CN105819341A - 集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统及方法，系统包括控制器和分别与控制器连接的岸桥PLC控制系统、激光扫描仪和显示器或报警装置。与现有技术相比，本发明的积极效果是：通过对现有的船舶轮廓扫描系统进行改进，采用激光扫描仪对船舶轮廓进行完整扫描，通过识别船上排位和吊具位置，防止由于指挥手或司机人为失误引起的装船位置错误；同时能对船舶晃动、离帮等危险情况进行监测报警；并通过应用最新激光扫描仪产品降低了成本。

Description

集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统及方法

技术领域

本发明涉及一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统及方法。

背景技术

岸边桥式起重机是集装箱码头作业的重要机械，其效率、安全、作业正确性对码头作业有着重要影响。岸边桥式起重机具有吊具钢索长、起升和小车速度快的特点。在船舶上方作业时，由于司机看不清下方情况，可能会出现着箱过快导致箱损，甚至与船上结构发生碰撞造成损失。同时，由于岸边桥式起重机作业时追求效率，司机连续作业，有时会因为人为失误导致集装箱装错位置，由此引发倒箱作业影响效率，甚至导致集装箱发往错误目的地，造成经济、时间损失。同时，由于船舶作业时受到潮汐涨落、缆绳松弛、配重变化等影响，会发生晃动、漂离岸边(离帮)等现象，对作业产生安全影响。

目前市场上针对堆场内的集装箱堆码轮廓扫描系统，利用激光扫描仪对堆场内码垛的集装箱轮廓进行扫描，建立了堆码集装箱轮廓，可以实现堆场内龙门起重机的防撞和排位识别，防止撞箱或堆码错误的发生，但该系统针对堆场内龙门起重机，不适用于岸边桥式起重机。

国外的船舶轮廓扫描系统，利用激光扫描仪对船舶轮廓进行扫描，实现防撞功能，但功能较为单一，且成本较高。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统及方法，利用激光扫描、自动控制领域的最新技术，结合船舶作业计划，旨在解决以下问题:

(1)防止岸边桥式起重机作业过程中吊具及其吊挂集装箱与船体、船上建筑和货物碰撞；

(2)通过识别船上排位和吊具位置，防止由于指挥手或司机人为失误引起的装船位置错误；

(3)对船舶晃动、离帮等危险情况进行监测报警。

本发明所采用的技术方案是：一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统，包括控制器和分别与控制器连接的岸桥PLC控制系统、激光扫描仪和显示器或报警装置；所述激光扫描仪用于接收控制器发出的扫描控制指令，对船舶轮廓和集装箱的堆码轮廓进行连续扫描，并交将扫描数据传送给控制器；所述岸桥PLC控制系统用于将编码器信息和吊具的开闭锁状态数据发送给控制器，并接收控制器发送的控制指令；所述控制器用于对接收到的扫描数据和状态数据进行运算和处理，得到船舶轮廓信息和运算结果，并将运算结果发送给显示器进行显示或发送给报警装置进行报警提示。

本发明还提供了一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别方法，包括如下步骤：

步骤一、初始化激光扫描仪安装参数和岸桥结构参数：

激光扫描仪安装参数包括安装高度、安装倾角、激光到吊具距离；岸桥结构参数包括鞍梁高度、鞍梁宽度、鞍梁距离、大梁前端高度、大梁到前鞍梁距离；

步骤二、利用激光扫描仪安装参数，以激光扫描仪的安装位置为原点，将激光扫描极坐标数据转换到激光直角坐标系；

步骤三、以岸桥前鞍梁中点在激光直角坐标系x轴上的投影为原点，将激光直角坐标数据转换到大车直角坐标系：

(1)确定前鞍梁在激光直角坐标系内的位置：

1)区域内寻找特征：

首先在鞍梁高度上下50cm内寻找特征为水平线段且长度固定的鞍梁特征；

然后在大梁高度上下50cm内寻找特征为竖直线段且高度固定大梁前端特征；

最后在吊具后方寻找特征为边沿激光射线长度突变的吊具特征；

2)特征匹配校核：

a)若利用上一时刻计算出的有效的激光扫描仪位置推算出的前鞍梁位置附近50cm内存在鞍梁特征线段，则该线段为前鞍梁；

b)若利用上一时刻计算出的有效的激光扫描仪位置推算出的后鞍梁位置附近50cm内存在鞍梁特征线段，则此线段为后鞍梁；

c)若利用上一时刻计算出的有效的激光扫描仪位置推算出的大梁前端位置附近50cm内存在大梁前端特征线段，则此线段为大梁前端；

d)如果a)、b)、c)都不满足，若存在两个鞍梁特征线段间距接近鞍梁间距，则该两个鞍梁特征线段为两侧鞍梁；

(2)将前鞍梁在激光直角坐标系下的位置取反得到激光扫描仪在大车直角坐标系中的位置OffsetX；

(3)将激光直角坐标通过平移变换成大车直角坐标，平移距离为OffsetX；

步骤四、将激光当前帧数据加入到历史帧数组中进行数据拼接，得到船舶轮廓：

(1)将岸桥下空间划分为5cm见方的格子，将不同时刻激光扫描帧内的激光点落在格子内形成的格点图进行累加拼接；

(2)利用编码器信息结合扫描到的岸桥的轮廓，对数据进行划分得到船上点，对所有船上点进行统计，找出其在格点图中对应的位置，即为船舶轮廓。

本发明进一步提供了一种利用船舶轮廓识别方法进行吊具排位识别的方法，求出所有船上点中x坐标最大的点和x坐标最小的点，从而得到船的两侧边缘位置，两侧边缘位置取中点即得到船体中心位置；根据码头作业系统TOS获取的船型信息，即可求得知船舱的总排数和排位分布；根据吊具的位置求得当前吊具所在的排位，若当前吊具所在的排位与TOS给出的当前作业的目标排不一致，则发出当前作业排位不正确的报警提示。

本发明还进一步提供了一种利用船舶轮廓识别方法实现吊具防撞的方法，对寻找到的吊具特征进行匹配校核识别出吊具位置，结合编码器位置确定的吊具高度，若二者相减差距小于50cm即认为吊具位置识别正确；然后对激光数据建立的障碍物地图进行遍历，如果障碍物与吊具之间的距离小于设定的安全距离，则进行减速控制。

本发明还进一步提供了一种利用船舶轮廓识别方法实现船舶倾斜角度报警的方法，其特征在于：对船上结构的上平面进行直线拟合，求得直线斜率，对斜率求正切即得到船舶倾斜角度，当倾斜角度大于设定的安全角度时，则进行船舱倾斜报警提示。

本发明还进一步提供了一种利用船舶轮廓识别方法实现船舶离帮报警的方法，对船两侧边沿进行水平位置跟踪，计算出当前船舶中心到岸边距离，当距离发生明显变化，大于设定的偏离值时，则进行船舱离帮报警提示。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：通过对现有的船舶轮廓扫描系统进行改进，应用最新的激光扫描轮廓识别技术，通过识别船上排位和吊具位置，防止由于指挥手或司机人为失误引起的装船位置错误；同时能对船舶晃动、离帮等危险情况进行监测报警；并通过应用最新激光扫描仪产品降低了成本。具体表现如下：

1.采用激光扫描仪对船舶轮廓进行完整扫描；

2.对船舶轮廓进行分析，求得排位分布；结合码头作业系统给出的信息，判断当前作业排位是否正确；

3.对船舶位置和形状特征持续监测，检测倾斜和离帮。

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是本发明的结构示意图；

图2是本发明的坐标系定义示意图；

图3为船舶和吊具等的轮廓图。

具体实施方式

一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统，如图1所示，包括岸桥(岸边桥式起重机)1、大臂2、小车驾驶室3、吊具4、小车5、鞍梁6、集装箱船体7、船上建筑8、船上集装箱9、岸边10、激光扫描仪11、激光扫描光束12等。

所述小车5设置在岸桥1的大臂2上，在小车驾驶室3内装有控制器及其所需电源、岸桥PLC控制系统和显示器，所述控制器分别与显示器和岸桥PLC控制系统连接；所述激光扫描仪11安装在小车5前部，并通过数据和电源电缆与小车驾驶室3内的控制器连接，激光扫描仪11接受控制器发出的信号对吊具和船舶轮廓进行扫描，并将扫描数据传送给控制器进行数据处理。

控制器的功能是实现激光扫描仪的控制和数据采集、船型轮廓的识别和防碰撞运算等功能，并通过与PLC接口实现信息的获取和控制命令的下发。

PLC为岸桥的核心电气控制设备，负责将小车编码器、起升编码器、吊具的开闭锁状态等信息发送给控制器，并接收控制器的指令实现控制的执行。

激光扫描仪11对其正下方进行连续扫描，可以获取船上集装箱9的堆码轮廓和集装箱船体7的船型轮廓等扫描数据。扫描数据经过控制器处理后，形成可靠的船型轮廓信息。激光扫描仪包括但不限于二维激光扫描仪/激光雷达和三维激光扫描仪/激光雷达。

由于轮船位置和轮廓不会突变，因此利用历史信息对激光盲区进行补全，并能检测轮船晃动。

一、船舶轮廓识别方法如下：

步骤一、初始化安装和结构参数

激光安装参数包括安装高度、安装倾角、激光到吊具距离；结构参数包括鞍梁高度、鞍梁宽度、鞍梁距离、大梁前端高度、大梁到前鞍梁距离等。

步骤二、将激光扫描极坐标数据转换到激光直角坐标系：

首先利用激光扫描仪的安装参数，以激光扫描仪的安装位置为坐标系原点，将激光扫描极坐标数据转换到笛卡尔坐标系(直角坐标系)：

x＝radial*cos(angle-AngleOffset)；y＝radial*sin(angle-AngleOffset)；

其中，x、y表示笛卡尔坐标系中激光扫描点位置，radial、angle表示极坐标下扫描点到激光扫描仪距离和角度，AngleOffset表示激光安装角度补偿值。

步骤三、将激光直角坐标数据转换到岸桥直角坐标系：

本系统主要用到两个坐标系，激光坐标系和岸桥坐标系(即大车坐标系)，如图2所示：

其中，激光坐标系O1以激光扫描仪为原点，水平方向朝向大臂前端为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向。上述步骤二坐标转换出来的激光数据点坐标为此坐标系下数值。

由于激光安装在小车上，随小车移动，而船舶轮廓与岸桥本体之间相对不动，因此为了后续计算，需要将激光点坐标转换到与岸桥固定不动的坐标系O2下。岸桥坐标系x轴和y轴的方向与激光坐标系平行，原点选取为前鞍梁中点在激光坐标系x轴上的投影。因此，从激光坐标系到岸桥坐标系的转换，只需要平移一个激光到前鞍梁的水平距离，此距离定义为OffsetX。

(1)确定前鞍梁在激光坐标系内位置：直接寻找明显的前鞍梁特征；或者找到后鞍梁、利用前、后鞍梁的固定距离得到；或者寻找大梁前端，利用大梁前端到前鞍梁的固定距离得到前鞍梁位置；或者找到间距接近鞍梁间距的两个鞍梁得到。具体的方法如下：

1)区域内寻找特征

首先在鞍梁高度附近(上下50cm内)寻找鞍梁特征，其特征为水平线段，长度固定；

然后在大梁高度范围附近(上下50cm内)寻找大梁前端，其特征为竖直线段，高度固定；

最后在吊具后方寻找吊具特征，其特征为边沿激光射线长度突变。

2)特征匹配校核

由于岸桥结构固定不变，因此鞍梁、大梁前端之间位置相对固定。选取前鞍梁为坐标原点，结合上一次计算出的激光扫描仪位置OffsetX，对找到的特征进行匹配和多余特征的剔除。

具体来说，如果上一时刻计算出过有效的激光扫描仪位置OffsetX(与PLC位置核对误差小于50cm为有效)，且利用此激光位置推算出的前鞍梁位置附近50cm内存在鞍梁线段，则此线段为前鞍梁；

如果上一时刻计算出过有效的激光扫描仪位置OffsetX(与PLC位置核对误差小于50cm为有效)，且利用此激光位置推算出的后鞍梁位置附近50cm内存在鞍梁线段，则此线段为后鞍梁；

如果上一时刻计算出过有效的激光扫描仪位置OffsetX(与PLC位置核对误差小于50cm为有效)，且利用此激光位置推算出的大梁 前端位置附近50cm内存在大梁前端线段，则此线段为大梁前端；

如果以上都不满足，若有两个鞍梁线段间距接近鞍梁间距(即：误差不超过50cm)，则其为两侧鞍梁。

(2)激光扫描仪与前鞍梁相对位置计算(作用是为了对吊具和船舶轮廓进行区分，以排除吊具点对轮廓的影响)

匹配完成后，根据前鞍梁位置，计算激光扫描仪在岸桥坐标系x轴方向的位置。激光扫描仪位置即等于前鞍梁在激光直角坐标系下的位置取反。

(3)将激光直角坐标通过平移变换成大车直角坐标：每个激光点相对岸桥坐标系的位置也可以求出，计算方法为：激光点在岸桥坐标系下的x＝激光点在激光坐标系下的x-激光到前鞍梁距离OffsetX；

步骤四、通过激光数据拼接得到船舶轮廓：

由于不同时刻激光视野不同，下方障碍物会被遮挡。因此要对激光数据进行拼接，组成完整轮廓信息。当前帧数据转换到岸桥坐标系后，将当前帧数据加入到激光数据历史帧数组中，因此可以针对轮廓图中的格点进行坐标点累加拼接。具体拼接方法为，首先将岸桥下空间划分为格点图，每个小格子宽度为5cm。每个格子有占用或不占用两种状态。如果当前激光扫描帧内有激光点落在格子内，则格子置为占用状态。这样，不同时刻的激光数据在格点图内形成累加拼接，补全了单帧数据的视野残缺。由于开闭锁导致提放箱，会引起船舶轮廓变化，因此当检测到吊具开闭锁，则对此时吊具所在位置附近(吊具中心点x前后150CM)的格点清零，重新累计激光点。

利用编码器信息结合扫描到的岸边桥式起重机的轮廓，可以对数据进行分割，划分为船上点和地面点。划分方法为，从鞍梁位置开始，向海测方向查找第一个高度超过鞍梁的点，此点往前所有点划分为船上点。对船上点进行统计，求x坐标的最大最小值，可以得到船的两侧边缘位置。两侧边缘位置取中点，即为船舶中心。

对所有船上点进行统计，找出其在格点图中对应的位置，即为船舶轮廓，如图3所示。

二、吊具排位识别方法：

利用第一部分识别出的船舶两侧边缘位置即能得到船体(即两侧边缘之间的部分)，从而求得船体中心位置。由于船上排位划分依据的是距离船体中心的距离，因此可以根据预先通过码头作业系统TOS获取的船型信息，得知此船总排数和排位分布。根据排位分布，可以知道每排距离船中心的位置，因此当知道吊具位置，就可以求得当前吊具所在的排位。TOS中还可以获得当前作业的目标排，与当前吊具所在排比较，如果所在排位不正确，系统可以通过声光提示或控制吊具旋锁的方式防止将集装箱放在错误排位。

排位计算公式为：P＝floor(|D|/Dis)*2(双数侧)和P＝floor(|D|/Dis)*2+1(单数侧)。其中，P代表排号，floor代表向下取整，D代表吊具到船中心位置，Dis代表排间距。其中双单数由船舶方向决定，需要提前输入。

三、防撞实现方法如下：

1、结合编码器位置，对激光识别出的吊具特征进行匹配校核。前述已经根据吊具特征(与激光的x方向距离一定，切边沿激光射线长度突变)识别出了吊具位置，通过编码器可以得出吊具钢缆长度即吊具高度，两者相减差距小于50cm即认为吊具位置识别正确。

2、对激光数据建立的障碍物地图进行遍历，如果有障碍物离吊具s位置太近(小于用户指定的安全距离)，则进行减速控制。

四、船舶倾斜角度报警实现方法：

对船上结构的上平面(如集装箱顶面、船舱顶面)进行直线拟合，可得直线斜率，对斜率求正切可以求出其倾斜角度，如果角度过大(大于用户指定的安全范围)，则进行声光报警。上平面的识别方法为，判断每个扫描点到其左右两侧两个点的x、y位置差，如果x差小于15cm、y差小于5cm则认为该点及其左右两侧两个点属于一个平面上的直线，y差大于5cm的位置为该直线的端点。

首先对直线段进行切分，排除、断点，只对足够长(大于4m)的直线段进行拟合。

直线拟合采用最小二乘方法，给定数据点pi(xi,yi)，其中i＝1,2,…,m。求近似直线y＝φ(x)。并且使得近似直线与y＝f(x)的偏差平方和最小。近似直线在点pi处的偏差δi＝φ(xi)-y，i＝1,2,...,m。

五、船舶离帮报警实现方法：

对船上结构的角点，特别是船两侧边沿进行水平位置跟踪，可以求出当前船舶中心到岸边距离。其识别方法见轮廓识别部分的步骤四。当距离发生明显变化(例如偏离了100cm，具体值可以配置设定)，说明发生离帮情形，即进行声光报警。

报警提示动作包括但不限于声光报警，也可通过文字提示、震动、减速停车、网络报警等方式。

本发明的工作原理是：系统包括核心器件为控制器、激光扫描仪，及显示器、电源适配器、交换机、线缆等附件。系统硬件核心设备是激光扫描仪和控制器，其与PLC、小车编码器、起升编码器、指示灯和控制开关等设备共同实现防碰撞控制。

该系统利用长距离激光扫描仪，通过扫描岸桥鞍梁和大臂前端横梁，建立固定坐标系；结合岸桥PLC控制系统提供的编码器信息和激光扫描轮廓，对船舶轮廓进行扫描识别和历史信息补全；同时利用船舶排位对称和船舶宽度、舱深度等信息，构建船舶箱位图，可与箱号识别系统和码头作业系统交互，实现作业指令的自动下发和校核。

Claims (10)

1.一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统，其特征在于：包括控制器和分别与控制器连接的岸桥PLC控制系统、激光扫描仪和显示器或报警装置；所述激光扫描仪用于接收控制器发出的扫描控制指令，对船舶轮廓和集装箱的堆码轮廓进行连续扫描，并交将扫描数据传送给控制器；所述岸桥PLC控制系统用于将编码器信息和吊具的开闭锁状态数据发送给控制器，并接收控制器发送的控制指令；所述控制器用于对接收到的扫描数据和状态数据进行运算和处理，得到船舶轮廓信息和运算结果，并将运算结果发送给显示器进行显示或发送给报警装置进行报警提示。

2.根据权利要求1所述的集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统，其特征在于：所述控制器、岸桥PLC控制系统和显示器设置在岸桥大臂的小车驾驶室内，所述激光扫描仪设置在小车前部。

3.根据权利要求1所述的集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统，其特征在于：所述编码器包括小车编码器和起升编码器。

4.一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、初始化激光扫描仪安装参数和岸桥结构参数：

激光扫描仪安装参数包括安装高度、安装倾角、激光到吊具距离；岸桥结构参数包括鞍梁高度、鞍梁宽度、鞍梁距离、大梁前端高度、大梁到前鞍梁距离；

步骤二、利用激光扫描仪安装参数，以激光扫描仪的安装位置为原点，将激光扫描极坐标数据转换到激光直角坐标系；

步骤三、以岸桥前鞍梁中点在激光直角坐标系x轴上的投影为原点，将激光直角坐标数据转换到大车直角坐标系：

(1)确定前鞍梁在激光直角坐标系内的位置：

1)区域内寻找特征：

首先在鞍梁高度上下50cm内寻找特征为水平线段且长度固定的鞍梁特征；

然后在大梁高度上下50cm内寻找特征为竖直线段且高度固定大梁前端特征；

最后在吊具后方寻找特征为边沿激光射线长度突变的吊具特征；

2)特征匹配校核：

a)若利用上一时刻计算出的有效的激光扫描仪位置推算出的前鞍梁位置附近50cm内存在鞍梁特征线段，则该线段为前鞍梁；

b)若利用上一时刻计算出的有效的激光扫描仪位置推算出的后鞍梁位置附近50cm内存在鞍梁特征线段，则此线段为后鞍梁；

c)若利用上一时刻计算出的有效的激光扫描仪位置推算出的大梁前端位置附近50cm内存在大梁前端特征线段，则此线段为大梁前端；

d)如果a)、b)、c)都不满足，若存在两个鞍梁特征线段间距接近鞍梁间距，则该两个鞍梁特征线段为两侧鞍梁；

(2)将前鞍梁在激光直角坐标系下的位置取反得到激光扫描仪在大车直角坐标系中的位置OffsetX；

(3)将激光直角坐标通过平移变换成大车直角坐标，平移距离为OffsetX；

步骤四、将激光当前帧数据加入到历史帧数组中进行数据拼接，得到船舶轮廓：

(1)将岸桥下空间划分为5cm见方的格子，将不同时刻激光扫描帧内的激光点落在格子内形成的格点图进行累加拼接；

(2)利用编码器信息结合扫描到的岸桥的轮廓，对数据进行划分得到船上点，对所有船上点进行统计，找出其在格点图中对应的位置，即为船舶轮廓。

5.根据权利要求4所述的集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别方法，其特征在于：在步骤四所述对格点图进行累加拼接时，如果检测到吊具开闭锁，则对吊具中心点前后150CM范围内的格点清零，重新累计激光点。

6.一种利用权利要求4所述的船舶轮廓识别方法进行吊具排位识别的方法，其特征在于：求出所有船上点中x坐标最大的点和x坐标最小的点，从而得到船的两侧边缘位置，两侧边缘位置取中点即得到船体中心位置；根据码头作业系统TOS获取的船型信息，即可求得知船舱的总排数和排位分布；根据吊具的位置求得当前吊具所在的排位，若当前吊具所在的排位与TOS给出的当前作业的目标排不一致，则发出当前作业排位不正确的报警提示。

7.根据权利要求6所述的吊具排位识别方法，其特征在于：所述吊具排位的计算方法为：

(1)双数侧的排位P＝floor(|D|/Dis)*2；

(2)单数侧的排位P＝floor(|D|/Dis)*2+1；

其中：P代表排号，floor代表向下取整，D代表吊具到船中心位置，Dis代表排间距。

8.一种利用权利要求4所述的船舶轮廓识别方法实现吊具防撞的方法，其特征在于：对寻找到的吊具特征进行匹配校核识别出吊具位置，结合编码器位置确定的吊具高度，若二者相减差距小于50cm即认为吊具位置识别正确；然后对激光数据建立的障碍物地图进行遍历，如果障碍物与吊具之间的距离小于设定的安全距离，则进行减速控制。

9.一种利用权利要求4所述的船舶轮廓识别方法实现船舶倾斜角度报警的方法，其特征在于：对船上结构的上平面进行直线拟合，求得直线斜率，对斜率求正切即得到船舶倾斜角度，当倾斜角度大于设定的安全角度时，则进行船舱倾斜报警提示。

10.一种利用权利要求4所述的船舶轮廓识别方法实现船舶离帮报警的方法，其特征在于：对船两侧边沿进行水平位置跟踪，计算出当前船舶中心到岸边距离，当距离发生明显变化，大于设定的偏离值时，则进行船舱离帮报警提示。