CN113158363B - 一种基于3d建模的装船机智能防碰预警系统和方法 - Google Patents

一种基于3d建模的装船机智能防碰预警系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113158363B
CN113158363B CN202110311241.8A CN202110311241A CN113158363B CN 113158363 B CN113158363 B CN 113158363B CN 202110311241 A CN202110311241 A CN 202110311241A CN 113158363 B CN113158363 B CN 113158363B
Authority
CN
China
Prior art keywords
chute
point cloud
cloud data
cabin
ship loader
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110311241.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113158363A (zh
Inventor
李海滨
贾璐
陈贵林
渠金龙
万劲松
张岩松
赵超越
董建伟
薛森
范艳东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Binyuan Guoke Qinhuangdao Intelligent Technology Co ltd
Original Assignee
Qinhuangdao Yanda Binyuan Technology Development Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qinhuangdao Yanda Binyuan Technology Development Co ltd filed Critical Qinhuangdao Yanda Binyuan Technology Development Co ltd
Priority to CN202110311241.8A priority Critical patent/CN113158363B/zh
Publication of CN113158363A publication Critical patent/CN113158363A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113158363B publication Critical patent/CN113158363B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65G—TRANSPORT OR STORAGE DEVICES, e.g. CONVEYORS FOR LOADING OR TIPPING, SHOP CONVEYOR SYSTEMS OR PNEUMATIC TUBE CONVEYORS
    • B65G67/00—Loading or unloading vehicles
    • B65G67/60—Loading or unloading ships
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于3D建模的装船机智能防碰预警系统和方法，包括以下步骤：A1、装船机和装船机溜筒建模，获取溜筒线段的方程；A2、获取船舱的三维点云数据：利用三维激光雷达，对船舱及船舱底部扫描建模，进而获取船舱三维点云数据；A3、设置溜筒感兴趣区域；A4、搜索溜筒感兴趣区域的船舱三维点云数据，并计算感兴趣区域内点云数据与溜筒的距离；A5：判断是否发生碰撞：若在感兴趣区域内点云数据的数量大于数量阈值q，则认为装船机存在碰撞风险，及时报警处理并判断最短距离dmin，若最短距离dmin小于t，则报警并根据点云数据的方位及时做出防碰撞措施。

Description

一种基于3D建模的装船机智能防碰预警系统和方法
技术领域
本发明涉及装船机与船舱的防碰撞技术，尤其涉及的是一种基于3D建模的装船机智能防碰预警系统和方法。
背景技术
煤炭是我国主要能源之一，现在每天有大量的货船在港口等待煤炭运输，加快作业效率对于提高我国港口运输行业具有至关重要的作用。随着我国经济的快速发展，我国港口的作业生产模式也在发生变化，对设备的智能化控制程度不断提高，这就要求我们对设备的安全保障系统进行及时合理的提高以适应港口事业的发展。
装船机是散货码头装船时使用的大型机械设备，目前装船作业过程主要依靠大机行走、大臂俯仰和伸缩等动作，而安全主要靠操作人员观察确定，然而对操作人员来说，装船机的运行存在多处视野盲区，因此装船机作业依然存在多处视野隐患。为了保证装船机的安全运行，防止碰撞事故的发生，特设置防碰撞系统。
目前常用的防碰撞系统是在可能发生碰撞的位置安装雷达，然后实时监测易碰撞位置与其最近物体的距离，这种方法可以检测出是否发生碰撞，但无法对大臂的所有位置进行检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于3D建模的装船机智能防碰预警系统和方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于3D建模的装船机智能防碰预警方法，包括以下步骤：
A1、装船机和装船机溜筒建模，获取溜筒线段的方程：首先以大臂轨道运行方向为y方向，确定装船机的水平位置(x0，y0)，然后根据装船机的模型确定大臂旋转轴的位置坐标(x0，y0，z0)，通过大臂的俯仰编码器确定大臂的俯仰角度为α，大臂的旋转编码器确定大臂的旋转角度为β，此时装船机大臂是以(x0，y0，z0)为旋转中心，以α为俯仰角度，β为旋转角度的直线；
假设大臂的固定长度为m，通过伸缩编码器确定伸缩长度为n，则大臂总长为m+n，此时装船机大臂可以看成是以(x0，y0，z0)为轴中心，以α角为俯仰角度，β角为旋转角度，长度为m+n的线段，此时溜筒顶端位置的坐标为(xd0，yd0，zd0)；
Figure GDA0003074595910000021
其中
Figure GDA0003074595910000022
β∈[0,π)；
此时装船机溜筒对应的直线方程为：
Figure GDA0003074595910000023
假设装船机溜筒的长度为l，则装船机溜筒线段的方程为：
Figure GDA0003074595910000024
A2、获取船舱的三维点云数据：利用三维激光雷达，对船舱及船舱底部扫描建模，进而获取船舱三维点云数据；
A3、设置溜筒感兴趣区域：根据上述溜筒线段的方程，设置溜筒感兴趣区域；包括两部分感兴趣区域：一是以溜筒为轴中心，向外拓展筒形区域，作为溜筒侧面感兴趣区域；二是以溜筒底部为球中心，向外拓展球形区域，作为溜筒底部感兴趣区域；
A4、搜索溜筒感兴趣区域的船舱三维点云数据，并计算感兴趣区域内点云数据与溜筒的距离：
A5：判断是否发生碰撞：若在感兴趣区域内点云数据的数量大于数量阈值q，则认为装船机存在碰撞风险，及时报警处理并判断最短距离dmin，若最短距离dmin小于t，则报警并根据点云数据的方位及时做出防碰撞措施。
所述的方法，步骤A3中，拓展的筒形区域和球形区域的直径是可设定的阈值，当点云数据在这个阈值范围内，才认为有可能会发生碰撞。
所述的方法，步骤A4中，当溜筒靠近船壁时，溜筒感兴趣区域内的船舱三维点云数据明显增加；
A41：首先要检测溜筒侧面是否与船舱发生碰撞，也就是船舱点云数据在溜筒侧面时(zpdi>zdlmin)，以溜筒为轴中心，向外拓展筒形感兴趣区域，搜索感兴趣区域的三维点云数据，计算点云数据与溜筒的距离
Figure GDA0003074595910000031
并搜索感兴趣区域内点云数据与溜筒侧壁最短的距离
Figure GDA0003074595910000032
A42：由于装船机臂架下降过程或装船作业过程中(zpdi<zdlmin)，溜筒底部存在与船舷，船舱底部或船舱中货物发生碰撞的风险，因此需要对溜筒底部做防碰撞处理，以溜筒底部为球中心，向外拓展球形感兴趣区域，搜索感兴趣区域内的三维点云数据，计算点云数据与溜筒底部的距离
Figure GDA0003074595910000033
并搜索感兴趣区域内点云数据与溜筒侧壁最短的距离
Figure GDA0003074595910000034
根据任一所述方法的基于3D建模的装船机智能防碰预警系统，其特征在于，该系统内置有实现权利要求1-4任一所述方法的软件。
采用上述方案，本发明通过对大臂位置、角度等进行实时建模，并找到其可能发生碰撞的所有位置，然后结合船舱三维模型，计算判断大臂与船舱是否会发生碰撞风险，本系统可以防止整个大臂与船舱发生碰撞。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为装船机和溜筒的建模示意图；
图3为获得的某船舱的三维点云数据；
100底座，101大臂，102溜筒；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1和图2，图1为本发明基于3D建模的装船机智能防碰预警方法的流程图；本发明的方法包括以下步骤：
A1、装船机和装船机溜筒实时建模，获取溜筒线段的方程：首先以大臂轨道运行方向为y方向，根据装船机的GPS定位技术确定装船机的水平位置(x0，y0)，然后根据装船机的模型确定大臂旋转轴的位置坐标(x0，y0，z0)，通过大臂的俯仰编码器确定大臂的俯仰角度为α，大臂的旋转编码器确定大臂的旋转角度为β，此时装船机大臂是以(x0，y0，z0)为旋转中心，以α为俯仰角度，β为旋转角度的直线。
假设大臂的固定长度为m，通过伸缩编码器确定伸缩长度为n，则大臂总长为m+n，此时装船机大臂可以看成是以(x0，y0，z0)为轴中心，以α角为俯仰角度，β角为旋转角度，长度为m+n的线段，此时溜筒顶端位置的坐标为(xd0，yd0，zd0)。
Figure GDA0003074595910000041
其中
Figure GDA0003074595910000042
β∈[0,π)。
此时装船机溜筒对应的直线方程为：
Figure GDA0003074595910000051
假设装船机溜筒的长度为l，则装船机溜筒线段的方程为：
Figure GDA0003074595910000052
A2、获取船舱的三维点云数据：装船机与船舱防碰撞，主要是防止装船机溜筒与船舱盖、船舱口和船舱底部碰撞，因此需要对船舱建模，本发明在装船机臂架安装三维激光雷达，对船舱及船舱底部扫描建模，进而获取船舱三维点云数据。
A3、设置溜筒感兴趣区域：根据上述溜筒线段的方程，设置溜筒感兴趣区域；主要包括两部分感兴趣区域：一是以溜筒为轴中心，向外拓展筒形区域，作为溜筒侧面感兴趣区域；二是以溜筒底部为球中心，向外拓展球形区域，作为溜筒底部感兴趣区域。拓展的筒形区域和球形区域的直径是可设定的阈值，当点云数据在这个阈值范围内，才认为有可能会发生碰撞。
A4、搜索溜筒感兴趣区域的船舱三维点云数据并计算感兴趣区域内点云数据与溜筒的距离：当溜筒靠近船壁时，溜筒感兴趣区域内的船舱三维点云数据明显增加。
首先要检测溜筒侧面是否与船舱发生碰撞，也就是船舱点云数据在溜筒侧面时(zpdi＞zdlmin)，zpdi为船舱点云数据任意i点的Z轴方向坐标点，以溜筒为轴中心，向外拓展筒形感兴趣区域，搜索感兴趣区域的三维点云数据，计算点云数据与溜筒的距离
Figure GDA0003074595910000053
并搜索感兴趣区域内点云数据与溜筒侧壁最短的距离
Figure GDA0003074595910000054
由于装船机臂架下降过程或装船作业过程中(zpdi＜zdlmin)，溜筒底部存在与船舷，船舱底部或船舱中货物发生碰撞的风险，因此需要对溜筒底部做防碰撞处理，以溜筒底部为球中心，向外拓展球形感兴趣区域，搜索感兴趣区域内的三维点云数据，计算点云数据与溜筒底部的距离
Figure GDA0003074595910000061
并搜索感兴趣区域内点云数据与溜筒侧壁最短的距离
Figure GDA0003074595910000062
A5：判断是否发生碰撞：若在感兴趣区域内点云数据的数量大于数量阈值q，则认为装船机存在碰撞风险，及时报警处理并判断最短距离dmin，若最短距离dmin小于t，则报警并根据点云数据的方位及时做出防碰撞措施。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于3D建模的装船机智能防碰预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1、装船机和装船机溜筒实时建模，获取溜筒线段的方程：首先以大臂轨道运行方向为y方向，确定装船机的水平位置(x0，y0)，然后根据装船机的模型确定大臂旋转轴的位置坐标(x0，y0，z0)，通过大臂的俯仰编码器确定大臂的俯仰角度为α，大臂的旋转编码器确定大臂的旋转角度为β，此时装船机大臂是以(x0，y0，z0)为旋转中心，以α为俯仰角度，β为旋转角度的直线；
假设大臂的固定长度为m，通过伸缩编码器确定伸缩长度为n，则大臂总长为m+n，此时装船机大臂可以看成是以(x0，y0，z0)为轴中心，以α角为俯仰角度，β角为旋转角度，长度为m+n的线段，此时溜筒顶端位置的坐标为(xd0，yd0，zd0)；
Figure FDA0003678727850000011
其中
Figure FDA0003678727850000012
β∈[0,π)；
此时装船机溜筒对应的直线方程为：
Figure FDA0003678727850000013
假设装船机溜筒的长度为l，则装船机溜筒线段的方程为：
Figure FDA0003678727850000014
A2、获取船舱的三维点云数据：利用三维激光雷达，对船舱及船舱底部扫描建模，进而获取船舱三维点云数据；
A3、设置溜筒感兴趣区域：根据上述溜筒线段的方程，设置溜筒感兴趣区域；包括两部分感兴趣区域：一是以溜筒为轴中心，向外拓展筒形区域，作为溜筒侧面感兴趣区域；二是以溜筒底部为球中心，向外拓展球形区域，作为溜筒底部感兴趣区域；
A4、搜索溜筒感兴趣区域的船舱三维点云数据，并计算感兴趣区域内点云数据与溜筒的距离；
A5：判断是否发生碰撞：若在感兴趣区域内点云数据的数量大于数量阈值q，则认为装船机存在碰撞风险，及时报警处理并判断最短距离dmin，若最短距离dmin小于t，则报警并根据点云数据的方位及时做出防碰撞措施。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A3中，拓展的筒形区域和球形区域的直径是可设定的阈值，当点云数据在这个阈值范围内，才认为有可能会发生碰撞。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A4中，当溜筒靠近船壁时，溜筒感兴趣区域内的船舱三维点云数据明显增加；
A41：首先要检测溜筒侧面是否与船舱发生碰撞，也就是船舱点云数据在溜筒侧面时，zpdi＞zdlmin，以溜筒为轴中心，向外拓展筒形感兴趣区域，搜索感兴趣区域的三维点云数据，计算点云数据与溜筒的距离
Figure FDA0003678727850000021
并搜索感兴趣区域内点云数据与溜筒侧壁最短的距离
Figure FDA0003678727850000022
A42：由于装船机臂架下降过程或装船作业过程中，zpdi＜zdlmin，溜筒底部存在与船舷，船舱底部或船舱中货物发生碰撞的风险，因此需要对溜筒底部做防碰撞处理，以溜筒底部为球中心，向外拓展球形感兴趣区域，搜索感兴趣区域内的三维点云数据，计算点云数据与溜筒底部的距离
Figure FDA0003678727850000023
并搜索感兴趣区域内点云数据与溜筒侧壁最短的距离
Figure FDA0003678727850000024
4.根据权利要求1-3任一所述方法的基于3D建模的装船机智能防碰预警系统，其特征在于，该系统内置有实现权利要求1-3任一所述方法的软件。
CN202110311241.8A 2021-03-24 2021-03-24 一种基于3d建模的装船机智能防碰预警系统和方法 Active CN113158363B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110311241.8A CN113158363B (zh) 2021-03-24 2021-03-24 一种基于3d建模的装船机智能防碰预警系统和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110311241.8A CN113158363B (zh) 2021-03-24 2021-03-24 一种基于3d建模的装船机智能防碰预警系统和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113158363A CN113158363A (zh) 2021-07-23
CN113158363B true CN113158363B (zh) 2022-07-26

Family

ID=76888415

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110311241.8A Active CN113158363B (zh) 2021-03-24 2021-03-24 一种基于3d建模的装船机智能防碰预警系统和方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113158363B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113568412A (zh) * 2021-08-04 2021-10-29 武汉港迪智能技术有限公司 一种散装货码头装船机无人化控制系统
CN114803573B (zh) * 2022-04-14 2024-02-06 华能曹妃甸港口有限公司 一种用于散货码头的自动装船换舱方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105775794A (zh) * 2016-03-29 2016-07-20 中国神华能源股份有限公司 装船机防碰撞系统及方法
CN107146280A (zh) * 2017-05-09 2017-09-08 西安理工大学 一种基于切分的点云建筑物重建方法
CN111062980A (zh) * 2019-11-22 2020-04-24 西安理工大学 一种软体碰撞检测方法
CN111453470A (zh) * 2020-03-31 2020-07-28 神华黄骅港务有限责任公司 装船机溜筒机构、防撞监控装置及防撞监控方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109993783B (zh) * 2019-03-25 2020-10-27 北京航空航天大学 一种面向复杂三维建筑物点云的屋顶及侧面优化重建方法
CN110136264B (zh) * 2019-05-30 2021-02-19 北京中盛博方环保工程技术有限公司 基于三维激光扫描的料场物料的建模方法及系统
CN112150388B (zh) * 2020-09-30 2024-03-29 大连华锐重工集团股份有限公司 一种连续卸船机船舶及物料的识别感知方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105775794A (zh) * 2016-03-29 2016-07-20 中国神华能源股份有限公司 装船机防碰撞系统及方法
CN107146280A (zh) * 2017-05-09 2017-09-08 西安理工大学 一种基于切分的点云建筑物重建方法
CN111062980A (zh) * 2019-11-22 2020-04-24 西安理工大学 一种软体碰撞检测方法
CN111453470A (zh) * 2020-03-31 2020-07-28 神华黄骅港务有限责任公司 装船机溜筒机构、防撞监控装置及防撞监控方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"基于雷达与编码器检测的装船机空间防碰撞技术研究";周庆博;《起重运输机械》;20180531(第9期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113158363A (zh) 2021-07-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113158363B (zh) 一种基于3d建模的装船机智能防碰预警系统和方法
Zong et al. Container ship cell guide accuracy check technology based on improved 3D point cloud instance segmentation
CN109115173B (zh) 基于直线定位模型的掘进机机身位姿单目视觉测量方法
Yan et al. Autonomous underwater vehicle vision guided docking experiments based on L-shaped light array
CN109650089B (zh) 一种堆场堆取料机与物料堆的防碰撞方法
CN113031005A (zh) 基于激光雷达的吊车动态障碍物识别方法
CN107089599A (zh) 基于集装箱箱区轮廓三维识别的吊具安全防撞系统及方法
CN107272682A (zh) 移动平台自动规避碰撞的方法、系统及移动平台
JP6801040B2 (ja) 荷揚げ装置
CN113340287B (zh) 一种装船机船舱舱口识别方法
CN112209054B (zh) 激光扫描的输送带横向跑偏实时检测系统及其检测方法
He et al. Real-time track obstacle detection from 3D LIDAR point cloud
CN111328318B (zh) 卸载装置
Cho et al. Autonomous detection and tracking of a surface ship using onboard monocular vision
JP7011480B2 (ja) 荷揚げ装置
CN112799067A (zh) 装船机溜筒防撞预警方法、装置、系统和预警设备
CN114655739B (zh) 一种无人值守螺旋卸船机暗舱防撞预判方法
Jeong et al. Point cloud segmentation of crane parts using dynamic graph CNN for crane collision avoidance
CN111137792A (zh) 一种塔式起重机的三维防碰撞方法及其防碰撞设备
CN107514994B (zh) 一种基于误差补偿的船槽定位方法
CN115015962A (zh) 基于岸桥的碰撞检测方法、系统、设备及存储介质
CN105776042B (zh) 一种船坞平台上的起重机防撞监测方法
CN114803867A (zh) 吊具运行防撞方法、装置、设备和起重机
CN113538566A (zh) 基于激光雷达的货船舱口位置获取方法及系统
Lourakis et al. Computer vision for increasing safety in container handling operations

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP03 Change of name, title or address

Address after: 066006 room 2317, 3rd floor, zone B, E-Valley creative space, 12 Yanghe Road, Qinhuangdao Economic and Technological Development Zone, Hebei Province

Patentee after: Binyuan Guoke (Qinhuangdao) Intelligent Technology Co.,Ltd.

Country or region after: China

Address before: 066006 room 2317, 3rd floor, zone B, E-Valley creative space, 12 Yanghe Road, Qinhuangdao Economic and Technological Development Zone, Hebei Province

Patentee before: QINHUANGDAO YANDA BINYUAN TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd.

Country or region before: China

CP03 Change of name, title or address