CN104477779B - 集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制系统和方法 - Google Patents

集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制系统和方法，通过转动云台、激光扫描仪、系统运算控制器和LED显示屏，实现集卡位置及离岸桥基准起吊点的偏差距离的准确识别，同时把集卡偏离岸桥起吊点方向、距离信息显示在LED显示屏上，提示集卡司机调整集卡停车位置；同时，运算控制器通过与PLC接口，获取当前作业的集装箱类型信息，实现集卡停靠位置的引导，PLC的控制系统通过接口获取集卡是否已准确到位，在集卡还未对位完成时，控制吊具保持安全高度，禁止桥吊司机的下放动作，从而避免出现吊具对集卡的伤害事故。

Description

集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制系统和方法
技术领域
本发明涉及集装箱码头岸边机械的装卸技术领域，特别是涉及一种集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制系统和方法。
背景技术
岸边作业的桥吊是专业化集装箱码头的核心作业机械，其作业效率和安全生产直接影响船舶装卸速度。在桥吊实际的生产作业过程中，当吊具从集卡上吊运集装箱或者将集装箱放置在集卡上时，传统方法需要依靠集卡司机通过个人的目测，前后反复移动集卡，完成集卡与吊具的对位。该对位过程降低了集装箱的装卸速度，增加了司机的操作疲劳，同时难以完全避免吊具、集装箱和集卡之间的碰撞，造成设备损坏，带来了诸多安全隐患。
目前，现有技术中有采用在桥吊下安装云台、激光扫描测距仪、与控制器，利用控制器设定指定的车道，利用云台控制激光扫描仪对指定车道进行扫描，提醒集卡司机对位的偏差；但是，实际运用中发现：由于针对空车状态时无法获取桥吊实际要放箱的尺寸，就无法判知集卡的应停位置，造成系统的功能缺失，另外，对于集卡车道的选取只能一次性设定，不能灵活进行调整，造成实际应用的不方便，还有目前的系统仅对集卡进行了对位检测，在安全保护上也有功能缺失，如此造成了目前的桥吊下集卡对位应用难以达到实用效果。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制系统和方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制系统，包括系统运算控制器以及分别与系统运算控制器连接的转动云台、激光扫描仪和LED显示屏，所述激光扫描仪设置在转动云台上；所述系统运算控制器与桥吊的PLC系统连接。
本发明还提供了一种集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制方法，包括如下步骤：
步骤一、桥吊的PLC系统将装卸车作业类型、作业集装箱尺寸、停放在集卡上的位置、集卡的驶入方向、以及待扫描的车道号发送给系统运算控制器，系统运算控制器根据车道号输出相应的IO控制信号令转动云台转动使激光扫描仪面向待扫描的车道；同时，系统运算控制器输出相应的车道号显示在LED显示屏上；
步骤二、激光扫描仪沿平行于集装箱车道中心线对集卡车架或者车架上的集装箱进行二维扫描测距，得到一个极坐标的点集数组ScanDistance[]，并将该数组发送到系统运算控制器；
步骤三、将点集数组ScanDistance[]转换到以吊具中心的大地垂线为Y轴，车道地面为X轴的平面坐标系下的点集ProfilePoint[]：
ProfilePoint[i].X＝ScanDistance[i]*cos(angle[i])+deltX0
ProfilePoint[i].Y＝LaserHeigh–
ScanDistance[i]*sin(angle[i])*cos(a0)
其中：ProfilePoint[i].X为转换后的第i个轮廓点的X坐标，ProfilePoint[i].Y为转换后的第i个轮廓点的Y坐标，LaserHeigh为激光扫描仪安装的高度，ScanDistance[i]为激光扫描仪提取的第i个点的测距距离，angle[i]为第i条测距光线与水平面的夹角，deltX0是激光扫描仪中心对水平车道线的投影与吊具中心投影的初始偏差参数，a0为激光扫描仪扫描面与地面垂线的夹角；
步骤四、对转换后的点集ProfilePoint[]进行轮廓识别：
(1)集装箱的轮廓：将平行于地面的、高度大于3米的连续点识别为集装箱的轮廓，各连续点连线形成的线段长度为集装箱的长度，取各点的X坐标的中值作为集装箱的中心坐标，记为ContainerCenter.X；
(2)拖架的轮廓：将平行于地面的、高度在1米－1.7米范围内的间断点集识别为拖架的轮廓，根据拖架轮廓得到拖架前后端、拖架的长度，并进一步得到拖架尾点的X坐标ChassisTail.X、前20尺箱中心偏差Dev20Front、后20尺箱中心偏差Dev20Back、40尺箱中心偏差Dev40、45尺箱中心偏差Dev45；
步骤五、根据作业类型计算对位偏离值WorkingPoint.X：
(1)对于卸箱作业，WorkingPoint.X＝ContainerCenter.X；
(2)对于装车作业：
1)若装20尺箱到拖架的前端，则WorkingPoint.X＝ChassisTail.X+Dev20Front；
2)若装20尺箱到拖架的后端，则WorkingPoint.X＝ChassisTail.X+Dev20Back；
3)若装40尺箱，则WorkingPoint.X＝ChassisTail.X+Dev40；
4)若装45尺箱，则WorkingPoint.X＝ChassisTail.X+Dev45；
步骤六、判断对位偏离值WorkingPoint.X是否在设定的误差范围S设内，并将判别结果发送到LED显示屏，通过显示屏进行显示：
(1)当WorkingPoint.X>S设时，系统运算控制器输出信号，LED屏显示提示“向后|WorkingPoint.X|米”；
(2)当WorkingPoint.X<-S设时，系统运算控制器输出信号，LED屏显示提示“向前|WorkingPoint.X|米”；
(3)当|WorkingPoint.X|<＝S设时，LED屏显示“已对位准确”；
步骤七、系统运算控制器将对位偏离值WorkingPoint.X实时向PLC系统发送，当|WorkingPoint.X|>S设时，PLC系统实时检测吊具的高度，当吊具高度低于设定的危险高度时，PLC系统发出控制信号给吊具的起升装置，使吊具起升或禁止吊具下放，同时PLC系统将提示信息发送给触摸屏。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明采用激光扫描测距原理、模式识别和自动控制技术，实现对集卡的精确扫描，并且增加了PLC系统的对接以及桥吊司机的人机交互应用，可以根据司机的实时设定、根据作业类型不同及时提示集卡司机调整停靠位置，同时系统实时检测桥吊的吊具操作，在集卡司机未准确对位前，控制吊具的下落，保护集卡司机避免吊具及带箱的碰撞安全事故，提高集装箱的装卸效率的同时也有效提高了作业的安全。
本发明增强了桥吊司机对集卡对位的交互控制，弥补了现有相关技术的应用不足，可以准确应对各类作业工况，满足了集卡对位系统实际应用要求。并且，本发明提供了桥吊作业的自动安全保障控制，大大提升了现场作业的安全性，提高了码头的安全生产水平。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本系统的结构示意图；
图2是本系统的原理框图。
具体实施方式
一种集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制系统，如图1和图2所示，包括：桥吊1、触摸屏2、吊具3、激光扫描仪4、转动云台5、系统运算控制器6、LED显示屏7、集装箱8、集卡车9等，其中：
所述激光扫描仪4为2D的激光扫描仪，固定在可控转动云台5上，所述转动云台5安装在桥吊1的第二横梁上。所述转动云台5由伺服电机驱动，与系统运算控制器6的IO接口连接，转动云台5在系统运算控制器6的控制下转动，从而可以使激光扫描仪扫描到每条车道上。
在桥吊的第二横梁上还安装有系统运算控制器6，所述系统运算控制器6通过485接口线缆连接分别设置在桥吊的四个腿部位置的4个LED显示屏7，所述系统运算控制器6通过RS232接口连接岸桥上的PLC系统，所述系统运算控制器6通过网络接口连接激光扫描仪4。
所述LED显示屏7安装在桥吊的四个腿部，向内显示，显示向前向后的方向指示、扫描车道信息(1位数字)以及调整的距离提示(2位数字，单位CM)。
所述触摸屏2设置在司机室内，集成在PLC系统中，提供给司机，提醒当前集卡在下方是否已准确对位，并且司机可以设定对位的参数，设定作业的类型以及作业车道等。
PLC系统实现系统运算控制器与司机触摸屏的相关信息传输，PLC系统同时还执行安全保护控制，在集卡未完成对位时，控制吊具保持在安全高度，防止对集卡的伤害事故。
本发明还提供了一种集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制方法，包括如下步骤：
步骤一、由桥吊司机通过触摸屏2设定要扫描的车道号，车道号信息通过PLC系统的通讯接口(RS232)发送给系统运算控制器6，系统运算控制器根据车道号输出相应的IO控制信号给转动云台5，云台受控转动使激光扫描仪4面向设定的车道，扫描仪沿平行于集卡车道中心线对集装箱及集卡进行扫描测距进行扫描测距；同时，系统运算控制器也输出车道号显示在LED显示屏上。
同时，桥吊司机通过触摸屏设定装卸车作业类型、作业集装箱尺寸、停放在集卡上的位置、集卡的驶入方向等信息，该信息通过PLC系统的通讯接口(RS232)发送到系统运算控制器；
步骤二、激光扫描仪4沿平行于集装箱车道中心线对集卡车架或者车架上的集装箱进行二维扫描测距，得到一个极坐标的点集数组ScanDistance[]，并将该数组发送到系统运算控制器：
系统运算控制器与扫描仪通过以太网接口连接，通过扫描仪设备提供的接口协议，建立TCP的连接，发送读取命令，获取到扫描仪实时的扫描数据，2D扫描仪的扫描数据结构为一个周期内每个扫描角度上(0.125或0.25度间隔)，激光扫描测得的反射点的距离，其形成的是一个极坐标的点集数组ScanDistance[]；
步骤三、将一个极坐标的点集数组ScanDistance[]转换到以吊具中心的大地垂线为Y轴，车道地面为X轴的平面坐标系下的点集ProfilePoint[]：
ProfilePoint[i].X＝ScanDistance[i]*cos(angle[i])+deltX0
ProfilePoint[i].Y＝LaserHeigh–
ScanDistance[i]*sin(angle[i])*cos(a0)
ProfilePoint[i].X为转换后的第i个轮廓点的X坐标，ProfilePoint[i].Y为转换后的第i个轮廓点的Y坐标，LaserHeigh为激光扫描仪安装的高度，ScanDistance[i]为激光扫描仪提取的第i个点的测距距离，angle[i]为第i条测距光线与水平面的夹角，这个是已补偿了安装偏差后的角度值，deltX0是激光扫描仪中心对水平车道线的投影与吊具中心投影的初始偏差参数，a0为激光扫描仪扫描面与地面垂线的夹角。
步骤四、对转换后的点集ProfilePoint[]进行轮廓识别：
转换完的平面坐标系以吊具中心的大地垂线为Y轴，车道地面为X轴，扫描点集基本上就反馈出了集卡车的轮廓。对应此点集的轮廓识别，主要是针对车头位置、集装箱轮廓、车架轮廓的识别，本发明利用了模型拟合方法，将散点根据识别物体的固有特性拟合为轮廓线，识别出关键点信息：
(1)集装箱的轮廓：表现为一段平行于地面的、高度大于3米的连续点，各连续点连线形成的线段长度为集装箱的长度，取各点的X坐标的中值作为集装箱的中心坐标，记为ContainerCenter.X；
(2)拖架的轮廓：表现为一组平行于地面的，高度在1米－1.7米范围内的间断点集，系统识别得到拖架前后端，获得拖架的长度，并得到拖架尾点的X坐标，记为ChassisTail.X，根据拖架长度特征判断其拖车作业箱中心与拖架尾的参数关系即得：前20尺箱中心偏差Dev20Front,后20尺箱中心偏差Dev20Back,40尺箱中心偏差Dev40,45尺箱中心偏差Dev45；
(3)集卡车首的位置：表现为高于拖架的一组不连续的不规则的点集。系统识别及处理其特征值为集卡车首的后端坐标，如拖架的前端识别不明确，可以此值进行补偿替代。
通过模式识别，系统获取了如下的信息：车首位置，集卡上集装箱(如果车已带箱)的尺寸与中心位置，空拖架的后端点坐标，拖架的长度以及拖架对应各尺寸作业箱的中心偏离参数。
步骤五、根据作业类型计算对位偏离值(WorkingPoint.X)：
根据计算获得的集装箱的位置坐标或拖架的坐标，再参考作业的类型信息，从而可以对应坐标点进行计算对位偏离值(WorkingPoint.X)。
(1)对于卸箱作业，由于WorkingPoint.X＝ContainerCenter.X，所以作业箱的中心距离在对位准确后X坐标为零，即对位的过程就是要使WorkingPoint.X趋向于0(小于5CM)；
(2)对于装车作业，如装20尺箱到拖架的前端，则WorkingPoint.X＝ChassisTail.X+Dev20Front；
(3)对于装车作业，如装20尺箱到拖架的后端，则WorkingPoint.X＝ChassisTail.X+Dev20Back；
(4)对于装车作业，如40尺箱，则WorkingPoint.X＝ChassisTail.X+Dev40；
(5)对于装车作业，如45尺箱，则WorkingPoint.X＝ChassisTail.X+Dev45；
步骤六、判断对位偏离值(WorkingPoint.X)是否在设定的误差范围(S设，S设>0，以下以S设＝5举例说明)内，并将判别结果发送到LED显示屏，通过显示屏进行显示，便于集卡司机及时调整集卡的停车位置：
(1)当WorkingPoint.X>5时，说明车过于向右(前)了，系统运算控制器就输出信号，LED屏显示提示“向后S米(S＝|WorkingPoint.X|)”；
(2)当WorkingPoint.X<-5时，说明车过于向左(后)了，系统运算控制器就输出信号，LED屏显示提示“向前S米(S＝|WorkingPoint.X|)”；
(3)当|WorkingPoint.X|<＝5时，LED屏显示“已对位准确”；
步骤七、系统运算控制器将对位偏离值(WorkingPoint.X)实时向PLC系统发送，当集卡未准确对位时(即|WorkingPoint.X|>5时)，PLC系统实时检测吊具的高度，当吊具高度低于设定的危险高度(比如5米)时，PLC系统发出控制信号给吊具的起升装置，使吊具起升或禁止吊具下放，同时PLC系统将提示信息发送给触摸屏，以便提醒桥吊司机保护集卡避免吊具的碰撞事故。
本发明的工作原理是：在集装箱车道上方岸桥的二横梁中央安装一个伺服电机控制的云台，该云台受系统运算控制器的控制，可在岸桥横梁下垂直于集卡车道的平面内旋转，从而使安装固定在云台上的激光扫描仪沿平行于集卡车道中心线对集装箱及集卡进行扫描测距，激光扫描仪跟随云台转动能实现对岸桥下各集装箱车道扫描测距。
激光扫描仪将数据发送系统运算控制器，系统运算控制器识别集卡的位置及离岸桥基准起吊点的偏差距离，同时把集卡偏离岸桥起吊点方向、距离信息显示在LED显示屏上，提示集卡司机调整集卡停车位置。
由于集卡作业时，进入岸桥下部的行驶有两个方向，同时双吊具作业时为了集卡司机便于观看LED显示屏上提示信息，因此岸桥立柱下的大梁上共安装四台LED显示屏。
桥吊司机通过司机室触摸屏实现对系统的设置。设置信息主要包括岸桥作业下集装箱起吊的工作车道、作业类型等信息。
运算控制器通过与PLC接口，获取当前作业的集装箱类型信息，实现集卡停靠位置的引导，PLC的控制系统通过接口获取集卡是否已准确到位，在集卡还未对位完成时，控制吊具保持安全高度，禁止桥吊司机的下放动作，从而避免出现吊具对集卡的伤害事故。

Claims (6)

1.一种集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、桥吊的PLC系统将装卸车作业类型、作业集装箱尺寸、停放在集卡上的位置、集卡的驶入方向、以及待扫描的车道号发送给系统运算控制器，系统运算控制器根据车道号输出相应的IO控制信号令转动云台转动使激光扫描仪面向待扫描的车道；同时，系统运算控制器输出相应的车道号显示在LED显示屏上；
步骤二、激光扫描仪沿平行于集装箱车道中心线对集卡车架或者车架上的集装箱进行二维扫描测距，得到一个极坐标的点集数组ScanDistance[]，并将该数组发送到系统运算控制器；
步骤三、将点集数组ScanDistance[]转换到以吊具中心的大地垂线为Y轴，车道地面为X轴的平面坐标系下的点集ProfilePoint[]：
ProfilePoint[i].X=ScanDistance[i]*cos(angle[i])+deltX0
ProfilePoint[i].Y=LaserHeigh–
ScanDistance[i]*sin(angle[i])*cos(a0)
其中：ProfilePoint[i].X为转换后的第i个轮廓点的X坐标，ProfilePoint[i].Y为转换后的第i个轮廓点的Y坐标，LaserHeigh为激光扫描仪安装的高度，ScanDistance[i]为激光扫描仪提取的第i个点的测距距离，angle[i]为第i条测距光线与水平面的夹角，deltX0是激光扫描仪中心对水平车道线的投影与吊具中心投影的初始偏差参数，a0为激光扫描仪扫描面与地面垂线的夹角；
步骤四、对转换后的点集ProfilePoint[]进行轮廓识别：
（1）集装箱的轮廓：将平行于地面的、高度大于3米的连续点识别为集装箱的轮廓，各连续点连线形成的线段长度为集装箱的长度，取各点的X坐标的中值作为集装箱的中心坐标，记为ContainerCenter.X；
（2）拖架的轮廓：将平行于地面的、高度在1米－1.7米范围内的间断点集识别为拖架的轮廓，根据拖架轮廓得到拖架前后端、拖架的长度，并进一步得到拖架尾点的X坐标ChassisTail.X、前20尺箱中心偏差Dev20Front、后20尺箱中心偏差Dev20Back、40尺箱中心偏差Dev40、45尺箱中心偏差Dev45；
步骤五、根据作业类型计算对位偏离值WorkingPoint.X：
（1）对于卸箱作业，WorkingPoint.X＝ContainerCenter.X；
（2）对于装车作业：
1）若装20尺箱到拖架的前端，则WorkingPoint.X＝ChassisTail.X+Dev20Front；
2）若装20尺箱到拖架的后端，则WorkingPoint.X＝ChassisTail.X+Dev20Back；
3）若装40尺箱，则WorkingPoint.X＝ChassisTail.X+Dev40；
4）若装45尺箱，则WorkingPoint.X＝ChassisTail.X+Dev45；
步骤六、判断对位偏离值WorkingPoint.X是否在设定的误差范围S设内，并将判别结果发送到LED显示屏，通过显示屏进行显示：
（1）当WorkingPoint.X>S设时，系统运算控制器输出信号，LED屏显示提示“向后｜WorkingPoint.X｜米”；
（2）当WorkingPoint.X<-S设时，系统运算控制器输出信号，LED屏显示提示“向前｜WorkingPoint.X｜米”；
（3）当｜WorkingPoint.X｜<=S设时，LED屏显示“已对位准确”；
步骤七、系统运算控制器将对位偏离值WorkingPoint.X实时向PLC系统发送，当｜WorkingPoint.X｜>S设时，PLC系统实时检测吊具的高度，当吊具高度低于设定的危险高度时，PLC系统发出控制信号给吊具的起升装置，使吊具起升或禁止吊具下放，同时PLC系统将提示信息发送给触摸屏。
2.根据权利要求1所述的集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制方法，其特征在于：所述激光扫描仪的扫描角度间隔为0.125度或0.25度。
3.根据权利要求1所述的集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制方法，其特征在于：将点集ProfilePoint[]中的高于拖架的一组不连续的不规则点集识别为集卡车首的位置，将集卡车首的后端坐标作为拖架轮廓的前端。
4.根据权利要求1所述的集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制方法，其特征在于：所述LED显示屏为4个，分别设置在桥吊的四个腿部位置。
5.根据权利要求1所述的集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制方法，其特征在于：所述转动云台安装在桥吊的第二横梁上。
6.根据权利要求1所述的集装箱码头桥吊下集卡的对位及安全控制方法，其特征在于：所述系统运算控制器安装在桥吊的第二横梁上。
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