CN110422764A - 一种研究港口集装箱姿态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究港口集装箱姿态控制方法，包括吊机、激光雷达、三维激光测量仪和吊具稳定检测模块，所述吊机通过吊机座安装在吊车的车厢座上，所述吊机的一端安装有滑轮，所述吊具上固定集装箱，所述风模拟模块和雨模拟模块输出端与微分模型建立模块输入端电性连接。本发明的建立集装箱堆场模型，模拟作业路径，在此基础上实现港口集装箱装卸作业路径规划多目标优化及遗传算法改进，通过将作业运动路径分为上升阶段、平移阶段和下降阶段以此来契合现实工况要求，从而获得基于改进遗传算法的动态最优路径，将现实中的港口集装箱姿态控制转移至计算机内进行模型模拟，通过此种设计可以使研究各项参数比较方便。

Description

一种研究港口集装箱姿态控制方法

技术领域

本发明涉及港口集装箱姿态控制技术领域，具体为一种研究港口集装箱姿态控制方法。

背景技术

近年来，社会经济发展对件杂货码头装卸工艺提出新要求，港口件杂货装卸生产囊括了船舶、货物、设备、场地等多种因素，各因素相互交叉影响，对于集装箱姿态的研究是重中之重，目前件杂货物集装箱化的比例不断提高，而港口件杂货装卸生产却普遍存在自动化水平较低、生产成本高、装卸效率无法满足需求的问题，对于我国社会经济发展前进重要一部分的件杂货码头而言，传统的手动控制抓取集装箱已经极大的影响了生产效率和装卸速度，基于此本文对将图像识别技术引入集装箱抓取自动化，及其优化进行研究与探讨。

目前阶段的港口集装箱姿态控制存在诸多的不足之处，例如，由于需要现场检测和观察，导致对港口集装箱姿态控制研究效率比较低，且场地面积比较大，且存在安全隐患，对于外部因素影响的判断不方便，需要根据天气的变化进行控制，使用不方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究港口集装箱姿态控制方法，以解决上述背景技术中提出的由于需要现场检测和观察，导致对港口集装箱姿态控制研究效率比较低，且场地面积比较大，且存在安全隐患，对于外部因素影响的判断不方便，需要根据天气的变化进行控制，使用不方便等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种研究港口集装箱姿态控制方法，包括吊机、激光雷达、三维激光测量仪、集装箱堆场建模计算机、微分模型建立模块、风模拟模块、雨模拟模块、实验平台模块和吊具稳定检测模块，所述吊机通过吊机座安装在吊车的车厢座上，所述吊机的一端安装有滑轮，所述吊机上通过卷轴架安装有钢丝绳卷收轴，所述钢丝绳卷收轴的一端安装有电机，所述钢丝绳卷收轴上卷收有钢丝绳，且钢丝绳通过滑轮传动，所述钢丝绳的一端安装有吊具，所述吊具上固定集装箱，所述三维激光测量仪和激光雷达输出端与集装箱堆场建模计算机输入端电性连接，所述微分模型建立模块输出端与集装箱堆场建模计算机输入端电性连接，所述实验平台模块和吊具稳定检测模块输出端与集装箱堆场建模计算机输入端电性连接，所述风模拟模块和雨模拟模块输出端与微分模型建立模块输入端电性连接。

优选的，所述三维激光测量仪设置为扫描获得的空间信息转换成计算机易于处理的数据的功能结构，且通过激光雷达获得解析数据，转换为直角坐标，同时转换为绝对坐标系坐标值，并经过三点法在集装箱堆场建模计算机内建立堆场实时模型。

优选的，所述集装箱装卸作业选择路径长度最短，且路径尽可能平滑及集装箱装卸作业时最安全。

优选的，所述微分模型建立模块设置为通过李雅普诺夫自适应边界控制来分析对于振动的稳定控制的结构，且微分模型建立模块为姿态稳定控制装置的建立提供理论基础。

优选的，所述集装箱装卸作业中吊具的运行特性设置为通过物理数学力学分析关系方程，分析起升机构在高度变化时，力与电机能耗变化关系。

优选的，所述开发吊具稳定检测模块设置有集装箱装卸系统路径优化及稳定控制功能，且实验平台模块设置有验证控制策略在动态变化下吊具路径移动中姿态稳定控制的有效性的功能。

优选的，所述实验平台模块设置为基于PLC和变频器的港口桥吊的运行机构，且分析吊具钢丝绳姿态运行过程中力的分析的微分模型建立模块，为建立吊具稳定检测模块提供参数获取。

优选的，所述集装箱堆场建模计算机对集装箱堆场建模过程，在路径规划优化时，需考虑路径总长度、装卸作业运动的总时间、安全性及路径的光滑度等多目标因素。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的建立集装箱堆场模型，模拟作业路径，在此基础上实现港口集装箱装卸作业路径规划多目标优化及遗传算法改进，通过将作业运动路径分为上升阶段、平移阶段和下降阶段以此来契合现实工况要求，从而获得基于改进遗传算法的动态最优路径，将现实中的港口集装箱姿态控制转移至计算机内进行模型模拟，通过此种设计可以使研究各项参数比较方便，且效率较高，避免出现安全隐患；

2、本发明的利用将分布式参数边界控制引入到集装箱吊具钢丝绳柔性负载控制中，对柔性负载控制进行分布式参数模型分析，实现在有扰动(外界风、雨等因素)和变张力柔性绳索控制的稳定性和实时性，此种设计方便对外界风、雨等因素进行智能控制，使用方便，无需等待天气的变化进行检测。

附图说明

图1为本发明的集装箱堆场建模的实物的原理图；

图2为本发明的一种研究港口集装箱姿态控制方法的原理框图；

图3为本发明的钢丝绳卷收轴的俯视图；

图4为本发明的便微分模型建立模型的模拟图。

图中：1、吊机座；2、钢丝绳卷收轴；3、卷轴架；4、吊机；5、滑轮；6、钢丝绳；7、吊具；8、集装箱；9、吊车；10、激光雷达；11、三维激光测量仪；12、集装箱堆场建模计算机；13、微分模型建立模块；14、风模拟模块；15、雨模拟模块；16、实验平台模块；17、吊具稳定检测模块；18、电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1-4，本发明提供的一种实施例：一种研究港口集装箱姿态控制方法，包括吊机4、激光雷达10、三维激光测量仪11、集装箱堆场建模计算机12、微分模型建立模块13、风模拟模块14、雨模拟模块15、实验平台模块16和吊具稳定检测模块17，吊机4通过吊机座1安装在吊车9的车厢座上，吊机4的一端安装有滑轮5，滑轮5、钢丝绳6用来配合钢丝绳卷收轴2组合成吊机4的起吊机构，吊机4上通过卷轴架3安装有钢丝绳卷收轴2，钢丝绳卷收轴2的一端安装有电机18，电机18用来带动钢丝绳卷收轴2转动，钢丝绳卷收轴2上卷收有钢丝绳6，且钢丝绳6通过滑轮5传动，钢丝绳6的一端安装有吊具7，吊具7用来与集装箱8进行连接固定，吊具7上固定集装箱8，三维激光测量仪11和激光雷达10输出端与集装箱堆场建模计算机12输入端电性连接，三维激光测量仪11和激光雷达10配合将然后配合集装箱堆场建模计算机12在计算机上建造出集装箱堆场建模，微分模型建立模块13输出端与集装箱堆场建模计算机12输入端电性连接，通过微分模型建立模块13可以集分析操作路径过程中力与电机18能耗变化关系，通过分析在起升过程中每个物理量对能耗的比量，为吊具姿态有效稳定及集装箱电机控制提供参数获取，实验平台模块16和吊具稳定检测模块17输出端与集装箱堆场建模计算机12输入端电性连接，构建负载容量比例微缩的集装箱桥吊执行机构，开发吊具稳定检测模块17，实现港口集装箱装卸系统路径优化及吊具稳定检测模块实验，验证控制策略在动态变化下吊具路径移动中姿态稳定控制的有效性，风模拟模块14和雨模拟模块15输出端与微分模型建立模块13输入端电性连接，通过风模拟模块14和雨模拟模块15用来模拟风雨因素扰动和变张力柔性绳索控制的稳定性和实时性，为姿态稳定控制提供有效模型。

进一步，三维激光测量仪11设置为扫描获得的空间信息转换成计算机易于处理的数据的功能结构，且通过激光雷达10获得解析数据，转换为直角坐标，同时转换为绝对坐标系坐标值，并经过三点法在集装箱堆场建模计算机12内建立堆场实时模型，通过此种设计方便集装箱堆场建模。

进一步，集装箱8装卸作业选择路径长度最短，且路径尽可能平滑及集装箱装卸作业时最安全，使其可以节能及提高作业效率。

进一步，微分模型建立模块13设置为通过李雅普诺夫自适应边界控制来分析对于振动的稳定控制的结构，且微分模型建立模块13为姿态稳定控制装置的建立提供理论基础，通过其是姿态稳定控制的关键问题所在。

进一步，集装箱8装卸作业中吊具7的运行特性设置为通过物理数学力学分析关系方程，分析起升机构在高度变化时，力与电机18能耗变化关系，为姿态有效稳定及集装箱电机系统能量消耗提供参数获取。

进一步，开发吊具稳定检测模块17设置有集装箱装卸系统路径优化及稳定控制功能，且实验平台模块16设置有验证控制策略在动态变化下吊具路径移动中姿态稳定控制的有效性的功能。

进一步，实验平台模块16设置为基于PLC和变频器的港口桥吊的运行机构，且分析吊具钢丝绳姿态运行过程中力的分析的微分模型建立模块13，为建立吊具稳定检测模块17提供参数获取。

进一步，集装箱堆场建模计算机12对集装箱堆场建模过程，在路径规划优化时，需考虑路径总长度、装卸作业运动的总时间、安全性及路径的光滑度等多目标因素。

工作原理：该设备在使用时，通过三维激光测量仪11获取被测对象的几何量，将扫描获得的空间信息转换成计算机易于处理的数据传输至集装箱堆场建模计算机12内，且利用激光雷达10获得解析数据，转换为直角坐标，同时转换为绝对坐标系坐标值，并经过三点法建立堆场实时模型，吊具7夹取集装箱8，通过吊机4上的起升机构提升集装箱8，吊车9移动，将集装箱8移动到指定箱位上方，通过吊机4上的起升机构放下集装箱8，吊具7松开集装箱8并完成放箱操作，在动态规划集装箱8装卸作业最优路径时，首先由区域扫描技术建立基于笛卡尔空间集装箱堆场空间模型，由此通过采用多目标遗传算法，建立集装箱装卸作业路径规划多目标优化数学模型，在路径规划优化时，需考虑路径总长度、装卸作业运动的总时间、安全性及路径的光滑度等多目标因素，通过仿真验证优化算法的合理性和有效性，提高作业效率，通过建立基于分布式参数的柔性钢丝绳6吊具系统的边界控制的微分模型建立模块13，采用通过李雅普诺夫自适应控制来保证所建立的闭环系统满足约定约束要求，同时保证一致有界，从而研究实现在有扰动(外界风、雨等因素)和变张力柔性绳索控制的稳定性和实时性，为姿态稳定控制提供有效模型，由于在装卸作业中吊具姿态动态稳定性控制，关系到装卸作业的安全性和效率，因此，针对集装箱装卸作业中吊具的运行特性，分析操作路径过程中力与电机18能耗变化关系，通过分析在起升过程中每个物理量对能耗的比量，为吊具姿态有效稳定及集装箱电机控制提供参数获取，从而实现吊具7动态稳定控制系统的实验测试，验证边界控制对于在扰动和变张力下对于吊具7稳定振动控制的有效性，构建负载容量比例微缩的集装箱桥吊执行机构，开发吊具稳定检测模块17，实现港口集装箱装卸系统路径优化及吊具稳定检测模块实验，验证控制策略在动态变化下吊具路径移动中姿态稳定控制的有效性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种研究港口集装箱姿态控制方法，包括吊机(4)、激光雷达(10)、三维激光测量仪(11)、集装箱堆场建模计算机(12)、微分模型建立模块(13)、风模拟模块(14)、雨模拟模块(15)、实验平台模块(16)和吊具稳定检测模块(17)，其特征在于：所述吊机(4)通过吊机座(1)安装在吊车(9)的车厢座上，所述吊机(4)的一端安装有滑轮(5)，所述吊机(4)上通过卷轴架(3)安装有钢丝绳卷收轴(2)，所述钢丝绳卷收轴(2)的一端安装有电机(18)，所述钢丝绳卷收轴(2)上卷收有钢丝绳(6)，且钢丝绳(6)通过滑轮(5)传动，所述钢丝绳(6)的一端安装有吊具(7)，所述吊具(7)上固定集装箱(8)，所述三维激光测量仪(11)和激光雷达(10)输出端与集装箱堆场建模计算机(12)输入端电性连接，所述微分模型建立模块(13)输出端与集装箱堆场建模计算机(12)输入端电性连接，所述实验平台模块(16)和吊具稳定检测模块(17)输出端与集装箱堆场建模计算机(12)输入端电性连接，所述风模拟模块(14)和雨模拟模块(15)输出端与微分模型建立模块(13)输入端电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种研究港口集装箱姿态控制方法，其特征在于：所述三维激光测量仪(11)设置为扫描获得的空间信息转换成计算机易于处理的数据的功能结构，且通过激光雷达(10)获得解析数据，转换为直角坐标，同时转换为绝对坐标系坐标值，并经过三点法在集装箱堆场建模计算机(12)内建立堆场实时模型。

3.根据权利要求1所述的一种研究港口集装箱姿态控制方法，其特征在于：所述集装箱(8)装卸作业选择路径长度最短，且路径尽可能平滑及集装箱装卸作业时最安全。

4.根据权利要求1所述的一种研究港口集装箱姿态控制方法，其特征在于：所述微分模型建立模块(13)设置为通过李雅普诺夫自适应边界控制来分析对于振动的稳定控制的结构，且微分模型建立模块(13)为姿态稳定控制装置的建立提供理论基础。

5.根据权利要求1所述的一种研究港口集装箱姿态控制方法，其特征在于：所述集装箱(8)装卸作业中吊具(7)的运行特性设置为通过物理数学力学分析关系方程，分析起升机构在高度变化时，力与电机(18)能耗变化关系。

6.根据权利要求1所述的一种研究港口集装箱姿态控制方法，其特征在于：所述开发吊具稳定检测模块(17)设置有集装箱装卸系统路径优化及稳定控制功能，且实验平台模块(16)设置有验证控制策略在动态变化下吊具路径移动中姿态稳定控制的有效性的功能。

7.根据权利要求6所述的一种研究港口集装箱姿态控制方法，其特征在于：所述实验平台模块(16)设置为基于PLC和变频器的港口桥吊的运行机构，且分析吊具钢丝绳姿态运行过程中力的分析的微分模型建立模块(13)，为建立吊具稳定检测模块(17)提供参数获取。

8.根据权利要求1所述的一种研究港口集装箱姿态控制方法，其特征在于：所述集装箱堆场建模计算机(12)对集装箱堆场建模过程，在路径规划优化时，需考虑路径总长度、装卸作业运动的总时间、安全性及路径的光滑度等多目标因素。