CN100545675C - 用于系泊机器人的激光扫描 - Google Patents

Abstract

一种用于在船只的轮廓上定位靶区域的轮廓扫描仪，包括适于渐进地或瞬时向该船只辐射的发射器；提供指示在其上入射的辐射的信号的接收器；包括所存储的指令的控制器或处理器，用于激励发射器并接收所述信号，且适于确定靶区域相对于扫描仪的垂直位置。

Description

用于系泊机器人的激光扫描

技术领域

本发明涉及用于定位船只的附着区域的轮廓扫描，所述附着区域用于在船上附着系泊机器人。

背景技术

在本技术领域内已经知道为了装载和卸载，用传统的手工处理过程帮助船只入坞的不同系统。例如，日本专利公开No.2000292540描述了提供此类器件的一种系统，其能够以具有相对简单构造的低成本通过自动检测船只来测量船只的停泊速度。安装在码头的激光传感器被安置在用来控制传感器的方向的转盘上，并且在扫描的时候，在激光束轴向移动范围中转盘沿垂直方向改变传感器的角度，激光束轴向移动范围在沿其在满潮时可以检测船只的位置的激光束照射轴和沿其在低潮时可以检测船只的位置的另一激光束照射轴之间，使得传感器能够通过改变传感器的激光束照射轴来检测船只，甚至是在船只的位置沿垂直方向改变的时候。然后，通过固定激光束照射轴在传感器检测船只的位置来测量船只的停泊速度。当测量被忽略，而船只横靠在码头时，通过再次移动传感器可以检测到船只的位置。

在另一例子中，美国专利公开No.6023665描述了使用激光脉冲得到远处目标的轮廓来检测、识别和使飞行器入坞的系统。该系统最初扫描门前面的区域，直到定位并识别了目标。一旦该目标的身份已知，该系统就追踪此目标。通过使用来自轮廓的信息，该系统能够实时显示飞机的类型、离停靠点的距离和飞机侧面位置。

在另一例子中，日本专利公开No.4303706描述了无需接触并且不费力地检测船的位置的系统，船的位置会因为潮起潮落和船的卸载工作中大量材料的卸载量而实时地改变。激光测距仪被附着在货物搬运装备上，如卸载机。光束用于朝正在靠近码头的船上下扫描。在距离的测量结果中，指示最短距离的值成为到船舷侧的拐角部分(cornerpart)的距离。因此，相对于货物搬运装备的船的水平距离和垂直距离能够基于光束的该距离和上下角度进行计算。当将水平距离和垂直距离作为工作数据来控制货物搬运装备时，该装备能够工作，使得货物搬运装备尖端的刮削部分(scrapping part)等不会撞击船的底端。

在另一例子中，美国专利公开No.3594716描述了一种系统，在该系统中船只入坞系统使用发射和接收换能器来产生指示沿特定船的轴的速度分量的多普勒频移信号(Doppler frequency shifted signal)。该信号被转换成数字形式，并被处理以产生沿所感测的轴的速度和方向信息。此速度信息被校正，以补偿海洋介质的声传播特征的变化。

在另一例子中，美国专利公开No.3690767描述了大型远洋船只的入坞系统，其包含激光脉冲范围雷达系统、回射器、接收和发射光学器件，该雷达系统具有激光发射器和接收器。两个这样的系统布置在船坞上。回射器布置在船首和船尾。这些激光系统共享时间间隔计、计算机和显示面板。随着船靠近船坞时，激光追踪回射器，测量被发射和接收的脉冲之间的时间间隔。进行计算，并且正在靠近的船只的速度、其离船坞的距离和船只相对于船坞的位置被连续地显示。然后将该信息发给船长。

在另一例子中，美国专利公开No.3707717描述了已经提供的这样一种系统，其用于生成相对于靠近入坞位置过程中的船舶的停泊速度曲线的校正命令信号。包括雷达收发器的多普勒雷达系统在入坞位置和船舶之间投射信号，并相应地生成指示船舶速度和其的相对位移的多普勒移频信号。其中存储有指示预期初始停泊条件的预设初始计数的雷达计数器，通过根据多普勒频移从初始计数向下计数来与该频移信号对应。包括用于根据实际条件更新雷达计数器的器件，并且所述器件包括声波检测器，其周期性地在船舶和入坞位置之间投射声波信号，并且相应地生成与所反射的声波能量相对应的校正的计数信号，指示船舶到入坞位置的实际距离。利用周期性地想雷达计数器传送所校正的计数信号的器件，来校正实际和预设初始条件之间的误差。速度曲线生成器对雷达计数器的输出作出响应，并生成编程的所期望的停泊速度曲线，比较仪对速度曲线生成器和计数器作出响应，从而生成指示实际和所期望的船舶停泊曲线之间的任何差异的命令信号。

在另一例子中，美国专利公开No.3754247描述了显示装置，其用来显示船、表示想要的停泊处的线和指示器，所述指示器与停泊标记线的分隔表示船的相关部分的接近速度(closing rate)偏离了由函数生成器确定的值，该函数生成器从表示船的该部分离停泊处的距离的信号生成最优函数。

在另一例子中，美国专利公开No.4340936描述包括微处理器的导航系统，所述微处理器具有外围存储设备并由只读存储器编程，该系统包括用来测量变量参数的传感器，和用来插入已知固定值的拇指开关，以及由此类参数和数据计算最优航行所需的读出数据的微处理器，最优航行考虑了风压差、当前设置和漂流这些因素，该系统具有随着开关被顺序选中时选择显示哪些数据的开关，这些所显示的数据被附加用来唯一标识每个显示的数值的α标记。

在另一例子中，美国专利公开No.5274378描述了相对速度指示器系统，用来协助船只入坞，使用雷达传感器以提供指示船与参照物(例如船坞)之间的相对速度的相对速度信号。与该雷达传感器相关联的无线发射器接收所述相对速度信号并发射指示所述相对速度信号的信号。由船长携带的便携式接收器和指示器单元具有用于接收发射信号的接收器和被安排接收来自所述接收器的指示所发射信号并由此指示相对速度信号的接收器信号，来指示船与参照物之间的相对速度。

在另一例子中，美国专利公开No.5432515描述了入坞信息系统，用来协助船只入坞，使用传感器提供指示船和参照物之间关系的信息，该参照物例如是船坞、海岸线、河岸、码头、河湾(bends)和入坞区域。计算机整理这些信息。与该计算机相关的无线发射机发射指示这些信息的信号。由船长携带的便携式接收器和指示器具有接收发射信号的接收器和显示信息的指示器屏幕。该远端的接收器还包括在船上和海岸上的固定监视器、船上用来和计算机通信以及与基于海岸的通信系统连接的电话链路通信的电话。

在另一例子中的美国专利公开No.5969665中，一种改进的方法和装置提供了通过确定和显示危险的相对行进区域(relative coursezone)来对操船进行的控制，其中船只速度矢量的末端不应该为了躲避目标的操纵策略和/或避免碰撞的操纵而定位，应该为了追击目标和/或拦截的操纵策略而定位。该装置包含目标布置计算器(evaluator)、控制系统、危险标准设置系统、初始数据处理器、至少一个显示器和危险的相对行进区域限定器，该限定器包括界面信号分发器、逻辑处理器、信号分发器和数据处理系统，数据处理系统包含三角函数处理器、加法器、乘除装置和数据处理器。危险的相对行进区域显示在至少一个指示器上，证实操作员可能评估接近危险位置，并立即选择用于预防碰撞操纵的反碰撞操纵，和/或选择用于执行指定船只操纵策略的最优操纵。

在另一例子中的美国专利公开No.6677889的例子中，提供了能自动将船入坞的自动入坞系统。该自动入坞系统提供了雷达系统的关闭和受入坞处理器控制的二级推进系统(secondary propulsionsystem)。

在另一例子中，日本专利公开No.60-187873描述了通过基于电视摄像机所获得的靶目标与设置在船上的激光距离测量设备的视频和距离来执行入坞操作，从而在横靠码头的船所需的操作中可以实现自动和省力的系统。信号处理器处理电视摄像机采集的靶目标的视频信号及其距离信号，该距离信号根据事先存储的用于分析靶目标和船之间位置关系的程序、利用激光距离测量设备来测量，这使得可以实时精确确定靶目标。当该信号处理器输出用于操作系泊设备(如绞盘)的信号时，该信号处理器还基于靶目标和船之间的位置关系来输出一个入坞命令。

在另一例子中，美国专利公开No.4063240描述了一种在入坞操作期间利用感觉子系统的多样导出并显示入坞参数的电子入坞系统。显示的参数包括在入坞操纵过程中的船首和船尾速度、与码头垂直和平行的船速度以及相对于码头的船只方位。这些参数通过传感器采集的数据导出，这些传感器包括仅接收单脉冲的和仅接收多普勒的系统，该系统由船上灯塔天线辐射的信号确定船上所选参照位置的角度位置和表示船速的具有一定频率的信号。利用能够确定精确到一英尺的范围的基带脉冲雷达系统可以完成范围测量。在船只和基于海岸的系统之间的遥测链路提供了同时显示船上和陆上数据并传递来自码头所有者的入坞命令给入坞领航员的器件。

因此本发明的一个目的是提供一种扫描系统，用来克服现有技术中的缺点，或者至少提供给公众一个有用的选择。

发明内容

在第一个方面，本发明存在于用来在船只的轮廓上定位靶区域的轮廓扫描仪中，其包括：

适于渐进地或瞬时向所述船只辐射的发射器；

提供指示在其上入射的辐射的信号的接收器；

包括所存储的指令控制器或处理器，用来激励所述发射器并接收所述信号，且适于确定所述靶区域相对于扫描仪的垂直位置。

优选地，根据所述靶区域定位相关联的系泊机器人或其它船只的锚泊系统。

优选地，上述系泊机器人包括附着垫，以适于接合到所述区域。

在另一方面，本发明存在于如上文所述的轮廓扫描仪中，其中，所述发射器是激光器。

在另一方面，本发明存在于如上文所述的轮廓扫描仪中，其中，所述控制器接收所述信号，并将包含在其中的极坐标数据转换成直角坐标。

优选地，所述直角坐标包含横断面轮廓。

优选地，所述控制器对所述直角坐标求微分，从而确定导数轮廓。

优选地，所述边缘被定义为所述导数轮廓超出预定阈值的任何部分。

优选地，所述靶区域在最上边缘和任何显著的中间边缘之间。

优选地，所述靶区域距离是所述中间边缘的预定距离。

在另一方面，本发明存在于如上文所述的轮廓扫描仪中，其中，所述扫描仪周期性地更新所述靶区域位置。

在另一方面，本发明存在于如上文所述的轮廓扫描仪中，其中，从所述信号中还确定从下面选择的任何一个或多个：

船舷上缘，

防擦板，和

潮汐水平面。

在另一方面，本发明存在于安置在系泊设施上的系泊机器人中，用来系泊邻近所述系泊设施的漂浮的船只，所述系泊机器人包括：

用于定位在所述漂浮的船只的侧面上的抽气垫，

用于相对于所述系泊设施移动所述抽气垫的激励器，

在前面的权利要求中的任一中所述的轮廓扫描仪，用来控制所述激励器以至少影响所述抽气垫的受控制的垂直定位。

在另一方面，本发明存在于用于漂浮的船只的系泊设施中，该系泊设施包括至少一个如上文所述的系泊机器人。

在另一方面，本发明存在于系泊漂浮的船只的方法中，该漂浮的船只邻近如上文所述的种类的系泊设施，这种方法构成为：

操作轮廓扫描仪扫描船只的外壳，

允许响应于轮廓扫描仪所述抽气垫的垂直位置的任何调整，

将抽气垫接合到所述船只的外壳，

吸附抽气垫到所述船只的外壳。

优选地，在所述抽气垫的吸附之前，轮廓扫描仪还扫描邻近所述系泊设施的水面，从而确定海况，其中，所述抽气垫的吸附是与海况相关的最小抽气压力。

优选地，在将所述垫接合到所述外壳之前，轮廓扫描仪还扫描邻近系泊设施的水的潮汐体的水面，从而允许确定所述水的潮汐体的潮汐状态，其中所述抽气垫的垂直定位依赖于潮汐状态。

对于与本发明相关的本领域技术人员，构造的许多变化和本发明更广范围地不同的实施例和应用将暗示它们不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围。在此的披露和描述纯粹是示例性的，无意于限制。

本发明存在于前述中，并且还展望以下给出的例子的结构。

附图说明

现在将参照附图来描述本发明的一种优选形式；

图1是示出根据本发明的一个实施例的系统部件的结构图；

图2是控制逻辑的流程图。

具体实施方式

国际专利申请号PCT/NZ01/00025，PCT/NZ01/00026，PCT/NZ02/00062，PCT/NZ03/00001和PCT/NZ03/00167的内容在此引入作为参考。

在现在描述的一个实施例中，本发明涉及垂直对准用于将机器人系泊在船只的侧面的附着垫(例如吸力垫)的设备和方法。现有技术在垂直对准方面的尝试涉及潮汐图(tide chart)和查找表的使用，查找表用来识别船只或由所述船只的操作员输入的船只的关键属性。

当船只110横靠系泊设施如码头102，并接近静止时，扫描仪100可以用来检测适于将系泊机器人104的附着垫(如抽气垫)垂直附着在船只外壳的附着区域112存在的位置，如图1所示。在将抽气垫附着在船上之前进行扫描。

使用与基于PLC的“PC”耦合在一起的“Sick”单线(single line)激光雷达来执行该扫描过程，基于PLC的“PC”用来将数据处理成对控制程序来说可用的格式。

扫描仪可以扫描船只110的外壳的侧面轮廓以用来检测例如：

·船只的船舷上缘108。

·外壳侧面上的靶附着区域112。

·调带装置(belting)或防擦板(rubbing strake)114的顶部。

·调带装置或防擦板凸出外壳的宽度。

·当前潮汐水平面106。

有了以上信息，系泊机器人104的位置控制元件能被控制以使该垫定位在船只上的适当位置，以避免船只侧面的凸出或张开。

除此之外，扫描仪还为任何港务管理局或海运操作员提供以下信息：

·通过和所存储的数据比较，识别实际船的横靠。

·作为检潮仪，以提供关于潮汐水平面的反馈和由例如潮汐波或风暴潮引起的任何其不寻常的波动。

·建立每艘船到达和出发的吃水图(draughts)。

潮汐高度的扫描对允许将抽气垫定位在对该潮汐状态适当的高度有利。安置在系泊设施的抽气垫通常沿相对系泊设施的垂直方向是自由活动方式。它可以沿水平面有对其行使的主动控制以便将船只保持在距离所期望的位置的一定范围内。然而，一旦附着在船只上，抽气垫的自由活动垂直移动就要求满足潮汐变化和船只装载变化，这在相对系泊设施的垂直方向移动船只。系泊机器人将具有抽气垫沿垂直方向的有限的范围或行程。抽气垫可以安置在具有有限长度的垂直轨道上。通过由扫描仪确定潮汐的状态，在接合到船只上以确保抽气垫被附加(受制于任何可以防止同样问题的外壳的所检测到的目标)之前，能够控制抽气垫的位置，用以假定潮汐水平面所决定的垂直的合适位置。例如，如果潮汐在最满潮或接近满潮，抽气垫应该尽可能紧密地(受制于可以限制这种接近的外壳的任何目标)定位在其行程的上限或接近上限。然后，接下来的落潮将允许抽气垫在达到其垂直轨道上的其行程的最下限之前保持最大持续时间的附着。

水面扫描也允许海况的确定。积聚的海况信息能够由本发明的装置使用以便控制为抽气垫与船只接合指定合适的吸力。暴躁的(即波浪起伏)海况通常与强风相关联。这可以要求吸力被设置在合适的水平，以保证船只由一个或多个机器人保持安全定位在系泊设施附近。

扫描可以在紧接船只系泊发生之前的时间段期间发生或者同时进行以允许潮汐和海况数据的采集和记录。

现在将描述可以用于实现本发明的系统部件的例子。

1.硬件

在一个例子中的本发明集成在基于PLC的控制系统中，包括：

单线激光轮廓扫描仪。

基于PLC“导轨(rack)”的多厂商接口(MVI)模块。

2.操作

扫描系统将为系泊单元提供沿垂直轴的“前置级”位置。

当船只存在于并且靠近系泊位置时，操作员将在人机接口(HMI)上按“前置级”按钮。

一切就绪时，PLC将请求来自扫描仪的数据，请求并更新该数据，正如在第三部分中定义的参数所要求的一样。

3.控制参数

A.对于“前置级”最大的船只的停泊处的距离(mm)

该参数将保证由于扫描仪的有效范围，该单元不能察看下一个停泊处。

B.最小垂直靶区高度(mm)

这将保证如果船上升和下降，在任何较低布置的雷达目标(obstacle)(如防擦板)或所期望的最低点附着区域的最高点，和最高的所期望的附着点或由例如船舷上缘限定的附着区的顶部的最低点之间的距离对于该单元的附着足够大。

C.重新扫描定时器

一旦扫描仪被要求给PLC提供信息，其将被要求重新扫描以检查基于该定时器采集的数据。

D.在重新扫描之间的最大高度变化(mm)

如果在重新扫描之间的高度差超过该参数，警告将出现在HMI上。操作员能够接受该新信息或者取消它，继续处理旧信息。

E.如果重新扫描变化超出，改变垂直设置点(mm)

如果在重新扫描高度之间的变化小于该参数，单元前置级垂直设置点将不改变。如果该变化大于该参数，垂直设置点将被更新。

4.数据采集

扫描仪100是基于激光雷达的单元，当需求时，如果小于80m，其可以扫描100度的弧线，通过串行通信报告回从扫描仪到扫描仪前面的目标之间的角度(以0.5度的增量)和距离。

软件可以采集该数据，对五次扫描读到的距离求平均。平均后的数据点可以被从极坐标转换为直角坐标。该(这些)数据点的方程(一个或多个)可以被微分以找到这些点的“变化率”。具有最大变化率的点被用来作为参照其它这样点的数据以确定参照“0”数据的外壳上的所需点的位置。

参照图2，控制逻辑通过选择前置级位置200示出开始。扫描仪初始化并获取极坐标中的数据202，其后转换为参照扫描仪的直角坐标204。直角坐标被微分206，从而允许获得船舷上缘、防擦板和潮汐水平面208。然后，参数A和B被计算210。该过程暂停时间段C212并计算参数D 214。操作员可以选择继续216，在继续下一个交互之前，计算参数E 218。

在此参照了与船只外壳接合的系泊机器人的抽气垫，可以理解这是抽气垫的优选位置点。然而，为了系泊船只，其它位置点，如上部构造或从外壳扩展的部分也可以存在抽气垫接合的合适的表面。

Claims (17)

1、一种用于在船只的轮廓上定位靶区域的轮廓扫描仪，其包括：

发射器，适于渐进地或瞬时地向所述船只辐射；

接收器，提供指示在其上入射的辐射的信号；

控制器或处理器，包括所存储的指令，用于激励所述发射器并接收所述信号，且适于确定所述靶区域相对于扫描仪的垂直位置。

2、如权利要求1所述的轮廓扫描仪，其中，相关联的系泊机器人或其它船只锚泊系统根据所述靶区域被定位。

3、如权利要求2所述的轮廓扫描仪，其中，所述系泊机器人包括适于接合到所述靶区域的附着垫。

4、如权利要求1所述的轮廓扫描仪，其中，所述发射器是激光器。

5、如权利要求1所述的轮廓扫描仪，其中，所述控制器接收所述信号，并将包含在其中的极坐标数据转换为直角坐标。

6、如权利要求5所述的轮廓扫描仪，其中，所述直角坐标包含横断面轮廓。

7、如权利要求6所述的轮廓扫描仪，其中，所述控制器对所述直角坐标求微分，从而确定导数轮廓。

8、如权利要求7所述的轮廓扫描仪，其中，将边缘定义为所述导数轮廓超过预定阈值的任何部分。

9、如权利要求8所述的轮廓扫描仪，其中，所述靶区域在最上边缘和任何显著的中间边缘之间。

10、如权利要求8或9中任一所述的轮廓扫描仪，其中，所述靶区域与所述中间边缘有预定距离。

11、如权利要求1到9中的任一所述的轮廓扫描仪，其中，所述的扫描仪周期性地更新所述靶区域位置。

12、如权利要求1到9中的任一所述的轮廓扫描仪，其中从所述信号还确定从下面选择的任何一个或多个：

船舷上缘，

防擦板，和

潮汐水平面。

13、一种安置在系泊设施上的系泊机器人，用来系泊邻近所述系泊设施的漂浮的船只，所述系泊机器人包括：

抽气垫，用于在所述漂浮的船只的侧面上定位，

激励器，用于相对所述系泊设施移动所述抽气垫，

如前面的权利要求中的任一所述的轮廓扫描仪，用来控制所述激励器，从而至少影响所述抽气垫的受控制的垂直定位。

14、一种用于漂浮的船只的系泊设施，其包括至少一个如权利要求13中所述的系泊机器人。

15、一种系泊漂浮的船只的方法，该漂浮的船只邻近如权利要求14中所述的种类的系泊设施，这种方法包括：

操作所述轮廓扫描仪扫描船只的外壳，

响应于所述轮廓扫描仪，允许所述抽气垫沿所述垂直位置的任何调整，

将所述抽气垫接合到所述船只的所述外壳，

将所述抽气垫吸附到所述船只的所述外壳。

16、如权利要求15所述的方法，其中，在所述抽气垫吸附之前，所述轮廓扫描仪还扫描邻近所述系泊设施的水面，从而确定海况，其中，所述抽气垫的所述吸附是与所述海况相关的最小抽气压力。

17、如权利要求15或16所述的方法，其中，在将所述垫接合到所述外壳之前，所述轮廓扫描仪还扫描邻近所述系泊设施的水的潮汐体的所述水面，从而允许确定水的所述潮汐体的所述潮汐状态，其中，所述抽气垫的所述垂直定位依赖于所述潮汐状态。

Images