CN112010177B - 一种堆场地面集装箱自动着箱方法 - Google Patents

一种堆场地面集装箱自动着箱方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种堆场地面集装箱自动着箱方法，包括如下步骤：获取大车在堆场坐标系中的位姿以及集装箱在堆场坐标系中的目标位，计算出集装箱在大车坐标系中的位姿，从而得出大车、小车、吊具所需的移动距离及吊具所需的旋转角度；当大车、小车移动到位以及吊具旋转到位且吊具下降到距离目标位置的高度小于第一阈值时，开启设置在吊具上的图像获取装置进行动态地标检测，实时计算吊具与目标位置的相对位置；当吊具下降到距离目标位置的高度小于第二阈值时，根据吊具的实时位置和速度进行着箱位置预测，控制吊具下降着箱。本发明通过动态地标检测，并且实时计算吊具和目标位置的相对位置，从而控制吊具下降着箱，大大提高了集装箱自动着箱的效率。

Description

一种堆场地面集装箱自动着箱方法
技术领域
本发明涉及集装箱装卸领域，尤其涉及一种堆场地面集装箱自动着箱方法。
背景技术
随着我国进出口贸易的不断增长，港口集装箱装箱业务对吞吐量和效率的要求也不断提高，其中轮胎式集装箱门式起重机是码头上常见的集装箱装卸设备。
目前，港口堆场自动化大多采用激光对堆场集装箱进行扫描定位的方式来辅助自动化作业，对于地面集装箱的堆放基本还是停留在人工作业。现有技术中有一些自动化改造方案，但是仍然不能实现集装箱高效率的自动着箱。
因此，有必要提供一种堆场地面集装箱自动着箱方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种堆场地面集装箱自动着箱方法，通过动态地标检测，实时计算吊具和目标位置的相对位置，控制吊具下降着箱，大大提高了集装箱自动着箱的效率。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种堆场地面集装箱自动着箱方法，包括如下步骤：
获取大车在堆场坐标系中的位姿以及集装箱在所述堆场坐标系中的目标位，计算出所述集装箱在大车坐标系中的位姿，从而得出大车、小车、吊具所需的移动距离及所述吊具所需的旋转角度；
开启设置在所述吊具上的图像获取装置进行动态地标检测，实时计算所述吊具与目标位置的相对位置；
当所述吊具下降到距离所述目标位置的高度小于第二阈值时，根据所述吊具的实时位置和速度进行着箱位置预测，控制所述吊具下降着箱。
优选地，所述开启设置在所述吊具上的图像获取装置进行动态地标检测，实时计算所述吊具与所述目标位置的相对位置之前还包括判断当所述大车、小车移动到位以及所述吊具旋转到位且所述吊具下降到距离目标位置的高度小于第一阈值时开启设置在所述吊具上的图像获取装置进行动态地标检测。
优选地，所述获取大车在堆场坐标系中的位姿包括通过GNSS检测所述大车的第一位置以及相对于堆场车道线的第一偏角。
优选地，所述获取大车在堆场坐标系中的位姿包括通过车道线检测模块检测所述大车的第二位置以及相对于堆场车道线的第二偏角。
优选地，所述获取大车在堆场坐标系中的位姿包括通过GNSS检测所述大车的第一位置以及相对于堆场车道线的第一偏角，并通过车道线检测模块检测所述大车的第二位置以及相对于堆场车道线的第二偏角，融合所述大车的第一位置和第二位置得到所述大车的实时位置以及相对于堆场车道线的实时偏角。
优选地，所述动态地标检测包括通过深度学习目标检测方法检测出地标并计算出所述地标的至少一个角点位置。
优选地，通过所述地标的至少一个角点位置计算所述地标的中心点位置，从而计算出所述地标的至少两个中心点位置。
优选地，计算所述集装箱的至少两个角点位置与所述地标的至少两个中心点位置之间的空间位置差，获取所述吊具着箱所需调整的位移和偏角。
优选地，所述根据所述吊具的实时位置和速度进行着箱位置预测包括根据光流法或视觉里程计计算所述吊具的实时速度，所述吊具在t1时刻的着箱位置根据以下公式计算：
Pt1＝P0+v0*t1+0.5*a0*t12
其中，t1是所述吊具的延迟时间，Pt1是所述吊具在t1时刻的位置，P0是所述吊具的实时着箱位置，v0是所述吊具的实时速度，a0是所述吊具的实时加速度。
优选地，还包括以下步骤：
当所述集装箱着地后，通过所述图像获取装置确认所述集装箱的四个角点和所述地标的四个中心点之间的空间位置差小于第三阈值时，则着箱完成，否则开始进入二次着箱。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的一种堆场地面集装箱自动着箱方法，通过获取大车在堆场坐标系中的位姿和集装箱在堆场坐标系中的目标位，计算集装箱在大车坐标系中的位姿，从而能够得出大车、小车、吊具所需的移动距离及吊具所需要的旋转角度；
进一步地，分阶段进行目标位置的检测，当吊具与目标位置的高度小于第一阈值时，通过动态地标检测，实时计算吊具和目标位置的相对位置，当吊具与目标位置的高度小于第二阈值时，根据吊具的实时位置和速度控制吊具下降着箱，大大提高了集装箱自动着箱的效率；
进一步地，结合GNSS以及图像获取装置检测出大车位姿，从而能够指导大车、小车及吊具快速移动到目标位。
附图说明
图1为本发明实施例中一种堆场地面集装箱自动着箱方法的流程图；
图2为本发明实施例中一种堆场地面集装箱自动着箱方法的大车位姿检测的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
集装箱堆场是指在集装箱码头内或码头周边地区，用于交接和保管集装箱的场所。常包括集装箱编排场、码头前沿堆场等。对于海运集装箱出口来说，堆场的作用就是把所有出口客户的集装箱在某处先集合起来，到了截港时间之后，再统一上船。箱位是集装箱在堆场的位置，用箱位数来表示。一个集装箱的箱位数由场位、贝位、排位和层位组成。场位是为了便于装卸箱，根据不同场地机械工作能力及作业所需的行走地面划分的堆存成片集装箱的区域，区域内有多个按照集装箱的标准尺寸画成的用来指示存放集装箱的格状位置。贝位是集装箱在场位的纵列位置。排位是集装箱在场位的横排位置。层位是集装箱在场位的高度位置。
图1为本发明实施例中一种堆场地面集装箱自动着箱方法的流程图，图2为本发明实施例中一种堆场地面集装箱自动着箱方法的大车位姿检测的示意图。
图2所示的OXYZ表示的是堆场坐标系，坐标原点O位于车道线和第一贝位的中心，Z轴垂直地面向上；图2所示的O1X1Y1Z1表示的是大车坐标系,O1位于大车一侧的中心，Z1轴垂直地面向上。
请参见图1和图2，本发明实施例的一种堆场地面集装箱自动着箱方法，包括如下步骤：步骤101：获取大车在堆场坐标系中的位姿以及集装箱在所述堆场坐标系中的目标位，计算出所述集装箱在大车坐标系中的位姿，从而得出大车、小车、吊具所需的移动距离及所述吊具所需的旋转角度；步骤102：开启设置在所述吊具上的图像获取装置进行动态地标检测，实时计算所述吊具与所述目标位置的相对位置；步骤103：当所述吊具下降到距离所述目标位置的高度小于第二阈值时，根据所述吊具的实时位置和速度进行着箱位置预测，控制所述吊具下降着箱。
开启设置在所述吊具上的图像获取装置进行动态地标检测，实时计算所述吊具与所述目标位置的相对位置之前还包括判断当所述大车、小车移动到位以及所述吊具旋转到位且所述吊具下降到距离目标位置的高度小于第一阈值时开启设置在所述吊具上的图像获取装置进行动态地标检测。
在具体实施中，第一阈值的取值范围通常为0.1m～吊具的最高位置，当所述吊具设置为在最高位置时即可以在任意时刻开启图像获取装置进行动态地标检测，第二阈值的取值范围通常为0.05～0.1m。图像获取装置可以例如是相机，所述相机用于动态获取堆场地面的地标的检测。
所述获取大车在堆场坐标系中的位姿包括通过GNSS(Global NavigationSatellite System，全球卫星定位系统)检测所述大车的第一位置x1以及相对于堆场车道线的第一偏角θ1。所述获取大车在堆场坐标系中的位姿还包括通过车道线检测模块检测所述大车的第二位置x1以及相对于堆场车道线的第二偏角θ2。
在具体实施中，所述获取大车在堆场坐标系中的位姿包括通过GNSS检测所述大车的第一位置x1以及相对于堆场车道线的第一偏角θ1，并通过车道线检测模块检测所述大车的第二位置x2以及相对于堆场车道线的第二偏角θ2，融合所述大车的第一位置x1和第二位置x2得到所述大车的实时位置x以及相对于堆场车道线的实时偏角θ。
从图2中可以看出，大车沿着左右两根堆场车道线行驶，但是通常大车和堆场车道线之间具有偏角，也就是说在实际行驶过程中，大车不能完全沿着堆场车道线行驶，而是会产生一定的偏角。因此有必要获取大车的实时位置以及相对于堆场车道线的实时偏角。
获取大车的实时位置x以及相对于堆场车道线的实时偏角θ之后，通过目标位计算模块可以分别计算出小车、大车所需移动的距离(Δx,Δy)以及吊车所需旋转的角度Δθ。
所述动态地标检测包括通过深度学习目标检测方法检测出地标并计算出所述地标的至少一个角点位置。优选地，通过所述地标的至少一个角点位置计算所述地标的中心点位置，从而计算出所述地标的至少两个中心点位置。
在具体实施中，使用吊具的图像获取装置，例如可以是相机，进行图片采集，使用深度学习目标检测的方法，例如Yolo、实例分割，如Yolact等深度学习目标检测的方法检测出地标，并计算出地标的至少一个角点位置。集装箱每个角所对应的地标由四个L形标志组成，如图2所示，集装箱2或3的每个角对应了一个由四个L形标志组成的地标。在实际使用中，堆场的地标有可能残损或被污渍掩盖，在本实施例中，只需要至少检测出其中一个的角点位置PLn(n＝1,2,3,4)即可，根据地标的四个角点的相对关系和实际大小可计算出地标的中心点位置。因此可以在四个L形标志组成的地标图像不清晰的时候，通过检测其中一个的角点位置，计算出地标的中心点位置，从而大大提高地标检测的准确度。
计算所述集装箱的至少两个角点位置与所述地标的至少两个中心点位置之间的空间位置差，获取所述吊具着箱所需调整的位移和偏角。
在具体实施中，吊具所抓取的集装箱角点在各个相机中的位置固定PCn(n＝1,2,3,4)，ΔPn＝PCn–PLn，即吊具各个角与目标位置之间的空间位置差。优选地，ΔPn中只需检测两个即可获得吊具着箱所需调整的位移和偏角。
所述根据所述吊具的实时位置和速度进行着箱位置预测包括根据光流法或视觉里程计计算所述吊具的实时速度，所述吊具在t1时刻的着箱位置根据以下公式计算：
Pt1＝P0+v0*t1+0.5*a0*t12
其中，t1是所述吊具的延迟时间，Pt1是所述吊具在t1时刻的位置，P0是所述吊具的实时着箱位置，v0是所述吊具的实时速度，a0是所述吊具的实时加速度，根据两帧之间的速度计算得出，当Pt1满足着箱精度阈值时给出着箱指令。
光流法(Optical flow or optic flow)是关于视域中的物体运动检测中的概念。用来描述相对于观察者的运动所造成的观测目标、表面或边缘的运动。视觉里程计(VisualOdometry)是将一个摄像头(或多个摄像头)刚性连接到一个移动的物体上(如机器人)，通过摄像头采集的视频流来确定相机的6自由度。
本发明公开的一种堆场地面集装箱自动着箱方法还包括以下步骤：当所述集装箱着地后，通过所述图像获取装置确认所述集装箱的四个角点和所述地标的四个中心点之间的空间位置差ΔP小于第三阈值时，则着箱完成，否则将吊具升起一定高度，开始进入二次着箱。
在具体实施中，第三阈值的取值范围通常为0.02～0.05m。
综上所述，本发明实施例的一种堆场地面集装箱自动着箱方法，通过获取大车在堆场坐标系中的位姿和集装箱在堆场坐标系中的目标位，计算集装箱在大车坐标系中的位姿，从而能够得出大车、小车、吊具所需的移动距离及吊具所需要的旋转角度；
进一步地，分阶段进行目标位置的检测，当吊具与目标位置的高度小于第一阈值时，通过动态地标检测，实时计算吊具和目标位置的相对位置，当吊具与目标位置的高度小于第二阈值时，根据吊具的实时位置和速度控制吊具下降着箱，大大提高了集装箱自动着箱的效率；
进一步地，结合GNSS以及图像获取装置检测出大车位姿，从而能够指导大车、小车及吊具快速移动到目标位。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种堆场地面集装箱自动着箱方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取大车在堆场坐标系中的位姿以及集装箱在所述堆场坐标系中的目标位，计算出所述集装箱在大车坐标系中的位姿，从而得出大车、小车、吊具所需的移动距离及所述吊具所需的旋转角度；
开启设置在所述吊具上的图像获取装置进行动态地标检测，实时计算所述吊具与目标位置的相对位置；
当所述吊具下降到距离所述目标位置的高度小于第二阈值时，根据所述吊具的实时位置和速度进行着箱位置预测，控制所述吊具下降着箱；
所述开启设置在所述吊具上的图像获取装置进行动态地标检测，实时计算所述吊具与所述目标位置的相对位置之前还包括判断当所述大车、小车移动到位以及所述吊具旋转到位且所述吊具下降到距离目标位置的高度小于第一阈值时开启设置在所述吊具上的图像获取装置进行动态地标检测。
2.如权利要求1所述的堆场地面集装箱自动着箱方法，其特征在于，所述获取大车在堆场坐标系中的位姿包括通过GNSS检测所述大车的第一位置以及相对于堆场车道线的第一偏角。
3.如权利要求1所述的堆场地面集装箱自动着箱方法，其特征在于，所述获取大车在堆场坐标系中的位姿包括通过车道线检测模块检测所述大车的第二位置以及相对于堆场车道线的第二偏角。
4.如权利要求1所述的堆场地面集装箱自动着箱方法，其特征在于，所述获取大车在堆场坐标系中的位姿包括通过GNSS检测所述大车的第一位置以及相对于堆场车道线的第一偏角，并通过车道线检测模块检测所述大车的第二位置以及相对于堆场车道线的第二偏角，融合所述大车的第一位置和第二位置得到所述大车的实时位置以及相对于堆场车道线的实时偏角。
5.如权利要求1所述的堆场地面集装箱自动着箱方法，其特征在于，所述动态地标检测包括通过深度学习目标检测方法检测出地标并计算出所述地标的至少一个角点位置。
6.如权利要求5所述的堆场地面集装箱自动着箱方法，其特征在于，通过所述地标的至少一个角点位置计算所述地标的中心点位置，从而计算出所述地标的至少两个中心点位置。
7.如权利要求6所述的堆场地面集装箱自动着箱方法，其特征在于，计算所述集装箱的至少两个角点位置与所述地标的至少两个中心点位置之间的空间位置差，获取所述吊具着箱所需调整的位移和偏角。
8.如权利要求1所述的堆场地面集装箱自动着箱方法，其特征在于，所述根据所述吊具的实时位置和速度进行着箱位置预测包括根据光流法或视觉里程计计算所述吊具的实时速度，所述吊具在t1时刻的着箱位置根据以下公式计算：
Pt1＝P0+v0*t1+0.5*a0*t12
其中，t1是所述吊具的延迟时间，Pt1是所述吊具在t1时刻的位置，P0是所述吊具的实时着箱位置，v0是所述吊具的实时速度，a0是所述吊具的实时加速度。
9.如权利要求1所述的堆场地面集装箱自动着箱方法，其特征在于，还包括以下步骤：
当所述集装箱着地后，通过所述图像获取装置确认所述集装箱的四个角点和所述地标的四个中心点之间的空间位置差小于第三阈值时，则着箱完成，否则开始进入二次着箱。
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