CN110220548A - 一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置及检测方法，通过测距模块对箱体内部的单点/多点进行测距，获得距离数据，通过与集装箱箱体大小数据的比较判断集装箱的装载状况，能在集装箱调拨作业中实时监测集装箱空重箱状态的改变，为堆场的空重箱调运提供实时可靠的信息。另外，通过实时测得的货物装载状况，还可估算当前的装载进度。

Description

一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于集装箱空重箱检测领域，具体涉及一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置及检测方法。

背景技术

集装箱是国际贸易中的重要运输方式之一，由于资源分布，地区经济发展不平衡和城市布局等因素的影响，集装箱货源分布和流向存在着很大差异，从而导致箱流在空间上、时间上的不平衡，这就涉及到集装箱空箱调运和重箱调运的问题，而空箱调运水平的高低会直接影响集装箱整个运输链条上的作业，集装箱的空箱检测可以有效提高空箱调运的效率，降低空箱堆存数量的增加，以及由此带来的金钱花销与空箱资源浪费。除此之外，集装箱的搬运过程中，空重箱混装运输可能会造成严重安全事故。例如：集装箱火车运输中，一节平车车厢上空重箱混装，在火车经过弯道时可能会因为离心力造成车辆脱轨。

目前关于集装箱的空重箱检测可查询到两个专利：《一种安装于集装箱专用吊具上的集装箱空重箱检测机构》，申请号为201820598415.7，授权公告号为CN208282929U；《集装箱空重箱自动检测报警装置》，申请号201720203615.3，授权公告号为CN206556734U。两种专利均是使用集装箱吊具上安装压/拉力或张力传感器来进行集装箱空重箱状态的检测。

传统的集装箱空重箱监测方式除了人力检测外，主要通过在集装箱吊具上安装拉力与压力传感器的方法获得集装箱的空重箱状态。这种方法只能在堆场调拨作业中通过吊臂检测，不能在集装箱调拨作业中实时监测集装箱空重箱状态的改变。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本发明提供了一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置及检测方法，其目的在于能在集装箱调拨作业中实时监测集装箱空重箱状态的改变。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以解决：

一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置，包括测距模块和处理器，所述测距模块安装在集装箱的箱门一端，且测距模块的测点能够打到集装箱上与箱门相对的一端，所述处理器与所述测距模块连接，所述处理器用于根据所述测距模块的测量数据计算集装箱的装箱状况。

进一步地，集装箱的箱门一端沿箱门的高度方向安装有若干测距模块，每个测距模块均与所述处理器连接。

进一步地，测距模块的数量等于集装箱中货物的层数，相邻两个测距模块之间的间距大于一层货物的高度，且小于两层货物的高度。

一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：集装箱在空箱状况下，测距模块测距，测距模块将其测量值B发送给处理器；

步骤二：将集装箱在空箱状况下的箱体内部深度L输入处理器；

步骤三：处理器根据获取的测量值B和箱体内部深度L，计算测距模块与集装箱顶壁之间形成的安装角度θ；

步骤四：集装箱在装载状况下，测距模块测距，测距模块将其测量值B_装发送给处理器；

步骤五：处理器根据获取的测量值B_装和安装角度θ计算集装箱未装载部分的深度L_空；

步骤六：处理器根据获取的空箱状况下的箱体内部深度L和未装载部分的深度L_空计算集装箱的装箱状况v。

进一步地，步骤三中，安装角度θ的计算方法为：

进一步地，步骤五中，集装箱未装载部分的深度L_空的计算方法为：L_空＝B_装cosθ。

进一步地，步骤六中，集装箱的装箱状况r的计算方法为：

进一步地，步骤四中，测距模块进行多次测距，处理器根据多次测距得到的测量值计算出多次测距的平均值。

进一步地，当安装n个测距模块时，步骤一中，每个测距模块测距，每个测距模块将其对应的测量值B₁，B₂…B_n发送给处理器；

步骤三中，处理器根据获取的每个测距模块对应的测量值B₁，B₂…B_n和箱体内部深度L，计算每个测距模块与集装箱顶壁之间形成的安装角度θ₁，θ₂…θ_n；

步骤四中，每个测距模块测距，每个测距模块将其对应的测量值B_装1、B_装2…B_装n发送给处理器；

步骤五中，处理器根据获取的每个测距模块的测量值B_装1、B_装2…B_装n和对应的安装角度θ₁，θ₂…θ_n计算集装箱未装载部分的深度L_空1、L_空2…L_空n；

步骤六中，处理器根据获取的空箱状况下的箱体内部深度L和未装载部分的深度L_空1、L_空2…L_空n计算集装箱对应的装箱状况v₁、v₂...v_n；

还包括步骤七：处理器根据获取的集装箱对应的装箱状况v₁、v₂...v_n计算集装箱的整体装箱状况，具体计算为：

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置，将测距模块安装在集装箱的箱门一端，且测距模块的测点能够打到集装箱上与箱门相对的一端，处理器与测距模块连接，处理器用于根据所述测距模块的测量数据计算集装箱的装箱状况。可见本发明的检测装置结构简单，操作方便，能在集装箱调拨作业中实时监测集装箱空重箱状态的改变，而且使用过程安全可靠。

进一步地，测距模块的数量等于集装箱中货物的层数，相邻两个测距模块之间的间距大于一层货物的高度，且小于两层货物的高度，使得测得的集装箱装载状况接近真实状况。

本发明一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置的检测方法，通过测距模块对箱体内部的单点/多点进行测距，获得距离数据，通过与集装箱箱体大小数据的比较判断集装箱的装载状况，能在集装箱调拨作业中实时监测集装箱空重箱状态的改变，为堆场的空重箱调运提供实时可靠的信息。另外，通过实时测得的货物装载状况，还可估算当前的装载进度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测距方法的示意图；

图2为本发明货物装载状况下测距方法的示意图；

图3为本发明货物装载状况下测距方法的示意图；

图4为实施例1集装箱单点测距空箱测距示意图；

图5为实施例1集装箱单点测距重箱60％装载测距示意图；

图6为实施例1集装箱单点测距重箱80％装载测距示意图；

图7为实施例1集装箱单点测距判断流程图；

图8为实施例2集装箱多点测距示意图；

图9为实施例2构建的深度图；

图10为实施例2构建的深度图；

图11为实施例2构建的深度图；

图12为实施例1和实施例2集装箱定位参量示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置，包括测距模块和处理器，测距模块安装在集装箱的箱门一端，且测距模块的测点能够打到集装箱上与箱门相对的一端，处理器与测距模块连接，处理器用于根据测距模块的测量数据计算集装箱的装箱状况。本发明的测距模块通常可选用GP2Y0A21或VL53L1X，处理器通常可选用STM8或STM32。

根据实际使用情况，可以选择单点测距，即使用一个测距模块进行测距；也可以选择多点测距，即使用多个测距模块进行测距。

如图1所示，当选择单点测距时，优选的，将测距模块安装在集装箱的箱门的顶端，且调整安装角度，使得测距模块的测点能够打到集装箱的底面与箱门正对面的交界处。

如图3所示，当选择多点测距时，优选的，将测距模块沿箱门的高度方向安装，每个测距模块均与处理器连接。根据集装箱的使用情况，使测距模块的数量等于集装箱中货物的层数，且相邻两个测距模块之间的间距大于一层货物的高度，且小于两层货物的高度，这样既能够保证测得的集装箱装载状况接近真实状况，又能够节约成本。当然，也可以设置更多的测距模块进行测距，这样测得的集装箱装载状况更加准确，同时，耗费的成本也会越大。

一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置的检测方法，具体步骤如下：

步骤一：当集装箱在空箱状况下时，控制测距模块测距，测距模块将其测量值B发送给处理器；

步骤二：对于不同的集装箱，根据集装箱的特性参数，给处理器输入集装箱在空箱状况下的箱体内部深度L；

步骤三：如图1所示，处理器根据测量值B和箱体内部深度L，计算测距模块与集装箱顶壁之间形成的安装角度θ，具体的计算方法为：

步骤四：如图2所示，完成上述步骤中的相应参数测量计算后，开始装箱，集装箱在装载状况下，测距模块实时测距，同时测距模块将其测量值B_装发送给处理器；为了使得测量结果更加准确，可控制测距模块进行多次测距，处理器根据多次测距得到的测量值计算出多次测距的平均值；

步骤五：如图2所示，处理器根据获取的测量值B_装和安装角度θ计算集装箱未装载部分的深度L_空，具体的计算方法为：

L_空＝B_装cosθ

步骤六：处理器根据获取的空箱状况下的箱体内部深度L和未装载部分的深度L_空计算集装箱的装箱状况v，这里获得的装箱状况v就表示货物已经占了整个集装箱空间的百分比，具体的计算方法为：

作为本发明的某一优选方案，可以安装n个测距模块进行测距，即多点测距，能够使得最终测得的集装箱的装载状况更加接近实际装箱状况，n的取值可根据不同的集装箱进行灵活的选择。当安装n个测距模块进行测距时，具体步骤如下：

步骤一：当集装箱在空箱状况下时，控制每个测距模块测距，每个测距模块将其对应的测量值B₁，B₂…B_n发送给处理器；

步骤二：对于不同的集装箱，根据集装箱的特性参数，给处理器输入集装箱在空箱状况下的箱体内部深度L；

步骤三：处理器根据获取的每个测距模块对应的测量值B₁，B₂…B_n和箱体内部深度L，计算每个测距模块与集装箱顶壁之间形成的安装角度θ₁，θ₂…θ_n，计算方法同上安装角度的计算方法；

在这里需要说明的是，在选择多点测距时，优选的，在安装测距模块时，直接使测距模块能够测量水平方向的距离，即将每一个测距模块与集装箱顶壁之间形成的安装角度调整为0°；

步骤四：完成上述步骤中的相应参数测量计算后，开始装箱，控制每个测距模块测距，同时每个测距模块将其对应的测量值B_装1、B_装2…B_装n发送给处理器；

步骤五：处理器根据获取的每个测距模块的测量值B_装1、B_装2…B_装n和对应的安装角度θ₁，θ₂…θ_n计算集装箱未装载部分的深度L_空1、L_空2…L_空n，计算方法同上集装箱未装载部分的深度的计算方法；

如采用步骤四中的优选方案时，集装箱未装载部分的深度就等于每个测距模块的测量值；

步骤六中，处理器根据空箱状况下的箱体内部深度L和未装载部分的深度L_空1、L_空2…L_空n计算集装箱对应的装箱状况v₁、v₂...v_n，计算方法同上装箱状况计算方法；

步骤七：处理器根据获取的集装箱对应的装箱状况v₁、v₂...v_n计算集装箱的整体装箱状况，具体计算方法为：

以上实施方式，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换，例如下面所介绍的两种实施例，就是对本发明技术方案的另一种应用方式。

具体的，在以下实施例中，将测距模块测得的距离B定义为比较基准，即根据比较基准B对集装箱的装载状况进行预估。

实施例1：单点测距的实施例：

第一步：箱体特征参数初始化，对于不同的集装箱，测距模块的安装角度不同，其比较基准B也不同，当选择了箱体后，才能根据该箱体的高度H与长度L参数计算出相应的比较基准B与安装角度θ；

选择20TEU的集装箱，接下来进行比较基准B与安装角度的计算：

定义一：测距安装角度θ，20TEU集装箱的L＝5.898m是集装箱箱体的内壁长度，即集装箱的深度，H＝2.385m是集装箱箱体的内壁高度，W＝2.350m是集装箱箱体的内壁宽度，可根据箱体高度H和箱体深度L计算安装角度，这里选用H和L进行计算，θ的计算公式如下：

定义二：比较基准B，比较基准B这里选择三个等级，分别是B(0％)，B(60％)，B(80％)，它分别表示集装箱的空箱、60％装载的重箱和80％装载的重箱状况，比较基准B的表达式如下：

B＝[B(0％) B(60％) B(80％)]

B(0％)的计算如图4所示，图中集装箱为空箱的示意图：

B(60％)的计算如图5所示，图中集装箱大致装满了60％货物的示意图：

B(80％)的计算如图6所示，图中集装箱大致装满了80％货物的示意图：

则：

B＝[6.362 2.545 1.272]

第二步：自校准，选择了空箱自校准，启动测距模块，在集装箱空箱情况下，进行模块测距，得到B(0％)＝a，则

B＝[a 2.545 1.272]

第三步：装载状态参数样本采集，处理器控制测距模块进行n次测距，这里取n＝10，10次测距分别得到距离e_1,1,e_1,2,e_1,3,e_1,4,e_1,5,e_1,6,e_1,7,e_1,8,e_1,9,e_1,10，得到当前的平均距离数据e(这里只有1个测距点，所以不进行下标)：

第四步：样本数据处理，如图7所示，这是比较的流程图，距离数据e与比较基准B进行比较判断，得到集装箱的空重箱情况为空箱还是重箱，并且在重箱情况下的装载货物情况：

当e<B(0％)＝a时，判断为重箱，否则为空箱；

若已判断为重箱，将e与B(60％)比较，若e<B(60％)＝2.545时,继续进行比较，否则判断装载情况为重箱，且装载大约60％的货物；

若已判断为60％装载重箱，将e与B(80％)比较，若e<B(80％)＝1.272时,判断装载情况为重箱装载大约100％，否则判断为重箱且装载大约60％的货物。

实施例2：多点测距的实施例：

第一步：点数选择，对于多点测距方法，首先确定需要的测距数，若有M个测距点，记为α₁,α₂,...,α_M，这里选择M＝9个点进行测距；

第二步：箱体特征参数初始化，对于不同的集装箱，比较基准B不尽相同，根据所选择的集装箱箱体类型，选择所需的比较基准B与安装角度θ；

定义一：测距安装角度θ，20TEU集装箱的L＝5.898m是集装箱箱体的内壁长度，H＝2.385m是集装箱箱体的内壁高度，W＝2.350m，是集装箱箱体的内壁宽度，这里取l＝L，j＝0，如图8所示，对于的安装角度θ₁的计算公式如下：

在这个实施例中，θ₁＝θ₂＝...＝θ₉＝0°；

定义二：比较基准B，对于有9个测距点的集装箱，将这些测距点分别记为记为α₁,α₂,...,α₉，则B＝[B1B2B3…B9]为一个1×9的矩阵，其中子基准B1设置5个等级，对于单点测距，子基准B1的表达式如下：

B₁＝[B₁(0％) B₁(60％) B₁(80％)]

B1(0％)的计算如图8所示，图中集装箱为空箱的示意图：

B1(60％)的计算如图8所示，图中集装箱大致装满了60％货物的示意图：

B1(80％)的计算如图8所示，图中集装箱大致装满了80％货物的示意图：

同理可得则：B₁(20％)＝5.4184，B₁(40％)＝3.5388。

B₁＝[5.898 5.4184 3.5388 2.3591 1.1796]

同样的，在这个实施例中，B₁＝B₂＝...＝B₉；

第三步：自校准，启动测距模块，在集装箱空箱情况下，进行模块测距，得到B₁(0％)＝a，则

B₁＝[a 5.4184 3.5388 2.3591 1.1796]

同样的，在这个实施例中，B₁＝B₂＝...＝B₉；

第四步：装载状态参数样本采集，处理器控制测距模块进行n次测距，这里取n＝10，对于测距点α₁来说进行10次测距分别得到距离e_1,1,e_1,2,e_1,3,e_1,4,e_1,5,e_1,6,e_1,7,e_1,8,e_1,9,e_1,10，得到当前的平均距离数据e₁：

按照同样的方法得到e₂,e₃,...,e₉，e＝[e₁ e₂ ... e₉]^T

第五步：样本数据处理，距离向量e与比较基准B进行比较判断，得到集装箱的空重箱状态情况，每个测距点的判断方法如图7所示，和单点测距法类似。假设9个测距点最终判断情况为：

[B₁(60％) B₂(60％) B₃(100％) B₄(60％) B₅(80％) B₆(100％) B₇(60％) B₈(80％) B₉(100％)]，则集装箱的装载率约为：

第六步：构建深度图，在这里进行定义多点测距点定位矩阵D：D是一个M×1的矩阵，用来标记M个点的位置情况；定义定位参量(x_m,y_m)，定位参量(x_m,y_m)是对与M的测距点中的α_m而言，其在集装箱箱门处的位置量，箱门高H，宽W。如图12所示，这是集装箱箱门的一个正视图，我们以左下角为原点建立一个二维坐标系以对测距点的位置进行标记，图8中α₁的定位参量为(x₁,y₁)。

每个点都有一个定位参量(x_m,y_m)，D的表达式如下所示：

D＝[(x₁,y₁) (x₂,y₂) ... (x_m,y_m)]

通过距离向量e和多点测距点定位矩阵D构建深度图，其中距离向量e可作为多点测距点定位矩阵D中定位参量(x_m,y_m)外的第三个参数，构成(x_m,y_m,e_m)三维坐标进行深度图构建，这里假设9个点的坐标分别如下表1所示：

采样点	x坐标	y坐标	e值
				1采样点	0.392	1.9875	3.45
2采样点	0.392	1.1925	3
				3采样点	0.392	0.3975	1.1
4采样点	1.176	1.9875	2.5
				5采样点	1.176	1.1925	1.5
6采样点	1.176	0.3975	1
				7采样点	1.96	1.9875	2.8
8采样点	1.96	1.1925	2
				9采样点	1.96	0.3975	1.15

图9可以视为从箱门看去的深度图直视图，颜色越浅，代表这里装货量越多，颜色越深，装货量越少。图10和图11是对图9进行旋转所得到的深度图示意图，其中图11可视为从集装箱上方的俯视图。从图中可以大致估量出集装箱内部的货物装载情况，随着测距点数的增加，可以得到更加精确的深度图情况。构建深度图获得集装箱内部的货物分布情况，降低运输过程中由于箱体内货物分布不均造成的安全隐患等。

如上实施例1和实施例2的这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置，其特征在于：包括测距模块和处理器，所述测距模块安装在集装箱的箱门一端，且测距模块的测点能够打到集装箱上与箱门相对的一端，所述处理器与所述测距模块连接，所述处理器用于根据所述测距模块的测量数据计算集装箱的装箱状况。

2.根据权利要求1所述的一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置，其特征在于：集装箱的箱门一端沿箱门的高度方向安装有若干测距模块，每个测距模块均与所述处理器连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测装置，其特征在于：测距模块的数量等于集装箱中货物的层数，相邻两个测距模块之间的间距大于一层货物的高度，且小于两层货物的高度。

4.一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测方法，其特征在于，应用权利要求1至3任一项所述的检测装置，包括以下步骤：

步骤一：集装箱在空箱状况下，测距模块测距，测距模块将其测量值B发送给处理器；

步骤二：将集装箱在空箱状况下的箱体内部深度L输入处理器；

步骤三：处理器根据获取的测量值B和箱体内部深度L，计算测距模块与集装箱顶壁之间形成的安装角度θ；

步骤四：集装箱在装载状况下，测距模块测距，测距模块将其测量值B_装发送给处理器；

步骤五：处理器根据获取的测量值B_装和安装角度θ计算集装箱未装载部分的深度L_空；

步骤六：处理器根据获取的空箱状况下的箱体内部深度L和未装载部分的深度L_空计算集装箱的装箱状况v。

5.根据权利要求4所述的一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测方法，其特征在于，步骤三中，安装角度θ的计算方法为：

6.根据权利要求4所述的一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测方法，其特征在于，步骤五中，集装箱未装载部分的深度L_空的计算方法为：L_空＝B_装cosθ。

7.根据权利要求4所述的一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测方法，其特征在于，步骤六中，集装箱的装箱状况r的计算方法为：

8.根据权利要求4所述的一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测方法，其特征在于，步骤四中，测距模块进行多次测距，处理器根据多次测距得到的测量值计算出多次测距的平均值。

9.根据权利要求4所述的一种基于距离探测集装箱装箱状况的检测方法，其特征在于，当安装n个测距模块时，步骤一中，每个测距模块测距，每个测距模块将其对应的测量值B₁，B₂…B_n发送给处理器；

步骤三中，处理器根据获取的每个测距模块对应的测量值B₁，B₂…B_n和箱体内部深度L，计算每个测距模块与集装箱顶壁之间形成的安装角度θ₁，θ₂…θ_n；

步骤四中，每个测距模块测距，每个测距模块将其对应的测量值B_装1、B_装2…B_装n发送给处理器；

步骤五中，处理器根据获取的每个测距模块的测量值B_装1、B_装2…B_装n和对应的安装角度θ₁，θ₂…θ_n计算集装箱未装载部分的深度L_空1、L_空2…L_空n；

步骤六中，处理器根据获取的空箱状况下的箱体内部深度L和未装载部分的深度L_空1、L_空2…L_空n计算集装箱对应的装箱状况v₁、v₂...v_n；

还包括步骤七：处理器根据获取的集装箱对应的装箱状况v₁、v₂...v_n计算集装箱的整体装箱状况，具体计算为：