箱尺寸计算逻辑见图1，其中：H为集装箱箱高尺寸，mm；L为各类传感器在吊具上的安装高度（与吊具底部之间的距离）尺寸，mm；M为当前箱进入叠箱对位范围时与目标箱之间的距离，mm。

2.1.1 单点激光测距

单点激光测距传感器布置在吊具四周，可以越过吊具吊住的集装箱，扫描下方的信息。吊具单点激光测距传感器安装点位见图2。

若单点激光测距传感器返回的结果（D1）满足H+L≤D1≤H+L+M，说明在吊具外边沿的传感器下方D距离处有箱子，即没有对准，系统应该向该单点激光传感器的反方向调整吊具位置。

若吊具周围的几个单点激光测距传感器返回的结果（D2）满足D2≥H+L+M，说明对位准确，可以放箱。

2.1.2  二维激光扫描测距

二维激光扫描测距传感器一般和单点激光测距传感器组成冗余方案，激光扫描面垂直于安装面，可以越过吊具吊住的集装箱，扫描出下方目标箱的外侧轮廓，更好地分析吊具箱与目标箱之间的位置信息。当吊具两侧二维激光扫描出来的距离正常且两侧轮廓较为对称时，说明对位准确，可以放箱。吊具二维激光扫描测距传感器安装点位见图3。

2.1.3 视觉传感器

视觉传感器一般用于校验方案，安装在吊具四角，垂直向下采集目标箱的箱孔信息，可以越过吊具吊住的集装箱，直接看到目标箱的四角箱孔。系统通过AI服务器处理分析箱孔特征，定位箱孔在图像中的相对位置，进而转换为与吊具之间的相对位置关系，确认对位的准确性。吊具视觉传感器安装点位见图4。

2.1.4 激光三角测量

激光三角测量法利用激光器发射出1个光面，光面投影到待测物体表面，配合特殊的CCD感光元件，可以检测出物体的三维轮廓。其利用激光的准直性结合激光感光元件，通过采集激光光斑在吊装箱和目标箱上的投影分析实时的对位状态。线三角测量法原理见图5。

2.1.5 三维激光扫描

三维激光扫描云台主要通过扫描小车下方的三维堆区信息，分析出小车与目标箱之间的相对位置关系，再实时扫描吊装箱的位置，反馈系统向目标箱位调整对位。整个方案基于目标箱和云台架设位置的相对位置稳定不变，但三维扫描堆箱时很容易被吊具遮挡，所以三维激光扫描云台的安装位置在很大程度上决定了三维扫描定位的效果。

2.2 吊具微动机构的微调

在自动叠箱作业中，远控自动化轮胎式场桥在获得目标箱位后或实时对位时，一般通过小车自身移动去进行对位，但小车的停车控制精度不稳定，往往在吊具下降后系统发现对位不准。若此时吊具上架具有微动机构，就可以在起升机构下降到足够高度时实时反馈与目标箱的位置偏差，通过吊具微动机构来微调小车方向或大车方向的偏移，以更好地对准目标箱位。

3 叠箱误差来源分析

自动叠箱作业系统的误差来源主要分为2类：一是用来定位目标箱的各类传感器导致的定位误差；二是机械误差或外界环境因素干扰造成的误差。

3.1 传感器导致的定位误差

上述各类定位技术方案均存在硬件本身的误差，进而影响最终叠箱对位的精度。例如，二维激光扫描测距由于其出射扇面垂直于吊装箱和目标箱的侧面，假设传感器安装在吊具上的位置与吊装箱侧面的垂直距离为50 mm，则实际投射到下方目标箱位的角度α极小，为

由式（1）可见，L取决于吊具上传感器的安装位置，H是客观箱高，M是判断距离。安装位置越好，对激光分辨率的效果越有利，但安装位置是无法向外过分延长的，否则吊具容易与其他箱发生刮擦。当L=200 mm，H取2 438 mm，M取400 mm，α≈2.96°，一般理想分辨率为0.166 7°时，则落在目标箱上的点数N=2.96°÷0.166 7°≈17。

二维激光扫描测距方式利用17个点拟合目标箱直线，并去除一些低反射率导致的噪声，其结果已经较为粗糙，可靠性略低。如果将二维激光扫描测距当成单点激光测距来使用，只通过检测垂直方向上有无目标箱来判断目标箱是否处于叠箱的包含外框范围内，则不必考虑其分辨率和安装位置的平衡，此时二维激光扫描测距也完全失去意义。

视觉传感器主要的误差来源于箱孔本身的质量和AI算法的适用性，箱孔质量与算法适用性成正相关，算法适用性与箱孔质量要求成负相关。集装箱越新，变形、变色等情况越少，箱孔特征越稳定，AI算法的适用性越好，则越能兼容质量、特征参差不齐的箱孔定位。基于三角测量的定位方案，与二维激光扫描情况类似，落在目标箱上的信息太少而容易引起定位误差。从原理上来说，三维激光扫描速度越慢，耗时越长，精度越高，但实时性越差，因而为了满足实时性的需求，往往扫描精度会下降，最终影响定位的精度。

3.2 机械误差和外界环境因素造成的误差

除传感器等元器件本身的系统误差或方案决定的使用误差外，叠箱的质量也取决于吊具本身的机械结构。叠箱的定位精确度不仅依赖于吊具上安装的传感器与目标箱的相对位置，也取决于被吊具吊住的集装箱与吊具之间的相对位置。一旦吊具存在变形，将出现传感器在吊具上的安装位置出现偏移或传感器无法垂直向下扫描等问题。另一方面，当吊具旋锁、吊装箱存在变形导致吊具对位准确而吊装箱不准确时，也很难实现高精度的叠箱作业。

此外，环境因素也是影响叠箱质量的重要原因。例如，当室外环境有自然风时，吊具下降高度越低，吊具受风力影响摆动就会越明显，叠箱时吊装箱就会随机摆动，导致叠箱质量不高。

总之，叠箱的误差来源于传感器本身、机械结构原因和外力干扰，具有微动功能的吊具可以通过一些运动轨迹捕捉，去实时且灵敏地进行微动调节，从而消除摇摆或是预测运动轨迹。

 4叠箱质量优化方向

针对自动叠箱作业系统中的各类误差来源，一方面传感器的精度和可靠性本身决定了扫描数据的精度和准确性，另一方面机械误差除了定期的全面保养维护外，没有太有效的优化办法。在此主要论述如何针对环境干扰进行一些误差削弱或消除。

例如，在环境风的情况下，吊具会进行一定幅度的摆动或扭动，就需要通过收集吊具位姿的信息来分析吊具的摆动或扭动情况，再对吊具的实时变化进行运动轨迹预测，以“抛物线”的形式“甩”入目标箱位。

吊具位姿检测系统通过在吊具上安装红外标志灯，利用红外感光的CCD去采集红外标志灯的图像，根据灯在图像中的实时位置计算出吊具在大车和小车方向相对于标定位置的平移、角度偏转。CCD一般帧率可达到35~50 Hz，这里采用35 Hz进行运动轨迹跟踪。

对“四绳”场桥的吊具来说，其模型与单摆不同但应力运动的特性相似，一旦受到外力干扰，很容易产生摆动，且吊具下降越低，绳长越长，越容易摆动。在叠箱作业过程中，正是这样的动态摆动导致叠箱对位不准，吊具容易摆动到安全范围之外。根据单摆的原理，吊具运动轨迹一定也是一个连续的非线性轨迹，以单摆的运动周期公式来做定性分析，吊具单摆运动周期计算公式为

式中：T与M成正比，T为吊具单摆运动周期，s；M为吊具绳长，m；g为重力加速度，g=9.8 m/s2。堆场一般最高层高为5层，约14.48 m；叠箱从第2层开始，高度约为2.896 m，因此3.41 s≤T≤7.63 s。

CCD的采集周期τ=1/35 s，吊具单摆运动周期远远大于CCD的采集周期。CCD采集频率越高，则采集的吊具运动拟合轨迹的连续性越好。也就是说，CCD的采样频率是可以体现吊具的连续运动规律的。系统通过吊具位姿检测系统跟踪吊具的非线性连续运动轨迹，可以实时反馈给LACCS，控制吊具上架微动结构进行高频高速的适应调整，如果配合AI服务器，并收集大量在外力扰动下的吊具摆动数据，也可以实现运动轨迹的预测。

 5结语

通过重点分析远控自动化轮胎式场桥叠箱的一些常用方案，并剖析各类方案中的误差原因，从而得出在叠箱实际应用中误差影响最大的因素是外力干扰下吊具的动态波动，提出通过跟踪吊具的摆动扭动变化，拟合出其连续且非线性的运动轨迹，并实时调整吊具上架的微动机构，减弱外力干扰带来的动态波动。远控自动化轮胎式场桥如果没有吊具上架的微动机构，则只能通过预测吊具的运动轨迹来找好叠箱落箱的时机，保证叠箱的一次成功率和精度。