CN112978579B - 一种具有防碰撞控制系统的起重机 - Google Patents

Abstract

一种具有防碰撞控制系统的起重机，包括启动起重机；开启定位相机利用标准数据库对扣板进行定位调平；防碰撞控制系统启动，通过转动激光雷达形成对拉索、扣板和集装箱的全方位防碰撞保护。该方法能够实现全方位的保护，特别是对于较细的拉索也可以进行保护，避免出现安全问题。

Description

一种具有防碰撞控制系统的起重机

技术领域

本发明涉及起重机领域，特别涉及防碰撞的起重机领域。

背景技术

在使用起重机进行集装箱货物的吊起和放下的过程中，应当避免碰撞的发生。这种碰撞一般发生在吊起过程中和放下过程中集装箱与周边集装箱可能的接触，以及起重机在移动集装箱的过程中由于操作员视线受阻可能发生的碰撞。现有技术中通常采用摄像头进行拍摄，通过机器视觉的方式避免碰撞；或是利用测距仪等探测周边物体。但无论哪种方式，通常均是针对较大的集装箱设置的。例如，拍摄集装箱的图像/视频，通过图像识别分析避免其与其他集装箱等物体碰撞。但对于起重机而言，除了较大的集装箱外，起重机拉索在移动过程中也可能受到碰撞从而发生事故。而现有图像采集的方式无法准确分辨较细的拉索，测距仪也不易在较细的拉索上设置。这使得整个起重机的防碰撞系统并不完备，并不能100%实现自主安全。并且，现有测距仪均是朝向防碰撞方向安装，这使得防碰撞范围较小，如果要增大范围只能增加测距仪的数量。例如，通常在集装箱扣板上沿水平方向安装朝向四个方向外侧的测距仪，这样就可以测量障碍物与集装箱的距离，从而避免集装箱碰撞。但使用这样的四个测距仪只能防止在集装箱扣板水平面上四个方向防止碰撞，而不能避免拉索碰撞，甚至不能精确防止集装箱底部碰撞。同理，如果在拉索上装测距仪，只能防止拉索防碰撞，而不能防止集装箱碰撞。而在集装箱底部安装传感器又不现实。

为此，急需一种能够低成本使用尽量少的传感器且实现全面避免碰撞，特别是能够避免拉索碰撞的起重机，从而能够实现自动化安全作业。

发明内容

为解决上述问题，及下属实施例中提到的诸多问题，本发明提出了如下方案：

一种具有防碰撞控制系统的起重机，包括小车、扣板、激光雷达、拉索、集装箱、定位相机和控制单元；

扣板与集装箱固定后，小车收起拉索，从而将集装箱拉升至一定高度；

开启4个定位相机，进行拍摄；每个相机拍摄扣板的一个区域，将四个相机拍摄的图像拼接，即可获得整个扣板的图像；在该拼接图像中，包含了四根拉索的部分投影和扣板的矩形边框；当各个投影线段的延长线相交于矩形边框中心一点，则判断扣板与小车平行时，即扣板水平放置；

在控制调整扣板水平后，再次利用定位相机采集4张扣板图像进行拼接，得到最新的拼接图像；并将其与数据库中存储的标准拼接图像进行比对，找到与其一致的标准图像，通过数据库查询，获得与该标准图像相对应的距离H，从而获得此时小车与扣板之间的垂直距离H。

4个激光雷达启动，初始位置为垂直向下；向外侧转动激光雷达，使其光斑逐渐向扣板边缘移动；当光斑与扣板边缘重合时，此时在4个定位相机拍摄的拼接图像中光斑图像与扣板图像的矩形边框重合，记录此时激光雷达转过的角度a；继续向外侧转动激光雷达b角度，此时光斑与扣板延伸平面相交于C点，光斑与集装箱底面延伸平面相交于E点；

当某一方向的激光雷达收到的障碍物距离M满足0＜M≤H/cos(a+b)时，则判断拉索将可能发生碰撞，并发出预警，控制单元控制小车停止向该激光雷达方向行进；

当某一方向的激光雷达收到的障碍物距离M满足H/cos(a+b)＜M≤(H+L)/cos(a+b)时，则判断扣板或集装箱将可能发生碰撞，并发出预警，控制单元控制小车停止向该激光雷达方向行进；

当某一方向的激光雷达收到的障碍物距离M满足M＞(H+L)/cos(a+b)时，则判断不会发生碰撞，控制单元控制小车继续向该激光雷达方向行进；

其中，H为小车与扣板之间的垂直距离，L为扣板上表面和集装箱底面之间的垂直距离。

还包括当小车移动到指定位置后，启动对准相机，拍摄位于集装箱正下方的图像，并利用图像识别的方式判断集装箱应当放置的位置；控制单元控制小车不断下放拉索，从而将集装箱放置在预定位置上。

小车位于起重机轨道上，用于在轨道上行进，从而移动集装箱。

小车靠近四个角的位置连接有4根拉索，4根拉索的另一端分别连接至扣板靠近四个角的位置，即小车通过4根拉索与扣板连接，扣板下方固定有集装箱；

4个定位相机分别位于小车底端，位于矩形小车底端靠近四个边的位置；4个激光雷达分别位于小车4个侧面，并且激光雷达与小车可转动连接；4个对准相机分别位于扣板底部4个边缘。

发明点及技术效果

1、通过可转动的激光雷达实现了起重机整体大范围防碰撞控制，特别是实现了拉索的防碰撞。

2、进一步通过激光雷达探测的不同障碍物的距离，判断碰撞可能发生在集装箱还是拉索，从而能够更准确的预警。

3、利用多位置、多速度模式构建标准数据库，可以使得起重机的扣板在不同工况（位置、速度）情况下，均可以快速、准确校准调平。

本发明的发明点包括但不限于以上，具体以实施例记载的技术内容为准。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是起重机示意图

图2是起重机防碰撞系统示意图；

图3是起重机防碰撞系统原理图；

图4是扣板拼接图像示意图。

具体实施方式

起重机整体结构

如图1所示，起重机包括小车1、扣板2、激光雷达3、拉索4、集装箱5、定位相机6、对准相机7。

其中小车位于起重机轨道上，用于在轨道上行进，从而移动货物。小车靠近四个角的位置连接有4根拉索，4根拉索的另一端分别连接至扣板靠近四个角的位置，即小车通过4根拉索与扣板连接。扣板下方固定有集装箱，扣板可安装不同的集装箱，从而使得起重机可以运送不同的集装箱。4根拉索可以由小车控制伸缩，从而将集装箱升起或下降。

4个定位相机分别位于小车底端，位于矩形小车底端靠近四个边的位置；4个激光雷达分别位于小车4个侧面，并且激光雷达与小车可转动连接。4个对准相机分别位于扣板底部4个边缘。

起重机的控制方法

（一）启动

扣板与集装箱固定后，小车收起拉索，从而将集装箱拉升至一定高度。

（二）扣板定位

此时，开启4个定位相机，进行拍摄。每个相机拍摄扣板的一个区域，将四个相机拍摄的图像拼接，即可获得整个扣板的图像。在该拼接图像中，包含了四根拉索的部分投影。利用图像识别方法获得扣板图像的矩形边框3-2，以及4根拉索的投影线段4-1。由于拉索的连接位置的原因，其投影线段应当在扣板图像矩形边框的对角连线上。

通过利用图像处理方式延长投影线段至矩形边框中心位置：

当扣板与小车平行时，即扣板水平放置时，各个投影线段的延长线相交于中心一点，从而确定扣板的中心O。

当扣板发生略微的倾斜时，此时至少有一根拉索长度与其他拉索长度不同。此时拉索投影线段的延长线无法相交于中心一点。此时计算拼接图像中4根拉索投影线段的长度，拉索投影线段较短的那根拉索较长，通过这一原则控制调整拉索长度，使得每根拉索投影线段长度一致，此时小车与扣板平行，即将扣板调整水平。

在控制调整扣板水平后，再次利用定位相机采集4张扣板图像进行拼接，得到最新的拼接图像。此时将其与数据库中存储的标准拼接图像进行比对，找到与其一致的标准图像（特别是拉索投影线位置长度一致的标准图像），通过数据库查询，获得与该标准图像相对应的距离H。其中H为小车与扣板之间的垂直距离。从而获得此时小车与扣板之间的垂直距离H。

（三）防碰撞控制系统启动

4个激光雷达启动，初始位置为垂直向下。下面以其中一个激光雷达举例，激光雷达的光斑位于扣板的B点。

向外侧转动激光雷达，使其光斑逐渐由B点向扣板边缘移动。当光斑与扣板边缘重合时，此时在4个定位相机拍摄的拼接图像中光斑图像3-1与扣板图像的矩形边框重合，记录此时激光雷达转过的角度a。继续向外侧转动激光雷达b角度，此时光斑与扣板延伸平面相交于C点，光斑与集装箱底面延伸平面相交于E点。

此时AC=H/cos(a+b)；AE= (H+L)/cos(a+b)。其中H为小车与扣板之间的垂直距离，L为扣板上表面和集装箱底面之间的垂直距离。

当某一方向的激光雷达收到的障碍物距离M满足0<M≤H/cos(a+b)时，则判断拉索将可能发生碰撞，并发出预警，控制单元控制小车停止向该激光雷达方向行进。

当某一方向的激光雷达收到的障碍物距离M满足H/cos(a+b)<M≤(H+L)/cos(a+b)时，则判断扣板或集装箱将可能发生碰撞，并发出预警，控制单元控制小车停止向该激光雷达方向行进。

当某一方向的激光雷达收到的障碍物距离M满足M> (H+L)/cos(a+b)时，则判断不会发生碰撞，控制单元控制小车继续向该激光雷达方向行进。

利用激光雷达，相当于为整个起重机系统设置了具有冗余度的碰撞边界，一旦有障碍物进入起重机系统的碰撞边界，控制单元就会发出报警，并控制停止小车的运动，从而实现了对整个起重机系统的完备的防护。

其中角度b需要根据距离进行调整，根据大量实验经验进行优化拟合，b满足如下条件：

tan(b)=Q/(H+H*tan²(a)+Q*tan(a))

其中b为激光雷达光斑落在扣板边缘后继续向外转动的角度；a为激光雷达光斑落在扣板边缘时，激光雷达从向下垂直方向开始转动的角度；H为小车下表面与扣板上表面的垂直距离；Q为经验阈值系数，优选Q可以取0.52。此时能够获得较为安全的防碰撞距离，并避免频繁误报。

（四）集装箱下落

当小车移动到指定位置后，启动对准相机，拍摄位于集装箱正下方的图像，并利用图像识别的方式判断集装箱应当放置的位置。控制单元控制小车不断下放拉索，从而将集装箱放置在预定位置上。

标准图像数据库的建立

1、利用水平传感器检查集装箱扣板调至水平。

2、控制小车缓慢收回拉索，逐渐将扣板从地面升至额定高度。

3、在扣板上升过程中利用4个定位相机连续进行拍摄。每个相机拍摄扣板的一个区域，将四个相机拍摄的图像拼接，即可获得整个扣板的图像。在该拼接图像中，包含了四根拉索的部分投影。在扣板上升过程中利用测距仪准确测量扣板与小车之间距离H。

4、利用图像处理方法，获得扣板矩形边框、拉索投影线段的尺寸和位置，将其与距离H相关联，从而建立拼接图像与距离H之间的对应关系。

虽然这样建立了拼接图像与距离之间的关系，但在实际使用过程中由于拉索上升速度并不相同，因此定位相机采集到的图像会发生不期望的畸变，从而会影响其与标准图像的匹配。一种方法是可以在使用时在拉索静止时再进行拍照定位，但这样会影响工作效率。为此，可以构建更为全面的标准图像数据库，具体方法如下：

（1）在上述构建方法基础上，在固定间隔位置拉索停止收回后定位相机再进行拍照，拍照完成后拉索继续收回，到下一个位置再进行拍照，以此类推。从而获得静止状态下拼接图像与距离之间的关系，从而构建静止标准图像数据。

（2）同样在上述构建方法基础上，设置小车收回拉索的速度为V1，上升过程中拉索不停止不静止，利用4个定位相机连续进行拍摄。从而获得在该运动速度V1下拼接图像与距离之间的关系。更改拉索收回速度V2，再次进行上述操作，可以获得另一收回速度V2下拼接图像与距离之间的关系。以此类推，得到收回速度Vn下拼接图像与距离之间的关系。从而构建运动标准图像数据。其中优选V1可以为0.05m/s，V2为0.1m/s, V3为0.15m/s…以此类推。

至此，在使用标准图像数据库时，需要检测拉索的收回速度v，将其与数据库中存储的最接近的速度Vn进行对应，从而在Vn目录下查找与实时拼接图像最接近的标准图像，从而确定距离。如此，可以更精确的获得测量距离，从而准确控制防碰撞的精度和范围，也是发明点之一。

起重机的工作自检方法

如果起重机扣板不能调整水平将会使得最终防碰撞范围产生错误，某些情况下或某些角度或位置防碰撞失灵，从而带来操作风险，为此需要对控制系统是否能够准确检测扣板水平进行自检。

将集装箱放置在地面上，并固定于扣板，启动小车收回拉索，使得集装箱不断上升，在此过程中使用定位相机不断采集扣板图像并拼接，在不同位置（不同H）检测扣板运动速度v，将H，v以及采集拼接得到的图像相互关联，判断该图像与标准库中的图像相似度。若图像尺寸、位置，以及图像中的元素位置、尺寸均相同，则自检通过。

其中，扣板运动满足如下公式，从而能够保证不同位置，不同速度均可以自检验证。

Y=2*(sin(1.5*x)+0.18*x² -0.01x³+0.1^（x+1）)

其中Y为集装箱与地面的距离，x为时间，其中0≤x≤15s。

可以理解，除了上述内容，还包括一些常规结构和常规方法，由于这些内容都是公知的，不再赘述。但这并不意味着本发明不存在这些结构和方法。

本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (4)

1.一种具有防碰撞控制系统的起重机，其特征在于：包括小车、扣板、激光雷达、拉索、集装箱、定位相机和控制单元；4个定位相机分别位于小车底端，位于小车底端靠近四个边的位置；4个激光雷达分别位于小车4个侧面，并且激光雷达与小车可转动连接，4个对准相机分别位于扣板底部4个边缘；

扣板与集装箱固定后，小车收起拉索，从而将集装箱拉升至一定高度；

开启4个定位相机，进行拍摄；每个相机拍摄扣板的一个区域，将四个相机拍摄的图像拼接，即可获得整个扣板的图像；在该拼接图像中，包含了四根拉索的部分投影和扣板的矩形边框；当各个投影线段的延长线相交于矩形边框中心一点，则判断扣板与小车平行，即扣板水平放置；

在控制调整扣板水平后，再次利用定位相机采集4张扣板图像进行拼接，得到最新的拼接图像；并将其与数据库中存储的标准拼接图像进行比对，找到与其一致的标准图像，通过数据库查询，获得与该标准图像相对应的距离H，其中H也为小车下表面与扣板上表面之间的垂直距离；从而获得此时小车与扣板之间的垂直距离H；

4个激光雷达启动，初始位置为垂直向下；向外侧转动激光雷达，使其光斑逐渐向扣板边缘移动；当光斑与扣板边缘重合时，此时在4个定位相机拍摄的拼接图像中光斑图像与扣板图像的矩形边框重合，记录此时激光雷达转过的角度a；继续向外侧转动激光雷达b角度，此时光斑与扣板延伸平面相交于C点，光斑与集装箱底面延伸平面相交于E点；

当某一方向的激光雷达收到的障碍物距离M满足0＜M≤H/cos(a+b)时，则判断拉索将可能发生碰撞，并发出预警，控制单元控制小车停止向该激光雷达方向行进；

当某一方向的激光雷达收到的障碍物距离M满足H/cos(a+b)＜M≤(H+L)/cos(a+b)时，则判断扣板或集装箱将可能发生碰撞，并发出预警，控制单元控制小车停止向该激光雷达方向行进；

当某一方向的激光雷达收到的障碍物距离M满足M＞(H+L)/cos(a+b)时，则判断不会发生碰撞，控制单元控制小车继续向该激光雷达方向行进；

其中，H为小车下表面与扣板上表面之间的垂直距离，L为扣板上表面和集装箱底面之间的垂直距离。

2.如权利要求1所述的起重机，其特征在于：还包括当小车移动到指定位置后，启动对准相机，拍摄位于集装箱正下方的图像，并利用图像识别的方式判断集装箱应当放置的位置；控制单元控制小车不断下放拉索，从而将集装箱放置在预定位置上。

3.如权利要求2所述的起重机，其特征在于：小车位于起重机轨道上，用于在轨道上行进，从而移动集装箱。

4.如权利要求3所述的起重机，其特征在于：小车靠近四个角的位置连接有4根拉索，4根拉索的另一端分别连接至扣板靠近四个角的位置，即小车通过4根拉索与扣板连接，扣板下方固定有集装箱。

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