CN104528531A - 集装箱码头rtg、rmg下集卡对位引导系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导系统及方法，采用激光扫描测距仪、LED显示屏和扩音器、高速嵌入式控制器等部件，实现RTG/RMG下集卡对位的自动精确引导。高速嵌入式控制器将激光扫描测距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所测数据进行转换、计算、轮廓识别，并据此判断集卡的位置及离龙门吊基准起吊点的偏差距离，同时把集卡偏离起吊点方向、距离信息显示在LED显示屏上，提示集卡司机提前调整集卡停车位置。

Description

集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导系统及方法
技术领域
本发明涉及集装箱装卸技术领域，特别是涉及一种用于集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导的系统及方法。
背景技术
近些年来，随着国际物流业的快速发展，各国集装箱港口吞吐量不断增长，集装箱堆场内的作业也日益繁忙。高效率的港口离不开高效率的机械设备和高新技术的应用，RTG/RMG(轮胎/轨道式集装箱龙门起重机)作为集装箱码头的重要作业工具，它的作业效率直接影响到码头整体的作业效率。传统的手段，主要是提升RTG/RMG的大车、小车和起升等各机构的运行速度，实现最快的运行效率。但是，随着现代机械、电子和自动控制技术的发展，RTG/RMG的大车、小车和起升等各机构的运行速度已经达到较高的数值。而各个机械设备协同作业、顺利衔接的效率问题逐渐凸显。如当RTG/RMG的吊具从集卡上吊运集装箱或者将集装箱放置在集卡时，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。但该对位过程延长了作业时间，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，设备损坏，带来了诸多安全隐患。
目前，现有技术中有采用在龙门吊上安装云台、激光扫描测距仪、龙门吊无线通讯模块、PLC和计算机，在集卡上安装具有无线通讯模块、键盘和显示屏的对位信息盒，将对位信息发送到集卡上对位信息盒的方案，实现集卡激光对位功能。例如授权公告号为ZL 200820055788.6的中国实用新型专利公开了一种场地集装箱龙门吊纠偏与集卡激光对位及防吊装置，该装置包括龙门吊上的云台、激光扫描测距仪、龙门吊无线通讯模块、声光报警器和PLC点连接到计算机上，集卡上的对位信息盒(包含集卡无线通讯模块、键盘和显示器电连接到微处理器)等部件，其利用激光扫描测距仪跟随云台转动，激光对车道上集卡扫描测距，把集卡与吊具的对位信息通过无线传输方式传输给集卡司机室内的对位信息盒，提示集卡司机提前准确地将集卡与吊具对位。但是，实际运用中发现：由于激光扫描测距仪同时兼顾防止集卡吊起功能，安装的位置不合理，不能有效检测集卡的位置；同时安装的云台也容易造成激光扫描测距仪自身坐标位置的偏差，导致集卡定位偏差较大；而且系统采用无线通讯方式将对位信息发送到集卡司机室内的对位信息盒，系统容易受到干扰，稳定性难以满足现场连续作业的要求。而且，系统不能够全面识别集卡的实际作业工况，在空车作业时以及多个20尺箱的作业过程中产生工况误判，使系统无法达到实际应用的水平。
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RTG、RMG下集卡对位引导系统及方法，采用固定安装在RTG/RMG动力房或电气房上部平台上栏杆的激光扫描测距仪、安装在RTG/RMG支腿上的LED显示屏和扩音器、高速嵌入式控制器等部件，实现RTG/RMG下集卡对位的自动精确引导。当集卡进入RTG/RMG下部的拖车道时，激光扫描测距仪实时识别出集卡车架或者车架上的集装箱后边沿的位置，当该位置与理论位置有偏差时，通过LED显示屏和扩音器提示集卡司机及时调整集卡停车位置，实现集卡预先准确停在RTG/RMG起吊位置，减轻司机的劳动强度，提高集装箱的装卸效率，避免事故的发生。
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RTG、RMG下集卡对位引导系统，包括嵌入式控制器以及分别与嵌入式控制器连接的激光扫描测距仪和LED显示屏，所述嵌入式控制器还与设置在龙门起重机电气房内的PLC控制系统连接。
本发明还提供了一种集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导方法，包括如下步骤：
步骤一、PLC控制系统将吊具的尺寸信息和事先设定的装卸车作业类型、作业集装箱尺寸、停放在集卡上的位置、集卡的驶入方向发送给嵌入式控制器；
步骤二、激光扫描测距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[]，并将该数组发送到嵌入式控制器；
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显示屏和扩音器，通过显示屏进行显示并通过扩音器进行声音提示：
(1)当WorkingPoint.X>S设时，嵌入式控制器就输出信号，LED屏显示提示“向后|WorkingPoint.X|米”，同时扩音器进行相应的声音提示；
(2)当WorkingPoint.X<-S设时，嵌入式控制器就输出信号，LED屏显示提示“向前|WorkingPoint.X|米”，同时扩音器进行相应的声音提示；
(3)当|WorkingPoint.X|<＝S设时，LED屏显示“已对位准确”。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
1、由于系统将激光扫描测距仪、LED显示屏和扩音器以及高速嵌入式控制器等全部设备安装在RTG/RMG上，设备之间及与PLC之间的通讯方式采用有线方式，系统结构简单、检测精度高、可靠性好，适合集装箱码头环境复杂的工作环境，另外通过对作业信息类型的实时获取，满足了对作业工况的准确识别，保证了对位判断的正确性。
2、由于激光扫描测距仪固定安装在RTG/RMG动力房或电气房上部的平台上，其安装位置处于集卡的斜上方，便于良好检测集卡车架或者车架上的集装箱的位置。同时，采用固定安装方式，避免增加额外的平动和转动，确保激光扫描测距仪的安装精度，提高了系统的检测精度。
3、系统采用LED显示屏和扩音器声光双重提示，确保司机能够及时获取提示信息的同时，并不必须紧紧盯着显示屏，确保司机作业的安全。
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RTG、RMG下集卡对位引导系统，如图1和图2所示，包括：龙门起重机主体1、支腿2、司机室3、吊具4、激光扫描测距仪5、LED显示屏和扩音器6、高速嵌入式控制器7、PLC8、控制台液晶屏9、集卡及其所带集装箱10等，其中：
激光扫描测距仪5固定安装在RTG/RMG动力房或电气房上部的平台上；LED显示屏和扩音器6安装在支腿2上、便于集卡司机接收信息的位置；高速嵌入式控制器7安装在电气房内或在激光扫描测距仪5附近的控制箱内；PLC8安装在电气房内；控制台液晶屏9安装在司机室3内。
高速嵌入式控制器7分别与激光扫描测距仪5、LED显示屏和扩音器6和PLC8有线连接，所述PLC8与控制台液晶屏9有线连接。
高速嵌入式控制器7包括接口单元、电源变换单元、ARM处理器等部件。
控制台液晶屏9用于在集卡进入RTG/RMG下拖车道之前设定集装箱停放在集卡上的位置、集卡的驶入方向和装车、卸车的作业类型等信息，并通过PLC8将该信息发送到高速嵌入式控制器7。
PLC8实时将吊具的尺寸信息发送到高速嵌入式控制器7。
激光扫描测距仪5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，并将所测数据发送到高速嵌入式控制器7。
高速嵌入式控制器7对来自PLC8的信息和激光扫描测距仪5的数据进行计算，并将计算结果输出给LED显示屏和扩音器6进行显示和声音提示，以提示集卡司机高效及时地调整集卡的停放位置。
本发明还提供了一种集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导方法，包括如下步骤：
步骤一、在集卡进入RTG/RMG下拖车道之前，通过控制台液晶屏9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PLC8发送到高速嵌入式控制器7；同时，PLC8实时将RTG/RMG吊具的尺寸信息发送到高速嵌入式控制器7：
集卡车在龙门吊(RTG/RMG)下实际作业时，存在多种的工况情况，影响着集卡车与龙门吊的对位关系；作业类型：是装车还是卸车；作业箱的尺寸：20尺、40尺、45尺；车头的方向位置，20尺箱作业时的选取：靠前位置、靠后位置；以上关系，部分可以由系统自动判断，如车头方向可以由激光扫描获取，当车停靠时载有一个40或45尺集装箱时，可以判定为卸车；但很多时候，场地的龙门吊作业比较杂乱，有场内集卡的作业也有外部车辆进场的作业，无法准确获知作业的性质，所以本发明中提供了一个由龙门吊司机来设定相关作业情况的方法，在司机室的触摸屏提供一个交互界面，龙门吊司机可以根据实际的作业情况，方便地设定相关信息；(而此部分信息也可以通过司机室内的生产管理系统的电脑终端上获取，当司机在终端上选择作业的指令时，通过相应的数据接口提取到指令中的作业类型、作业尺寸、作业箱的方向等，此项应用需要码头应用计算机生产管理系统，并在RTG/RMG上配备电脑终端，让司机实时根据电脑终端上的作业指令提示进行操作作业)。
因为在龙门吊结构上，龙门吊的吊具中心在垂直车道行进方向上看，位置是相对固定的，所以在确定集卡的作业工况后，实际上也就确定了准确的对位需要。
步骤二、激光扫描测距仪5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[]，并将该数组发送到高速嵌入式控制器7：
高速嵌入式控制器7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显示屏和扩音器6，通过显示屏进行显示并通过扩音器进行声音提示，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，高速嵌入式控制器7就输出信号，LED屏显示提示“向后S米(S＝|WorkingPoint.X|)”，同时扩音器进行相应的声音提示；
(2)当WorkingPoint.X<-5时，说明车过于向左(后)了，控制器就输出信号，LED屏显示提示“向前S米(S＝|WorkingPoint.X|)”，同时扩音器进行相应的声音提示；
(3)当|WorkingPoint.X|<＝5时，LED屏显示“已对位准确”；
本发明的工作原理是：
系统主要设备包含激光扫描仪、系统运算控制器、LED显示屏等。这些设备与岸桥上原有PLC系统和司机控制台上触摸屏、功能启停选择开关共同实现系统功能。其中控制器上部署集卡对位控制软件。
在龙门吊的车道边的二层控制室顶上合适位置安装激光扫描仪，使激光沿平行于集卡车道中心线对集装箱及集卡进行扫描测距。激光扫描仪将数据发送系统运算控制器，系统运算控制器据此识别集卡的位置及离龙门吊基准起吊点的偏差距离，同时把集卡偏离起吊点方向、距离信息显示在LED显示屏上，提示集卡司机提前调整集卡停车位置。
由于集卡作业时，进入龙门吊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，因此龙门吊立柱下的腿部共安装2台LED显示屏。
操作员通过操作司机室触摸屏实现对系统的设置。设置信息主要包括龙门吊作业下集装箱起吊的作业类型、箱属性、在集卡车上的位置等信息。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。

Claims (7)

1.一种集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导系统，其特征在于：包括嵌入式控制器以及分别与嵌入式控制器连接的激光扫描测距仪和LED显示屏，所述嵌入式控制器还与设置在龙门起重机电气房内的PLC控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导系统，其特征在于：所述嵌入式控制器与设置在龙门起重机支腿上的扩音器连接。
3.根据权利要求1所述的集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导系统，其特征在于：所述激光扫描测距仪为2D扫描仪，固定安装在龙门起重机动力房或电气房上部的平台上。
4.根据权利要求1所述的集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导系统，其特征在于：所述LED显示屏为两台，设置在龙门起重机支腿上。
5.一种集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、PLC控制系统将吊具的尺寸信息和事先设定的装卸车作业类型、作业集装箱尺寸、停放在集卡上的位置、集卡的驶入方向发送给嵌入式控制器；
步骤二、激光扫描测距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[]，并将该数组发送到嵌入式控制器；
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显示屏和扩音器，通过显示屏进行显示并通过扩音器进行声音提示：
（1）当WorkingPoint.X>S设时，嵌入式控制器输出信号，LED屏显示提示“向后｜WorkingPoint.X｜米”，同时扩音器进行相应的声音提示；
（2）当WorkingPoint.X <-S设时，嵌入式控制器输出信号，LED屏显示提示“向前｜WorkingPoint.X｜米”，同时扩音器进行相应的声音提示；
（3）当｜WorkingPoint.X｜<=S设时，LED屏显示“已对位准确”。
6.根据权利要求5所述的集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导方法，其特征在于：所述激光扫描测距仪的扫描角度间隔为0.125度或0.25度。
7.根据权利要求5所述的集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导方法，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。
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