CN111170153A - 一种基于运动规划的集装箱装卸方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及路径规划技术领域，公开了一种基于运动规划的集装箱装卸方法，用激光及视觉传感器扫描集装箱的高度和长度；利用计算机预设吊具的运作轨迹；激光及视觉传感器在运动过程中对堆场中的集装箱进行动态扫描，利用计算机选择控制相应的龙门吊具，达到合理的安排不同的龙门吊具以便于更好的对不同的集装箱进行抓取和输送，同时，根据计算机中储存的不同放置区的放置信息及动态检测到的堆场堆箱数据，对集装箱作业进行统筹安排，不仅有利于集装箱的放置，同时为下次集装箱的提取提供了优化位置，利用计算机计算每个集装箱最后的角度和高度，达到合理分配和放置集装箱的效果，并且避免了集装箱与其周边箱体的碰撞，从而提高了安全性。

Description

一种基于运动规划的集装箱装卸方法

技术领域

本发明涉及路径规划技术领域，具体为一种基于运动规划的集装箱装卸方法。

背景技术

路径规划是运动规划的主要研究内容之一。运动规划由路径规划和轨迹跟踪组成，连接起点位置和终点位置的序列点或曲线称之为路径，构成路径的策略称之为路径规划。路径规划在很多领域都具有广泛的应用。其中，在集装箱运输领域的运用是本发明所要阐述的重点。

路径规划指的是集装箱吊具在抓取、运输、摆放集装箱过程中，有障碍物等干扰工作环境中下，如何找到一条从起点到终点适当的运动路径，使吊具在运动过程中能安全、无碰撞地绕过所有障碍物。这不同于用动态规划等方法求得的最短路径，而是指移动吊具能对静态及动态环境做出综合性判断，进行智能决策。

目前，国内外港口对集装箱的操作主要是现场人工操作及半自动化远程协作。现场人工司机容易受天气条件及作业环境、作业时间影响，产生疲劳感、作业盲区等影响安全作业的因素，并因此影响作业效率。同时，由于运动路径的调度、控制主要依赖于经验，而并非经过优化，因而影响了作业效率；且容易发生意外，如发生机械碰擦、撞击(打保龄)。

根据目前该领域的运动规划与防撞技术的研究成果，以下介绍几种常见的运动规划方法与防撞技术实现方法。

运动规划：(1)人工势场，机器人在工作环境中，只受到目标点对它的引力和障碍物对它的斥力，在引力与斥力的合力作用下逐步前进。(2)快速扩展随机树，采用方向向量进行约束，使节点在随机生成过程中尽量沿此方向选取，达到减少路径搜索中随机性的目的，使扩展树向最优方向目标点搜索。

碰撞检测：(1)基于圆柱包络,使用圆柱包络能够更好地简化机械臂模型并且不失其结构特征。(2)基于AABB(Axis-Aligned Bounding Boxes)轴向包围盒，当且仅当两个AABB在三个坐标轴的投影均重叠时它们才会发生干涉，这样便可以将三维碰撞问题转化为一维几何图形求交集的问题。(3)基于包围球，结构简单，而且包围球不会因物体做旋转运动而实时更新。

根据多组实验数据的对比，优选出一个最优的方案。对于运动规划，快速扩展随机树，特点是算法建构简单，并且可以快速遍历空间的未探索区域，而通过手动设定找到实现这种效果的函数却是很难的。同时其可以在基本算法基础上，对空间的搜索加入带有输入参数的控制函数，使算法可以适用于不同约束条件下的路径搜索。因而，在集装箱码头的实例运行中，可以提供快速、有效动态规划解，因而是一种理想的解决方案。

在数学上，一族平面直线或曲线的“包络”是指一条与这族直线或曲线中任意一条都相切的曲线。而对于碰撞检测问题，圆柱包络线已广泛运用案例。而在集装箱码头的场景中，集装箱体和其周边物体可以抽象成上述抽象模型的圆柱体。这样，使用圆柱包络模型可以很好的解决防撞问题，有效地提高了生产的安全性。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于运动规划的集装箱装卸方法，具备便于集装箱的输送和摆放等优点，解决了由于需要多个集装箱一起移动，会存在路径交叉的结果，多个集装箱一起移动时就会发生碰撞打保龄的问题。

(二)技术方案

为实现上述便于集装箱的输送和摆放目的，本发明提供如下技术方案：一种基于运动规划的集装箱装卸方法，第一阶段，吊车处于起始位置，识别待抓取物体，并优化吊车的行进路线；第二阶段，吊车成功到达预定位置，并实施集装箱抓取；第三阶段，根据优化的路线，把集装箱运输至目标位置，过程中需要实时扫描周边环境，并处理意外事件，防止撞击发生意外事件；第四阶段，把集装箱送到预定位置后，准备摆放集装箱到目标位置，过程中，要考虑到各种干扰，如风摆、低能见度、临时出现在规划路经上的干扰物等，并最终安全地将集装箱摆放到目标位置；第五阶段，吊车归位，为下一个任务做准备。

优选的，激光扫描，得出堆场当前贝位的箱高图，用激光扫描集装箱的高度和长度，利用计算机选择控制电气运动系统选择相适应的龙门吊具，达到合理的安排不同的龙门吊具以便于更好的对不同的集装箱进行抓取和输送，同时根据计算机中储存的不同放置区的放置信息及动态检测到的堆场堆箱数据，对集装箱作业进行统筹安排，不仅有利于集装箱的放置，同时为下次集装箱的提取提供了便利。

优选的，利用吊具上的激光及视觉传感器对移动轨迹上的周围信息进行收集，同时对比需要抓取的集装箱的位置，利用计算机计算出，吊具的移动路径，在遇到转角时，需要对集装箱做相应的转向，避免出现碰撞，并将计算机计算得到的移动路径和转角度数进行数据转化，转化成移动距离和转角度数这类数字组合的方式和图像方式，并将数据移动到龙门吊具操控台上，便于对集装箱进行的路径进行初步规划。

优选的，利用计算机预设每个吊具的运作轨迹，集装箱运动控制系统是指将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程，先对集装箱输送进行全局路径规划，全局路径规划是在已知的环境中，利用运动控制系统对集装箱进行抓取和输送，利用激光及视觉传感器和信息输送装置，将激光和红外感应扫描出吊具和集装箱，利用吊具和集装箱位置对吊具和的运动进行合理规划，确定好集装箱和吊具移动的起点和需要放置集装箱的终点，路径规划的精度取决于环境获取的准确度，全局路径规划可以找到最优解，利用激光及视觉传感器扫描移动路径上的障碍物进行扫描，预先知道环境的准确信息，它是一种事前规划，因此对吊具系统的实时计算能力要求不高，但是规划结果是全局的和较优的，利用计算机收集到的信息，进行三维建模，并规划出能规避路径上的固有的障碍物的最优路径，

在龙门吊具在移动时进行局部路径规划，可以对两个或者多个龙门吊具的移动进行快速反应和快速规避，局部路径规划指环境信息完全未知或有部分可知，侧重于考虑吊具当前的局部环境信息，让吊具具有良好的避障能力，通过传感器对吊具的工作环境进行探测，以获取障碍物的位置和几何性质等信息，这种规划需要搜集环境数据，并且对该环境模型的动态更新能够随时进行校正，局部规划方法将对环境的建模与搜索融为一体，要求吊具系统具有高速的信息处理能力和计算能力，对环境误差和噪声有较高的鲁棒性，能对规划结果进行实时反馈和校正，抓取吊具移动到相应位置后，在吊具上设置升降机构，利用计算机计算规划的移动路径，分配每个集装箱最后的角度和高度，达到合理分配和放置集装箱的效果。

一种基于运动规划的集装箱装卸的吊具系统，包括有吊具、激光及视觉传感器、箱体和龙门支架，所述龙门支架上设置有移动轨道，所述移动轨道上卡合有且能在移动轨道上自由移动，所述的下方固定安装吊具，所述吊具包括有抓取装置和伸缩装置，所述伸缩装置固定安装在的下方，所述伸缩装置的下方固定安装抓取装置，所述伸缩装置和抓取装置上均固定安装激光及视觉传感器，所述箱体上同样固定激光及视觉传感器，所述箱体上设置有卡槽，所述卡槽与抓取装置的形状相适配，所述箱体通过抓取装置和卡槽的卡合效果能随着伸缩装置左右移动且箱体随着伸缩装置的伸缩效果能上下移动。

优选的，在吊具上安装多组激光及视觉传感器组，在运动过程中对堆场中的集装箱进行动态扫描，利用激光及视觉传感器感应集装箱和吊具周围的障碍物，利用激光及视觉传感器的感应效果，当移动方向上出现其他抓取吊具或者集装箱时，红外感应信号反馈到计算机上，由计算机根据当前每个吊具的当前状态，从而迅速的将需要控制抓取吊具减速或者转向，并对最初规划路径进行修改，以规避路径中的障碍物，利用重新规划大车、小车、吊具的运动轨迹，以高效、安全地运输集装箱，寻找目标位置，以正确并准确地摆放集装箱。

优选的，将上次同一个吊具的移动数据和统一位置的集装箱抓取位置信息和放置信息，储存到计算机中，为下一次的集装箱抓取、输送和放置提供数据参考。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种基于运动规划的集装箱装卸方法，具备以下有益效果：

1、该基于运动规划的集装箱装卸方法，通过用激光扫描集装箱的高度和长度，利用计算机选择控制相适应的龙门吊具伸缩，达到合理的安排不同的龙门吊具以便于更好的对不同的集装箱进行抓取和输送，同时根据计算机中储存的不同放置区的放置信息及动态检测到的堆场堆箱数据，对集装箱作业进行统筹安排，不仅有利于集装箱的放置，同时为下次集装箱的提取提供了便利。

2、该基于运动规划的集装箱装卸方法，利用激光及视觉传感器扫描移动路径上的障碍物进行扫描，预先知道环境的准确信息，利用计算机收集到的信息，进行三维建模，并规划出能规避路径上的固有的障碍物的最优路径，为集装箱的抓取、输送和放置体用便利。

3、该基于运动规划的集装箱装卸方法，在吊具上安装多组激光及视觉传感器组，在运动过程中对堆场中的集装箱进行动态扫描，利用激光及视觉传感器感应集装箱和吊具周围的障碍物，利用激光及视觉传感器的感应效果，当移动方向上出现其他抓取吊具或者集装箱时，红外感应信号反馈到计算机上，由计算机根据当前每个吊具的当前状态，从而迅速的将需要控制抓取吊具减速或者转向，并对最初规划路径进行修改，以规避路径中的障碍物，利用重新规划大车、小车、吊具的运动轨迹，以高效、安全地运输集装箱，寻找目标位置，准确地摆放集装箱。

4、该基于运动规划的集装箱装卸方法，在吊具上设置升降机构，利用计算机计算规划的移动路径，分配每个集装箱最后的角度和高度，达到合理分配和放置集装箱的效果，并且避免了集装箱与其周边箱体的碰撞，从而提高了安全性，利用将抓取吊具移动的特定位置进行转向，将输送和转向分开，将抓取吊具的运作方式单一化，便于吊具的运转，同时也可以将易出错和损坏的区域分离，减少了损坏和出错的几率。

5、该基于运动规划的集装箱装卸方法，通过抓取吊具上安装多组激光及视觉传感器组，在运动过程中对堆场中的集装箱进行动态扫描，以准确抓取集装箱，利用激光及视觉传感器的感应效果，当移动方向上出现其他抓取吊具或者集装箱时，红外感应信号反馈到计算机上，减少了集装箱的碰撞。

6、该基于运动规划的集装箱装卸方法，控制电气控制装置，使抓取装置位于箱体的上方，并利用箱体和吊具上的激光及视觉传感器观察吊具周围的环境，控制伸缩装置，然后控制伸缩装置将箱体提起，通过箱体和吊具上的激光及视觉传感器的观察效果，保证集装箱能稳定移动，减少吊具在移动时受到环境的影响，使吊具适用于更多的使用环境。

附图说明

图1为集装箱堆场自动化控制系统结构示意图。1、3、5部件分别代表了吊具控制系统部分、吊具周边环境、以及根据感应数据进行三维立体重构的模型；部件7为计算机根据实时数据动态规划之后的最优控制反馈模块。

图2装有感应器的吊具检测并识别集装箱位置示意图。1吊具；2摄像头组及红外传感器；3红外线；4集装箱。

图3快速扩展随机树作为运动规划算法。q_near为附近位置，q_init为初始位置，q_new为新的位置，q_rand为随机位置，q_goal为目标位置。

图4基于圆柱包络法的防撞技术示意图。C_i为圆柱体i，R_i为圆柱体i半径，C_j为圆柱体j，R_j为圆柱体j半径，d_ij为两个圆柱体在三维空间的最短路径，AB为圆柱体j轴线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。

请参阅图1-4，一种基于运动规划的集装箱装卸方法，第一阶段，吊车处于起始位置，识别待抓取物体，并优化吊车的行进路线，激光扫描，得出堆场当前堆场贝位的箱高图，用激光及视觉传感器扫描集装箱的高度和长度，根据长度和高度进行计算得到该集装箱的重量范围，利用计算机选择控制电气运动系统选择相适应的龙门吊具，达到合理的安排不同的龙门吊具以便于更好的对不同的集装箱进行抓取和输送，同时根据计算机中储存的不同放置区的放置信息及动态检测到的堆场堆箱数据，对集装箱作业进行统筹安排，不仅有利于集装箱的放置，同时为下次集装箱的提取提供了便利。

第二阶段，吊车成功到达预定位置，并实施集装箱抓取，在吊具移动到预定位置时，利用吊具上的激光及视觉传感器对移动轨迹上的周围信息进行收集，同时对比需要抓取的集装箱的位置，利用计算机计算出，吊具的移动路径，在遇到转角时，需要对集装箱做相应的转向，避免出现碰撞，并将计算机计算得到的移动路径和转角度数进行数据转化，转化成移动距离和转角度数这类数字组合的方式和图像方式，并将数据移动到龙门吊具操控台上，便于对集装箱进行的路径进行初步规划。

第三阶段，根据优化的路线，把集装箱运输至目标位置，过程中需要实时扫描周边环境，并处理意外情况，防止发生意外事故，利用计算机优化的运作轨迹，集装箱运动控制系统是指将系统的输出信息返送到输入端，控制执行机构的运动控制，利用运动控制系统对集装箱进行抓取和输送。利用激光及视觉传感器提供的实时数据进行动态规划以及防撞保护。，根据集装箱和吊具移动的起点和需要放置集装箱的终点，路径规划的精度受传感器和执行部件的误差影响，全局路径规划可以找到最优解，利用激光及视觉传感器扫描移动路径上的障碍物进行扫描，但是规划结果是全局的和较优的，利用计算机收集到的信息，进行三维建模，并规划出能规避路径上的固有的障碍物的最优路径。

在龙门吊具在移动时进行路径规划，让吊具具有良好的避障能力，通过传感器对吊具的工作环境进行探测，以获取障碍物的位置和几何性质等信息，这种规划需要搜集环境数据，并且对该环境模型的动态更新能够随时进行校正，要求吊具系统具有高速的信息处理能力和计算能力，对环境误差和噪声有较高的鲁棒性，能对规划结果进行实时反馈和校正，抓取吊具移动到相应位置后，在吊具上设置升降机构，利用计算机计算规划的移动路径，分配每个集装箱最后的角度和高度，达到合理分配和放置集装箱的效果。

第四阶段，把集装箱送到预定位置后，准备摆放集装箱到目标位置，过程中，要考虑到各种干扰，如风摆、低能见度、临时出现在规划路经上的干扰物等，并最终安全地将集装箱摆放到目标位置，在吊具上安装多组激光及视觉传感器组，在运动过程中对堆场中的集装箱进行动态扫描，利用激光及视觉传感器感应集装箱和吊具周围的障碍物，利用激光及视觉传感器的感应效果，当移动方向上出现其他抓取吊具或者集装箱时，红外感应信号反馈到计算机上，由计算机根据当前每个吊具的当前状态，从而迅速的将需要控制抓取吊具减速或者转向，并对最初规划路径进行修改，以规避路径中的障碍物，利用重新规划大车、小车、吊具的运动轨迹，以高效、安全地运输集装箱，寻找目标位置，准确地摆放集装箱，利用将抓取吊具移动的特定位置进行转向，将输送和转向分开，将抓取吊具的运作方式单一化，便于吊具的运转，同时也可以将易出错和损坏的区域分离，减少了损坏和出错的几率。

整个集装箱运输过程设计有防撞系统，使用了前沿技术包络法防撞检测技术，若系统检测到集装箱有和外界物体产生碰撞的可能性时，能够及时采取措施，避免撞击事件的发生，路径规划时使用了快速扩展随机树的优化方法，可以快速、准确的规划一条最优的路线。

第五阶段，吊车归位，为下一个任务做准备，将上次同一个吊具的移动数据和统一位置的集装箱抓取位置信息和放置信息，储存到计算机中，为下一次的集装箱抓取、输送和放置提供数据参考，每进行一次集装箱的运输都需要对初始路径进行更新，以规避路径中的障碍物。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于运动规划的集装箱装卸方法，其可有效防止集装箱与周边物体的碰撞，其特征在于：吊具通过传感器对其工作环境进行探测，以及时调整运动路线，吊具对规划进行实时更新，以实现电气控制控制吊具轨迹的运动，最终达到动态最优规划，其特征包括效率最优，即时间最短。关于防撞，其特征在于，吊具及集装箱周边对象(包括物体，移动的行人等因素)的不确定性，吊具依然能够动态监测出运动路径上的障碍；并且能够对障碍做出安全保护的控制动作。特征还包括，集装箱的抓取、运输、摆放已完全自动化，无需人为干预。本发明还为用户提供了手动操作，以实现用户可接管的模式。

2.根据权利要求1所述的集装箱运输过程：其特征在于其整个过程由多个阶段组成，识别待抓取物体阶段，吊车成功到达预定位置并实施集装箱抓取阶段，根据实时规划的路线把集装箱运输至目标位置阶段，摆放集装箱到目标位置的阶段，吊车归位并结束本轮运输任务阶段。

3.根据权利要求1所述的一种基于运动规划的集装箱装卸方法，其特征在于：识别待抓取物体阶段中，利用激光及视觉传感器扫描，构建当前堆场贝位图。

4.根据权利要求1所述的一种基于运动规划的集装箱装卸方法，其特征在于：在吊具动态监测出运动路径上的障碍时，要考虑到各种干扰，如风摆、低能见度、临时出现在规划路经上的干扰物等，并最终安全地将集装箱摆放到目标位置。

5.根据权利要求1所述的一种基于运动规划的集装箱装卸方法，其特征在于：当有外界因素介入影响自动化系统运行时，如作业现场的风向、强度发生变化致使集装箱体产生风摆，吊具能够检测到这种变化，并预测将来的摆动强度，做出控制调整，以达到准确地把集装箱摆放到预定位置的目的。

6.根据权利要求1所述的一种基于运动规划的集装箱装卸方法，其特征在于：路径规划是基于实时数据的动态运动规划。

7.根据权利要求1所述的一种基于运动规划的集装箱装卸方法，其特征在于：吊具上装有多组红外感应设备，其可执行全方位、多角度扫描堆场环境。

8.根据权利要求1所述的一种基于运动规划的集装箱装卸方法，其特征在于：每次集装箱的运输可根据需要对初始路径进行更新，以规避路径中的障碍物。

9.根据权利要求1所述的一种基于运动规划的集装箱装卸方法，其特征在于：整个集装箱运输过程设计有防撞系统，使用了前沿技术包络法防撞检测技术，若系统检测到集装箱有和外界物体产生碰撞的可能性时，能够及时采取措施，避免撞击事件的发生。

10.根据权利要求1所述的一种基于运动规划的集装箱装卸方法，其特征在于：使用了快速扩展随机树的优化方法快速规划一条最优的路线。

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