Development of a positioning system for a container handling system

Abstract

The objective of this master's thesis was to research and develop methods for a container positioning system of a container crane. The positioning system would consist of two parts. The first part is the positioning of the containers on the container yard in respect to the crane. The second part is the positioning of the spreader device in respect to the crane. With these two measurements combined, it would he possible for the spreader to automatically or semi-automatically pick up and place containers.

The work starts with a technical overview of today's container handling systems. There are many fully functional container terminals in the world which use automatic container handling systems. Some of these are specifically engineered not to require delicate position measurement - they rely on a highly rigid construction of the crane to pick up and place the containers securely on top of each other without any feedback of their actual position. However, demand is growing for more cost-effective ways of building an automatic container crane. This would mean using a standard container crane as a basis, and implementing the automation as an add-in component.

Many measurement methods were researched. Recommendations for optimal solutions were gathered for both positioning subsystems. Further investigation was conducted especially with machine vision and laser measurement devices. Theory and physics behind these methods are explained in a depth necessary for understanding the chosen methods and the designed prototype systems.

For the spreader positioning part, a system based on machine vision and active infrared beacons is proposed. The active beacons are designed to be placed on the spreader, and the camera to the crane. For the container positioning a laser scanner based system is designed, in which the natural movement of the crane is used to obtain the third dimension for the measurements.

Prototype systems were tested and the results regarded as promising. The experienced accuracy of the whole system met with the expected level, and the proposed system is cheaper to build than existing solutions. Also, the system introduces some redundancy, as it will remain in limited operation even in a case of sensor failure.

Tämän työn tavoitteena oli tutkia ja kehittää menetelmiä konttinosturin paikannusjärjestelmään. Paikannuksella tarkoitetaan tässä yhteydessä konttien automaattista paikannusta konttipihalta ja nostoelimen paikannusta nosturin vaunuun nähden. Näiden kahden paikannustehtävän yhteistyöllä voidaan mahdollistaa automaattinen konttiin tarttuminen ja kontin laskeminen konttipihalla toisen kontin päälle. Työn tavoitteena oli suunnitella ratkaisuehdotukset kumpaankin näistä ja rakentaa prototyyppilaitteistot kehitettyjen mittausmenetelmien testausta ja arviointia varten.

Työn ensimmäisessä osuudessa perehdytään tekniikan tasoon konttinostureissa ja erityisesti nosturiautomaatiossa. Maailmalla on toiminnassa automaattisia konttisatamia, joissa on käytössä hyvin erilaisia menetelmiä konttien paikoittamiseen. Jotkin järjestelmät toimivat kokonaan ilman matalan tason takaisinkytkentää. Ne on jouduttu suunnittelemaan niin jäykäksi, että nosturin vaunun paikoittaminen tarkasti riittää myös nostoelimen paikoittamiseen. Tätä ei kuitenkaan nykyään pidetä kustannustehokkaana lähestymistapana, vaan haluttaisiin mieluummin tavalliseen konttinosturiin lisälaitteena asennettava avustetun tai täysin automaattisen kontinkäsittelyn mahdollistava mittalaitteisto.

Teknisessä tutkimuksessa selvitettiin molempiin tarkoituksiin sopivimmat menetelmät. Konttien paikantamiseen sopivimmaksi menetelmäksi valittiin viuhkatyyppinen laseretäisyysmittari eli laserskanneri. Nostoelimen paikantamiseen puolestaan valittiin konenäköjärjestelmä. Molemmista suunniteltiin ja rakennettiin prototyypit. Laserskannerijärjestelmän suunnittelussa keskityttiin skannerien paikan ja asennon optimointiin sekä mittadatan käsittelyyn. Käsittelyä varten kehitettiin oma ohjelmisto. Konenäköjärjestelmän suunnittelussa keskityttiin parhaan mahdollisen optiikan, kennon ja valaistuksen valintaan, jonka jälkeen kehitettiin tarkoitukseen sopivia mahdollisimman luotettavia algoritmeja.

Työn tuloksena syntyi kaksi toimivaa testijärjestelmää, joilla kummallakin tehtiin koemittauksia toimivuuden selvittämiseksi käytännössä. Tulokset olivat lupaavia ja tekniset ratkaisut perinteisiä toteutustapoja kustannustehokkaampia. Lisäksi ne sallivat perinteisiä ratkaisuja enemmän anturien vikaantumista kokonaisjärjestelmän lamaantumatta.