CN111268566B - 一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱系统及方法，系统包括控制器和分别与控制器相连的3D激光扫描仪、工控机和LED显示屏，所述工控机和3D激光扫描仪连接，所述控制器与大车PLC控制系统连接。本发明通过3D激光扫描仪对集卡车中心截面轮廓进行扫描获得集卡车中心截面轮廓数据对，通过控制器计算得到集卡车对位引导信息并发送给LED显示屏，方便集卡车的快速准确对位；通过3D激光扫描仪的高精度轮廓扫描和工控机的计算获得集卡车高精度的三维定位信息，并发送给大车PLC控制系统，方便对小车和吊具的姿态及位置进行调整，确保吊具能够安全准确地对集装箱进行自动抓取。

Description

一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱系统及方法。

背景技术

当前自动化技术在国内集装箱码头正在快速发展，在多个码头已经实现了集装箱区内的集装箱自动抓取作业，节省了人工成本，提高了集装箱码头的整体运营效率。

但目前，国内的远控或自动化码头均尚未实现在集装箱卡车车道上的集装箱自动抓取功能，从而无法实现真正的全自动化作业。集装箱码头的自动化发展，急需一种能够实现集卡车上的自动着箱方案。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱系统，包括控制器和分别与控制器相连的3D激光扫描仪、工控机和LED显示屏，所述工控机和3D激光扫描仪连接，所述控制器与大车PLC控制系统连接；所述大车PLC控制系统将作业车道信息发送给控制器，所述控制器发送指令驱动电机带动3D激光扫描仪旋转到相应的作业车道，使激光扫描仪始终保持平行于作业车道的扫描方向且能对作业车道中心进行扫描；当集卡车进入作业车道后，所述3D激光扫描仪将扫描的集卡车中心截面轮廓数据对发送给控制器，所述控制器计算出集卡车对位信息并发送给LED显示屏；当集卡车对位完成后，所述控制器发送指令驱动电机带动3D激光扫描仪对集卡车的轮廓进行完整扫描，所述3D激光扫描仪将扫描的3D点云数据持续发送给工控机，所述工控机计算出集卡车三维定位信息并发送给控制器；所述控制器向大车PLC控制系统发送指令，使吊具和小车运动到集装箱卡车上方，调整吊具姿态，完成对集装箱卡车的抓放箱操作。

本发明还提供了一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱方法，包括如下步骤：

步骤一、在集装箱码头场桥和岸桥作业时，所述控制器根据从大车PLC控制系统获得的作业车道信息，发送指令驱动电机带动3D激光扫描仪旋转到对应的作业车道，使激光扫描仪对作业车道中心进行扫描；

步骤二、当集卡车进入作业车道后，所述3D激光扫描仪对集卡车中心截面轮廓进行扫描，并将扫描的集卡车中心截面轮廓数据对发送给控制器；所述控制器进行计算得到集卡车对位信息，并发送给LED显示屏进行显示，以引导集卡车停靠到正确位置；

步骤三、当集卡车停靠到正确位置后，所述控制器发送指令驱动电机带动3D激光扫描仪对集卡车的轮廓进行完整扫描，并将扫描的3D点云数据持续发送给工控机，所述工控机计算出集卡车三维定位信息并发送给控制器；

步骤四、所述控制器向大车PLC控制系统发送指令，使吊具和小车运动到集装箱卡车上方，调整吊具姿态，完成对集装箱卡车的抓放箱操作。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明通过3D激光扫描仪对集卡车中心截面轮廓进行扫描获得集卡车中心截面轮廓数据对，通过控制器计算得到集卡车对位引导信息并发送给LED显示屏，方便集卡车的快速准确对位；通过3D激光扫描仪的高精度轮廓扫描和工控机的计算获得集卡车高精度的三维定位信息，并发送给大车PLC控制系统，方便对小车和吊具的姿态及位置进行调整，确保吊具能够安全准确地对集装箱进行自动抓取；在吊具自动下放进行着箱的过程中，监视集卡车的位置，一旦发现集卡车头处于吊具下方，向PLC发送吊具下放的紧急制动信息，防止发生吊具砸集卡车头的事故；当吊具完成着箱后，控制器控制LED显示屏提示集卡司机禁止移动，等待吊具起升到规定高度后，变化显示信息，提示司机可以离开作业区域。

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为本系统的逻辑框图；

图2为集卡对位过程3D激光扫描示意图；

图3为3D激光高精度扫描示意图；

图4为集卡车三维点云数据示意图。

具体实施方式

一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱系统，如图1所示，包括：3D激光扫描仪、LED显示屏、断路器、开关电源、路由器、控制器和工控机等，其中：

所述控制器分别与大车PLC、3D激光扫描仪、工控机和LED显示屏连接，所述工控机和3D激光扫描仪连接。

所述3D激光扫描仪通过相应的支架，安装于岸桥的联系梁上或场桥车道侧行走平台上，确保其能对集装箱卡车进行完整的3D扫描，其主要功能为对集装箱卡车车道上的集卡车进行实时扫描，扫描效果如图4所示。

所述LED显示屏安装于车道侧的起重机大车结构上，确保集卡车司机可以直接观察到或通过后视镜观察到。LED显示屏用于提示集卡车司机前进和后退，确保集卡车停车位置位于起重机大车方向的吊具中心位置。在完成一次作业后，吊具起升到预设高度，提示集卡司机离开。防止发生集卡车拖拽吊具的事故。

所述控制器安装于室外工业机箱内部，用于对整个系统流程进行控制，对集卡车的截面轮廓点云数据进行处理，给出集卡引导对位信息并驱动LED显示屏进行显示。当集卡车处于正确停车位置时，向电机发送高精度扫描指令，使电机带动激光摆动扫描出集卡车完整轮廓。控制器接收工控机对集卡车轮廓的定位解算结果，并结合当前作业工况，向PLC发送小车控制指令及吊具调整指令，最终使吊具与集卡车或其装载的集装箱在垂直方向重合，满足吊具自动抓取集装箱的要求。当吊具自动下放进行着箱的过程中，监视集卡车的位置，一旦发现集卡车头处于吊具下，向PLC发送吊具下放的紧急制动信息，防止发生吊具砸集卡车头的事故。

所述工控机安装于室外工业机箱内部，负责接收高精度点云数据并对其进行处理，当处理完成后向控制器发送集卡车高精度的三维定位信息。

开关电源、断路器、网络交换机等设备安装于室外工业机箱内部，用于为系统提供供电、保护、数据交互等功能。

在集装箱码头场桥和岸桥作业时，所述控制器从PLC获得作业车道信息，并向3D激光扫描仪的驱动电机发送指令，使3D激光扫描仪对相应的作业车道中心进行扫描；所述3D激光扫描仪始终保持平行于车道的扫描方向，等待集卡车进入作业区域。

当集卡车进入作业车道后，所述3D激光扫描仪开始对集卡车中心截面轮廓进行扫描，并将扫描的集卡车中心截面轮廓数据对发送给控制器；所述控制器进行计算得到集卡车截面的实时位置信息，并以每40ms完成一次数据的刷新；同时控制器将集卡车的实时位置与集卡车作业的正确位置进行对比后的信息发送给LED显示屏，以提示司机向前或向后移动相应的移动距离(单位为厘米)，当集卡车的实时位置与正确的作业位置重合时，LED屏幕显示的移动方向变成红色横杠，对位距离显示0，集卡车司机停车，并使集卡车保持静止，等待，集卡对位扫描方式如图2所示。

当集卡车完成对位后，所述控制器向3D激光扫描仪的驱动电机发送高精度轮廓扫描指令，激光通过电机的摆动，对集卡车的轮廓进行完整扫描，如图3所示，并将扫描的3D点云数据持续发送到工控机，工控机接收点云数据并累计。

当激光完成扫描后，3D激光返回原扫描位置，保持对集卡车前后位置的监控。工控机开始对点云数据进行处理，通过相应的算法，计算出集卡车托架中心三轴x，y，z的坐标，及集卡车在三个轴向skew，trim，list的姿态角度，计算结果发送到控制器。

控制器接收到集卡车三维定位信息后，向PLC发送指令，使PLC驱动起重机小车在车道上方行进，同时吊具进行微调，使其姿态与位置与集卡车目标相重叠。

完成调整后，吊具开始垂直下放，控制器通过点云数据，实时监控集卡车与起重机大车的位置关系是否发生变化，一旦起重机或集卡车意外移动，控制器检测集卡车头是否在吊具正下方，并在集卡车头在吊具正下方的情况下，发送吊具下降紧急制动指令，防止吊具砸车头的事故发生。

当吊具完成着箱后，控制器控制LED显示屏提示集卡司机禁止移动，等待吊具起升到规定高度后，变化显示信息，提示司机可以离开作业区域。

本发明还提供了一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱方法，包括如下步骤：

步骤一、电机带动激光旋转到作业车道：

电机旋转带动激光转动，使激光扫描面能够覆盖当前作业车道集装箱卡车从车头到托架尾部的范围，见图2虚线位置。

步骤二、激光对集装箱卡车进行二维扫描，获取集装箱卡车的特征和距离信息，特征信息包括车头、拖架、集装箱：

(1)激光扫描：

激光连续对当前作业车道扫描。

(2)获取距离信息

激光扫描的信息包括距离和角度，根据距离和角度信息，判别出当前车道是否存在集装箱卡车。

(3)特征识别：

当前车道存在集卡时，会根据距离和角度信息，去匹配集装箱卡车和集装箱的几何特征，识别出车头、托架、集装箱。

步骤三、引导集装箱卡车停靠到正确位置：

根据集装箱卡车和集装箱的特征，计算出集装箱卡车与目标位置之间的距离，距离和方向通过LED显示屏显示，集装箱卡车司机根据屏幕的引导信息，停靠到正确的位置。

步骤四、依据集装箱卡车的车头特征，对车头提供防砸保护功能：

当车头在吊具下方时，会给PLC发送防砸信号，PLC控制吊具停止下降，起到保护车头的作用。

步骤五、激光对集装箱卡车进行三维扫描，获取集装箱卡车空间信息，然后发送给PLC，PLC控制吊具和小车运动到集装箱卡车上方，调整吊具姿态，完成对集装箱卡车的抓放箱操作：

(1)电机带动激光旋转，对当前作业车道的集装箱卡车进行扫描；

(2)生成三维点云数据；

(3)对三维点云数据进行处理，通过相应的算法，计算出集卡车托架中心三轴x，y，z的坐标，及集卡车在三个轴向skew，trim，list的姿态角度；

其具体的计算方法如下：

第一步：对点云原始数据进行聚类分割处理，同时清除杂乱点防止其对后续数据处理造成的影响。具体方法为：计算输入点云(总点数N)的K(邻近点个数)均值，其中第i个点p_i的K均值d_i的计算公式为：

计算输入点云的K均值标准差，其计算公式如下为：

设定的标准差系数μ，判断检测点p_i是否存在邻近点，并根据邻近点进行聚类，聚类完成后设定类点数量阈值并将点数量小于阈值的类集进行滤除。

第二步：定位集卡车托架部分点云。具体方法：对聚类后的点云进行遍历，计算每个类集的最小包围盒，然后根据集卡车与3D激光的相对位置关系以及集卡托架总体轮廓，定位集卡托架部分点云V以及对应的包围盒B((X_max,X_min),(Y_max,Y_min),(Z_max,Z_min))。

第三步：拟合目标顶面点云所在平面，并计算投影点云。具体方法：对包围盒B进行栅格划分，在包围盒顶面上的死角处分别采样一个栅格，并对每个栅格进行重心计算，然后以四个重心坐标估计顶面法向n(n_x,n_y,n_z),并以四个重心坐标的均值p(p_x,p_y,p_z)作为顶面所在平面上的一点，根据点法式计算顶面所在平面P(n_xx+n_yy+n_zz-(n_xp_x+n_yp_y+n_zp_z)＝0)，最后将点云V中所有点投影到平面P上，计算获得投影点云V_p。

第四步：计算投影点云最小包围矩形。具体方法：首先对投影点云V_p进行三角网格化，根据网格的拓扑关系进行点云V_p的最小凸包点集V_convex；然后对V_convex中点按照顺时针方向排序存储，按照存储顺序以相邻两点确定一条直线作为包围矩形的一条边，计算能包围点集V_convex中所有点的包围矩形，按照存储顺序遍历所有点，生成投影点云包围矩形集R，最后遍历包围矩形集R提取面积最小的包围矩形R_p。

第五步：计算集卡托架中心坐标，以及集卡车在三个轴向skew，list,trim的姿态角度。具体方法为：计算最小包围矩形R_p的中心位置作为集卡托架中心坐标，最小包围矩形R_p在x轴方向的长边与x轴的夹角为skew值，顶面所在平面P的法向n在XOZ平面上的投影向量n_xz(n_x,0,n_z)与z轴的夹角为list值，法向n在YOZ平面上的投影向量n_yz(0,n_y,n_z)与z轴的夹角为trim值。

Claims (6)

1.一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱方法，其特征在于：包括控制器和分别与控制器相连的3D激光扫描仪、工控机和LED显示屏，所述3D激光扫描仪通过支架安装于岸桥的联系梁上或场桥车道侧行走平台上；所述工控机和3D激光扫描仪连接，所述控制器与大车PLC控制系统连接；具体包括如下步骤：

步骤一、在集装箱码头场桥和岸桥作业时，所述控制器根据从大车PLC控制系统获得的作业车道信息，发送指令驱动电机带动3D激光扫描仪旋转到对应的作业车道，使激光扫描仪始终保持平行于作业车道的扫描方向且能对作业车道中心进行扫描；

步骤二、当集卡车进入作业车道后，所述3D激光扫描仪对集卡车中心截面轮廓进行扫描，并将扫描的集卡车中心截面轮廓数据对发送给控制器；所述控制器进行计算得到集卡车对位信息，并发送给LED显示屏进行显示，以引导集卡车停靠到正确位置；

步骤三、当集卡车对位完成停靠到正确位置后，所述控制器发送指令驱动电机带动3D激光扫描仪对集卡车的轮廓进行完整扫描，并将扫描的3D点云数据持续发送给工控机，所述工控机计算出集卡车三维定位信息并发送给控制器，其中：所述集卡车三维定位信息包括集卡车托架中心三轴x，y，z的坐标，及集卡车在三个轴向skew，trim，list的姿态角度；所述集卡车三维定位信息的计算方法为：

第一步、对点云原始数据进行聚类分割处理，同时清除杂乱点；

第二步、定位集卡车托架部分点云：

对聚类后的点云进行遍历，计算每个类集的最小包围盒，然后根据集卡车与3D激光扫描仪的相对位置关系以及集卡托架总体轮廓，定位集卡托架部分点云V以及对应的包围盒

；

第三步、拟合目标顶面点云所在平面，并计算投影点云：

对包围盒B进行栅格划分，在包围盒顶面上的死角处分别采样一个栅格，并对每个栅格进行重心计算，然后以四个重心坐标估计顶面法向

,并以四个重心坐标的均值

作为顶面所在平面上的一点，根据点法式计算顶面所在平面P(

)，最后将点云V中所有点投影到平面P上，计算获得投影点云

；

第四步、计算投影点云最小包围矩形：

首先对投影点云

进行三角网格化，根据网格的拓扑关系进行点云

的最小凸包点集

；然后对

中点按照顺时针方向排序存储，按照存储顺序以相邻两点确定一条直线作为包围矩形的一条边，计算能包围点集

中所有点的包围矩形，按照存储顺序遍历所有点，生成投影点云包围矩形集R，最后遍历包围矩形集R提取面积最小的包围矩形

；

第五步、计算集卡托架中心坐标，以及集卡车在三个轴向skew， list,trim的姿态角度：

计算最小包围矩形

的中心位置作为集卡托架中心坐标，最小包围矩形

在X轴方向的长边与X轴的夹角为skew值，顶面所在平面P的法向n在XOZ平面上的投影向量

与z轴的夹角为list值，法向n在YOZ平面上的投影向量

与z轴的夹角为trim值；

步骤四、所述控制器向大车PLC控制系统发送指令，使吊具和小车运动到集装箱卡车上方，调整吊具姿态，完成对集装箱卡车的抓放箱操作。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱方法，其特征在于：所述3D激光扫描仪的激光扫描面覆盖当前作业车道的集卡车从车头到托架尾部的范围。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱方法，其特征在于：所述LED显示屏安装于车道侧的起重机大车结构上，确保集卡车司机能够直接观察到或通过后视镜观察到。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱方法，其特征在于：所述控制器和工控机安装于室外工业机箱内部。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱方法，其特征在于：所述控制器根据集卡车中心截面轮廓数据对进行计算识别出集卡车的特征信息，所述特征信息包括车头、拖架和集装箱；当车头在吊具下方时，控制器向大车PLC控制系统发送防砸信号，控制吊具停止下降。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光的集装箱卡车车道上的自动着箱方法，其特征在于：第一步所述对点云原始数据进行聚类分割处理，同时清除杂乱点的方法为：

（1）按如下公式计算第i个点

的K均值

：

式中，K为邻近点个数；

（2）按如下公式计算输入点云的K均值标准差

：

式中，N为总点数；

（3）设定的标准差系数μ，判断检测点

是否存在邻近点，并根据邻近点进行聚类，聚类完成后设定类点数量阈值并将点数量小于阈值的类集进行滤除。

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