CN105480864A - 一种集装箱起重机自动化检测标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集装箱起重机自动化检测标定系统及方法，包括轨道吊小车和连接于轨道吊小车下方的吊具，还包括标定装置、目标检测装置和吊具检测装置；所述的吊具检测装置设于轨道吊小车和吊具的连接处；所述的目标检测装置具有两个，均连接于轨道吊小车下方，并对应设于轨道吊小车的两侧；所述的标定装置由六块标识组成，其中有四块标识形成一矩形且高度一致，另外两块标识设置于外侧且高度一致，但大于四块标识的高度，每块标识均由有源标识和无源标识组成，有源标识用以吊具检测装置的标定，无源标识用以目标检测装置的标定。通过本发明的标定装置可以方便快捷的将吊具检测装置和目标检测装置的空间坐标系转换到同一基准坐标系。

Description

一种集装箱起重机自动化检测标定系统及方法

技术领域

本发明涉及起重机自动化检测标定系统及方法，更具体地说，涉及一种集装箱起重机自动化检测标定系统及方法。

背景技术

在每个港口都有大量的集装箱需要卸载、转运到临时堆场，而后再装载到各种形式的运输工具上，其装卸过程需要投入大量的时间和人工成本。全自动化码头不仅可以提高生产效率，降低人工成本，还能够改善工人的工作环境，降低劳动强度，提高港口的综合竞争力，所以建设全自动化码头已成为国内外众多集装箱码头发展的必然趋势。

全自动化码头设备主要包括岸边集装箱起重机(QC)，轨道式集装箱门式起重机(RMG)，自动导航小车(AGV)等设备。其中，轨道式集装箱门式起重机，又称为轨道吊(以下都称为轨道吊)，是专门用来装卸集装箱的一种起重机，在码头的集装箱堆场区域内作业。轨道吊是采用大车和小车编码器来进行位置定位的，使吊具粗定位于目标集装箱上方。为实现全自动抓放箱，需在起重机上装有SDS(吊具检测装置)、TDS(目标检测装置)。自动化检测系统主要包括目标检测装置(TDS)和吊具检测装置(SDS)。目标检测装置用于检测目标集装箱、AGV或集卡的相对于起重机的位置，吊具检测装置用于检测当前吊具相对于起重机的位置，用于起重机准确的抓放集装箱。

目前检测吊具的方法较多采用的是机器视觉方式，目标箱子检测采用的是激光扫描测距的方式来实现。如果要精确检测吊具位置和目标箱子位置，就需要对吊具检测传感器(摄像机)和目标位置检测传感器(激光扫描仪)进行标定，以纠正吊具检测传感器和目标位置检测传感器的坐标系。但是起重机的机械结构，如：大车轨道倾斜，弯曲，起重机大梁形变等，也会对吊具检测传感器和目标检测传感器的测量精度产生影响。如果要减少或者消除机械结构等因素的影响，一种方法是对每一个箱位进行一次标定。但这种方法耗时耗力，操作复杂，很明显这种标定方法存在很多的不足之处。

现有标定方法，需要对吊具检测装置和目标检测装置标定以及两者共同标定，再进行标定过程中，主要存在以下一些不足：

1.标定之前，需要准备的东西较多，需要将堆场至少一个贝位清空，另准备5个集装箱，标定进行时，堆场作业需要停止。

2.标定过程相对繁琐，需要专业人员进行操作，标定结果，因人而异，不同人员标定出来的精度有不一样。

3.标定时间较长。初步标定完具检测系统和目标检测装置需要1个小时，标定完以后，还要对两个系统进行共同标定，并在堆场进行叠箱测试，在测试过程中进一步微调标定参数，此时耗时3-8小时，具体操作时间和此时标定操作的人员以及机器状态有关系。

4.每次标定只能控制一台起重机的标定精度，对其它起重机的标定精度无法准确控制，在两台机进行互叠互抓时误差会各不相同。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种集装箱起重机自动化检测标定系统及方法，通过本发明能够快速、方便、准确的完成目标检测装置和吊具检测装置的标定，极大的减少了目标检测装置和吊具检测装置的维护时间，提高劳动效率，并能够更准确的完成抓放集装箱。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种集装箱起重机自动化检测标定系统，包括轨道吊小车和连接于轨道吊小车下方的吊具，还包括标定装置、目标检测装置和吊具检测装置；

所述的吊具检测装置设于轨道吊小车和吊具的连接处；

所述的目标检测装置具有两个，均连接于轨道吊小车下方，并对应设于轨道吊小车的两侧；

所述的标定装置由六块标识组成，其中，第一标识、第三标识、第四标识和第五标识设置为一矩形，第一标识和第四标识之间的距离与第三标识和第五标识之间的距离一致，第一标识和第三标识之间的距离与第四标识和第五标识之间的距离一致，第二标识对应且平行设置于第三标识的外侧，第六标识对应且平行设置于第五标识的外侧，第一标识、第三标识、第四标识和第五标识的高度一致，第二标识和第六标识的高度一致并大于第一标识、第三标识、第四标识和第五标识的高度，每块标识均由有源标识和无源标识组成，其中，有源标识用以吊具检测装置的标定，无源标识用以目标检测装置的标定。

所述的吊具检测装置采用带红外滤光片的摄像机。

所述的目标检测装置采用激光扫描仪。

所述的有源标识为圆形，且采用红外灯的光源。

所述的无源标识为菱形，且采用高能反光材料。

一种集装箱起重机自动化检测标定的方法，包括以下步骤：

S1，将标定装置安装并固定在集卡交互区的集卡车道两侧，通过调整调节螺栓，使标定装置处于水平；

S2，架设徕卡坐标系，测量出标定装置在小车坐标系下的坐标值；

S3，将集装箱起重机开到标定的位置，吊具下降到离地7m高度；

S4，将有源标识通电后，吊具检测装置对有源标识进行图像采样，计算出有源标识在相机坐标系的像素坐标，并将像素坐标发送给PLC；

S5，PLC接收到有源标识的像素坐标后，根据有源标识的像素坐标，结合有源标识之间的位置关系，计算出有源标识在摄像机中三维坐标值，结合有源标识在小车坐标系下的坐标，计算摄像机坐标系与小车坐标系之间的转换关系，并将转换矩阵存储到PLC中，至此吊具检测装置的标定完成；

S6，吊具检测装置的标定完成后，PLC发送指令给目标检测装置，装置收到指令后，开始扫描地面上的无源标识，激光扫描仪将无源标识重心提取出来，得到无源标识在激光扫描仪中的坐标，结合无源标识在小车坐标系中的坐标，计算目标检测装置的两个激光扫描仪与小车坐标系之间的转换关系，并将计算出来的转换矩阵存储到PLC中；

S7，PLC自动校验标定结果，并显示在界面上，若标定结果显示成功，则整个检测标定工作结束。

所述的S3中集装箱起重机开到标定的位置，包括轨道吊大车、小车和起升都需要到达指定的位置。

所述的S4中图像采样，至少要采集到六个有源标识。

所述的S6中激光扫描仪分别获取三个无源标识的点云图像，然后计算无源标识在激光扫描仪坐标系中的中心。

在上述技术方案中，本发明具有的有益效果为，在标定过程中，吊具检测装置检测标定装置中的有源标识，目标检测装置检测标定装置中的无源标识，通过标定装置可以方便、快捷的将吊具检测装置的摄像机的空间坐标系和目标检测装置的激光扫描仪的空间坐标系转换到同一基准坐标系(小车坐标系)，而且标定可以自动进行，设备维护人员经过简单培训后就可以进行标定操作，不需要专业人员来进行标定操作，小车在一个位置就可以将目标检测装置、吊具检测装置标定好，在标定过程时起重机开到指定位置后，就不需要再动了，整个标定过程可以控制在10分钟内，大大提高了标定的效率。

附图说明

图1是本发明目标检测装置和吊具检测装置的示意图；

图2是本发明标定装置的俯视图；

图3是图2的下视图；

图4是图2中a的放大图；

图5是本发明工作区域坐标信息以及标定装置安装示意图；

图6是本发明标定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请结合图1所示，本发明的一种集装箱起重机自动化检测标定系统，目标检测装置3具有两个，均连接于轨道吊小车1下方，并对应设于轨道吊小车1的两侧，是基于激光测距技术的测量系统，检测物体包括集装箱、集卡、AGV、伴侣支架等等，协助起重机对目标物体进行定位，从而进行自动化作业，本实施例中采用激光扫描仪；吊具检测装置2设于轨道吊小车1和吊具4的连接处，是利用光学原理及图像处理技术，通过检测安装在吊具上的红外结构光位置，计算出吊具空间位置和姿态信息，借助此装置可以实现吊具防摇、防倾转、以及负载定位等功能，本实施例中采用带红外滤光片的摄像机，通过与目标检测装置3配合，实现起重机自动作业。

请结合图2和图4所示，本发明的一种集装箱起重机自动化检测标定系统，还包括标定装置5、目标检测装置3和吊具检测装置2，所述的标定装置由六块标识501-506组成，其中，第一标识501、第三标识503、第四标识504和第五标识505设置为一矩形，第一标识501和第四标识504之间的距离d1与第三标识503和第五标识505之间的距离d1一致，第一标识501和第三标识503之间的距离d2与第四标识504和第五标识505之间的距离d2一致，第二标识502对应且平行设置于第三标识503的外侧，第六标识506对应且平行设置于第五标识505的外侧，第一标识501、第三标识503、第四标识504和第五标识505的高度h2一致，第二标识502和第六标识506的高度h1一致并大于第一标识501、第三标识503、第四标识504和第五标识505的高度h2，每块标识均由有源标识a1和无源标识a2组成，其中，有源标识a1用以吊具检测装置2的标定，无源标识a2用以目标检测装置3的标定，有源标识a1为圆形，且采用红外灯的光源，无源标识a2为菱形，且采用高能反光材料；吊具检测装置2采用采用带红外滤光片的摄像机，可以很好将可见光滤除，准确的将有源标识a1进行识别，无源标识a2采用高能反光材料，目标检测装置3采用激光扫描仪用以识别无源标识a2，激光点打在上面具有很高的能量值，激光器扫描出无源标识a2的轮廓后，根据返回激光点的能量值，准确的将无源标识a2的轮廓提取出来。

在工作使用过程中，吊具检测装置2的工作范围一般是4-26m，目标检测装置3的工作距离一般是4-26m，为保证吊具检测装置2和目标检测装置3在工作范围内检测精度的一致性，因此第五标识505和第六标识506之间的高度差一般建议在3m以上，从而保证叠放五或六层集装箱精度满足实际使用要求。

请结合图5所示，本发明的一种集装箱起重机自动化检测标定系统，标定装置5安装在轨道吊集卡交互区或者集装箱箱区，占用两个箱位，吊具4两侧各分布一个3.5m高之间和一个矮支架，优势就是，轨道吊小车1在同一位置，能够同时标定完两个激光器扫描仪，在标定过程中，轨道吊大车6、小车1、起升都不需要动，坐标系O_lX_lY_lZ_l为轨道吊小车1坐标系。O_lX_l轴指向轨道吊大车6前进方向，O_lY_l轴指向轨道车小车1前进方向，O_lZ_l轴由右手定则确定，坐标系O_cX_cY_cZ_c为吊具检测装置2坐标系，坐标系O_d1X_d1Y_d1Z_d1为目标检测装置3一坐标系，O_d2X_d2Y_d2Z_d2为目标检测装置3二坐标系。

利用于对目标检测装置3和吊具检测装置2的标定，通过标定装置5将目标检测装置3坐标系和吊具检测装置2坐标系同时都转换到小车坐标系，使两套装置处于同一坐标原点，通过标定装置5不仅能将单个装置标定好，同时还能两套装置位于同一基准点。

目标检测装置3标定原理为，激光器扫描仪在实际使用过程中，需要将激光器扫描仪自身的坐标系统转换为外界的测量基准坐标系，即轨道吊小车1坐标系，需要计算激光器扫描仪相对于测量基准坐标系的姿态，物体的姿态有六个自由度，包括三个旋转和三个平移，经典的三维坐标系统标定主要是模板法，即通过三维坐标已知的被测点将激光器扫描仪坐标系和测量基准坐标系联系起来。从而求出两个坐标系的转换矩阵。

实际中由于激光器扫描仪脉冲是不可见的，且扫描点是离散的，因此被测点在基准坐标系内的三维坐标无法精确获取，使得标定精度较差，根据激光器扫描仪本身的特性，激光器扫描仪对不同的材料反射率是不一样，能量值也不一样，本发明对无源标识a2采用一种高能材料，激光器扫描仪对此敏感度非常高，反射回来的点能量值也很高，利用能量值这一特点，设置一定阈值，将所有满足要求的激光点筛选出来，获取无源标识a2的轮廓，并利用这些点求取无源标识a2的重心，从而求取六个无源标识a2在激光器扫描仪中的坐标{(x_dai,y_lai,z_lai)}(i＝1,2,3,4,5,6)，与此同时，利用电子全站仪测量标识板在轨道吊小车1坐标系中的坐标{(x_lai,y_lai,z_lai)}(i＝1,2,3,4,5,6)，利用{(x_lai,y_lai,z_lai)}和{(x_dai,y_lai,z_lai)}计算激光器扫描仪坐标系和轨道吊小车1坐标系之间的转换关系T_d→l，最后把标定结果存储在工业计算机(PLC)中。

吊具检测装置2标定原理为，同样，在工作使用过程中，需要将摄像机坐标系转换到轨道吊小车1坐标系，需要三个以上公共点将摄像机坐标系和轨道吊小车1坐标系联系起来，求出两个坐标系之间的关系。

有源标识a1是用于摄像机的识别，有源标识a1是采用的红外灯的光源，摄像头安装有滤光片，从而保证摄像机能够准确的识别出有源标识a1的圆心，结合有源标识a1之间的位置关系，计算出有源标识a1在摄像机中的空间坐标{(x_cbi,y_cbi,z_cbi)}(i＝2,3,5,6)，与此同时，利用电子全站仪测量有源标识a1在轨道吊小车1坐标系中的空间坐标{(x_lbi,y_lbi,z_lbi)}(i＝2,3,5,6)，利用{(x_cbi,y_cbi,z_cbi)}和{(x_lbi,y_lbi,z_lbi)}(i＝2,3,5,6)计算出摄像机坐标系和轨道吊小车1坐标系之间转换关系T_c→l，最后把标定结果存储在工业计算机(PLC)中。

请结合图6所示，本发明的一种集装箱起重机自动化检测标定的方法，包括以下步骤：

S1，将标定装置安装并固定在集卡交互区的集卡车道两侧，为不影响集卡车道正常作业，尽量靠近堆场，安装时尽量使标定装置水平，若不水平，可以通过调整调节螺栓，使标定装置处于水平；

S2，架设徕卡坐标系，测量出标定装置在小车坐标系下的坐标值{(x_lai,y_lai,z_lai)}(i＝1,2,3,4,5,6)和{(x_lbi,y_lbi,z_lbi)}(i＝1,2,3,4,5,6)；

S3，将集装箱起重机开到标定的位置，吊具下降到离地7m高度；

S4，将有源标识通电后，吊具检测装置对有源标识进行图像采样，图像处理算法根据视野范围内有源标识红外光灯的个数来判断此时相机处于何种工作状态，计算出有源标识在相机坐标系的像素坐标，并将像素坐标发送给PLC；

S5，PLC接收到有源标识的像素坐标后，根据有源标识的像素坐标，结合有源标识之间的位置关系，计算出有源标识在摄像机中三维坐标值{(x_cbi,y_cbi,z_cbi)}(i＝2,3,5,6)，结合有源标识在小车坐标系下的坐标{(x_lbi,y_lbi,z_lbi)}(i＝2,3,5,6)，计算摄像机坐标系与小车坐标系之间的转换关系T_c→l，并将转换矩阵存储到PLC中，至此吊具检测装置的标定完成；

S6，吊具检测装置的标定完成后，PLC发送指令给目标检测装置，装置收到指令后，开始扫描地面上的无源标识，激光扫描仪将无源标识重心提取出来，得到无源标识在激光扫描仪中的坐标{(x_dai,y_dai,z_dai)}(i＝1,2,3,4,5,6)，结合无源标识在小车坐标系中的坐标{(x_lai,y_lai,z_lai)}(i＝1,2,3,4,5,6)，计算目标检测装置的两个激光扫描仪与小车坐标系之间的转换关系T_d→l，并将计算出来的转换矩阵存储到PLC中；

S7，PLC自动校验标定结果，并显示在界面上，若标定结果显示成功，则整个检测标定工作结束。

所述的S3中集装箱起重机开到标定的位置，包括轨道吊大车、小车和起升都需要到达指定的位置。

所述的S4中图像采样，至少要采集到六个有源标识。

所述的S6中激光扫描仪分别获取三个无源标识的点云图像，然后计算无源标识在激光扫描仪坐标系中的中心。

另外，在标定工作的过程中，需要一次性将吊具检测装置和目标检测装置标定完成，在两个系统没有完全标定完之前，起重机各个机构都必须保证不动作，从而保证标定的精度以及两套系统的的一致性，如果在标定过程中，动过小车或者大车，再回到标定位置，这样是无法保证两套装置在同一个坐标系。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种集装箱起重机自动化检测标定系统，包括轨道吊小车和连接于轨道吊小车下方的吊具，其特征在于，还包括标定装置、目标检测装置和吊具检测装置；

所述的吊具检测装置设于轨道吊小车和吊具的连接处；

所述的目标检测装置具有两个，均连接于轨道吊小车下方，并对应设于轨道吊小车的两侧；

所述的标定装置由六块标识组成，其中，第一标识、第三标识、第四标识和第五标识设置为一矩形，第一标识和第四标识之间的距离与第三标识和第五标识之间的距离一致，第一标识和第三标识之间的距离与第四标识和第五标识之间的距离一致，第二标识对应且平行设置于第三标识的外侧，第六标识对应且平行设置于第五标识的外侧，第一标识、第三标识、第四标识和第五标识的高度一致，第二标识和第六标识的高度一致并大于第一标识、第三标识、第四标识和第五标识的高度，每块标识均由有源标识和无源标识组成，其中，有源标识用以吊具检测装置的标定，无源标识用以目标检测装置的标定。

2.如权利要求1所述的一种集装箱起重机自动化检测标定系统，其特征在于，所述的吊具检测装置采用带红外滤光片的摄像机。

3.如权利要求1所述的一种集装箱起重机自动化检测标定系统，其特征在于，所述的目标检测装置采用激光扫描仪。

4.如权利要求1所述的一种集装箱起重机自动化检测标定系统，其特征在于，所述的有源标识为圆形，且采用红外灯的光源。

5.如权利要求1所述的一种集装箱起重机自动化检测标定系统，其特征在于，所述的无源标识为菱形，且采用高能反光材料。

6.一种集装箱起重机自动化检测标定的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将标定装置安装并固定在集卡交互区的集卡车道两侧，通过调整调节螺栓，使标定装置处于水平；

S2，架设徕卡坐标系，测量出标定装置在小车坐标系下的坐标值；

S3，将集装箱起重机开到标定的位置，吊具下降到离地7m高度；

S4，将有源标识通电后，吊具检测装置对有源标识进行图像采样，计算出有源标识在相机坐标系的像素坐标，并将像素坐标发送给PLC；

S5，PLC接收到有源标识的像素坐标后，根据有源标识的像素坐标，结合有源标识之间的位置关系，计算出有源标识在摄像机中三维坐标值，结合有源标识在小车坐标系下的坐标，计算摄像机坐标系与小车坐标系之间的转换关系，并将转换矩阵存储到PLC中，至此吊具检测装置的标定完成；

S6，吊具检测装置的标定完成后，PLC发送指令给目标检测装置，装置收到指令后，开始扫描地面上的无源标识，激光扫描仪将无源标识重心提取出来，得到无源标识在激光扫描仪中的坐标，结合无源标识在小车坐标系中的坐标，计算目标检测装置的两个激光扫描仪与小车坐标系之间的转换关系，并将计算出来的转换矩阵存储到PLC中；

S7，PLC自动校验标定结果，并显示在界面上，若标定结果显示成功，则整个检测标定工作结束。

7.如权利要求6所述的一种集装箱起重机自动化检测标定的方法，其特征在于，所述的S3中集装箱起重机开到标定的位置，包括轨道吊大车、小车和起升都需要到达指定的位置。

8.如权利要求6所述的一种集装箱起重机自动化检测标定的方法，其特征在于，所述的S4中图像采样，至少要采集到六个有源标识。

9.如权利要求6所述的一种集装箱起重机自动化检测标定的方法，其特征在于，所述的S6中激光扫描仪分别获取三个无源标识的点云图像，然后计算无源标识在激光扫描仪坐标系中的中心。