CN113479773B - 一种集装箱吊具动态下放方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种集装箱吊具动态下放方法，包括步骤:S1、在小车上安装线激光传感器，在吊具上表面安装反光板；S2、通过线激光传感器扫描反光板获取点云并记录时间点t，点云通过直通滤波获取反光板左右边缘点云，根据边缘点云获取吊具偏移量y；S3、根据吊具相对于线激光传感器的偏移量y和对应的时间点t构建数据点，并建立吊具动态摆动模型；S4、根据摆动模型计算吊具下放时间点；S5、等待到下放时间点下放吊具。本发明通过建立吊具摆动模型并确定模型参数，结合吊具下降距离、速度信息准确计算吊具下放时间点，控制吊具在该时间点下放使得吊具在着箱时刻恰好与集装箱位置对齐，从而实现四绳吊具的精准抓箱和叠箱，进而实现集装箱的自动化作业。

Description

一种集装箱吊具动态下放方法

技术领域

本发明涉及集装箱吊装技术领域，尤其涉及一种集装箱吊具动态下放方法。

背景技术

目前港口行业智能化程度较低，港口堆场内的集装箱装卸作业主要是依赖人工。配备四绳吊具的场桥在人工抓箱叠箱过程中需要预判吊具下放时间点，很多时候需要多次操作，这是因为小车通过四绳悬吊吊具，在龙门架的大车上移动到集装箱正上方后，此时吊具下放过程受人工操作，由于吊具存在惯性偏摆，吊具下放过程中，吊具的旋锁精准地插入集装箱顶部对应的锁孔是一件极其精细的事情，不但要求操作人员操作熟练，注意力也需高度集中，但单纯依赖人工的操作往往作业效率低，精度也难以得到保证，且人工的成本也相对较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种集装箱吊具动态下放方法，来解决通过人工操作吊具下放抓箱或叠箱，精度难以保证，作业效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种集装箱吊具动态下放方法，包括如下步骤:

S1、在小车上安装线激光传感器，在吊具上表面安装反光板；

S2、通过线激光传感器扫描反光板获取点云并记录时间点t，点云通过直通滤波获取反光板左右边缘点云，根据边缘点云获取吊具偏移量y；

S3、根据吊具相对于线激光传感器的偏移量y和对应的时间点t构建数据点，并建立吊具动态摆动模型；

S4、根据摆动模型计算吊具下放时间点；

S5、等待到下放时间点下放吊具。

在上述技术方案的基础上，优选的，所述建立吊具摆动模型的方法为：

根据获取的N个关于吊具偏移量y_i以及对应时间点t_i的观测数据点数据点建模，拟合吊具摆动模型曲线方程：

其中A为振幅，ɑ为衰减系数，ω为角速度、φ为相位、C为常数；

采用非线性优化方式求得曲线中各个参数，获得目标函数:

采用梯度下降方式优化目标函数，即可求得A，ɑ，ω，φ、C参数，完成建模。

进一步，优选的，所述梯度下降方式优化目标函数的方法包括：

步骤一、在t和yi为已知条件下，分别求出目标函数J(A,ɑ，ω，φ、C)对于A，ɑ，ω，φ、C的偏导数；

步骤二、更新A，ɑ，ω，φ、C等参数，具体的，设更新前参数为An,ɑn,ωn，φn、Cn，更新后参数为An+1,ɑn+1,ωn+1，φn+1、Cn+1，步长为γ；

步骤三、将更新后的参数带入目标函数J(A,ɑ，ω，φ、C)，重复步骤一、步骤二、步骤三知道目标函数值最小，最终的A,ɑ，ω，φ、C等参数即可所求。

在上述技术方案的基础上，优选的，基于当前吊具摆动模型，预测后期吊具摆到最低点的时间点，计算吊具从开始下降到着箱这一时刻，吊具刚好摆到最低点这一约束条件，结合吊具下降时间以及速度信息，计算出吊具下放时间点。

在上述技术方案的基础上，优选的，假设吊具在距离箱顶面距离为d的高度摆动，设从开始下放到着箱的时间消耗△t，吊具下降过程可分为匀加速阶段和匀速阶段，根据公式可以获得△t；其中，v为吊具下降速度，t₁为匀加速阶段所消耗的时间。

进一步，优选的，设吊具建模完成后当前时间为t_current，吊具摆到最低点时间点t_land和下降时间消耗△t，程序在当前时间点t_current等待t_wait秒，即可到达吊具下放时间点为t_down，根据如下公式可以获得t_wait:

其中，k为自然数，找到使得t_wait>0的最小k值即可求得程序等待时间t_wait，等待完毕后，也就到了吊具下放时间点t_down。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

本发明公开的集装箱吊具动态下放方法，通过激光传感器检测吊具摆动过程中的实时位置，基于该位置数据建立的吊具摆动模型并确定模型参数，结合吊具下降距离、速度信息准确计算吊具下放时间点，控制吊具在该时间点下放使得吊具在着箱时刻恰好与集装箱位置对齐，从而实现四绳吊具的精准抓箱和叠箱，进而实现集装箱的自动化作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的吊具动态下放方法流程示意图；

图2为本发明公开的龙门吊的整体结构示意图；

图3为本发明公开的吊具反光板安装简图；

图4为本发明公开的吊具下降运动位移与时间图；

图5为本发明公开的动态下放全过程吊具摆动图；

图6为本发明公开的吊具下降过程中摆动情况。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，结合附图2-3所示，本发明实施例公开了一种集装箱吊具动态下放方法，包括如下步骤：

S1、在小车上安装线激光传感器，在吊具上表面安装反光板，具体的，参照附图2和3所示，反光板呈长方形设置，且沿吊具长度方向设置；

S2、龙门吊大车小车调整到位，吊具正好位于集装箱上方，此时通过线激光传感器扫描反光板获取点云并记录时间点t，点云通过直通滤波获取反光板上的线状点云(反光板之外的线状点云被过滤掉)，然后计算这段线状点云的质心，质心的偏移量就是吊具偏移量y，在获取点云数据过程中，是由工控机记录时间点；

S3、根据吊具相对于线激光传感器的偏移量y和对应的时间点t构建数据点，并建立吊具动态摆动模型；

由于吊具摆动运动复杂，吊具偏移量并不完全规则，仅仅凭借少数点，直接求出摆动模型参数效果并不是很理想。本发明吊具动态建模主要采用非线性优化方式进行全数据点的模型拟合，大大提高建模的鲁棒性。

具体的，线激光扫描反光板获取吊具偏移量yi以及对应的时间点ti，根据获得N个观测点数据，拟合吊具摆动模型曲线方程：

其中A为振幅，ɑ为衰减系数，ω为角速度、φ为相位、C为常数；

由于激光传感器安装位置不在吊具中心正上方，导致摆动曲线中心线会偏移零点，因此，通过对近似与阻尼运动的摆动曲线进行优化，并在曲线方程中增加常数C，C的取值范围为-100mm～100mm，常数C的正负取值根据激光传感器相对于吊具中心正上方的位置而定。

采用非线性优化方式求得曲线中各个参数，获得目标函数:

采用梯度下降方式优化目标函数，即可求得A，ɑ，ω，φ、C参数，完成建模。

S4、基于当前吊具摆动模型，预测后期吊具摆到最低点的时间点，计算吊具从开始下降到着箱这一时刻，吊具刚好摆到最低点这一约束条件，结合吊具下降时间以及速度信息，计算出吊具下放时间点。

S5、等待到了下放时间点，工控机便给PLC发送吊具下放信号。

本发明所涉及的梯度下降方式优化目标函数的具体方法为：

在J(A,ɑ，ω，φ、C)取得最小值时，所对应的A，ɑ，ω，φ、C等参数即为所求。

步骤一、求偏导；

在t和yi为已知条件下，分别求出目标函数J(A,ɑ，ω，φ、C)对于A，ɑ，ω，φ、C的偏导数；

步骤二、更新参数

更新A，ɑ，ω，φ、C等参数，具体的，设更新前参数为An,ɑn,ωn，φn、Cn，更新后参数为An+1,ɑn+1,ωn+1，φn+1、Cn+1，步长为γ；

步骤三、更新的参数带入J，并求J的函数值

将更新后的参数带入目标函数J(A,ɑ，ω，φ、C)，重复步骤一、步骤二、步骤三直到目标函数值最小，此时，所有时间点t_i对应模型曲线偏移量与真实吊具偏移量之差的平方和最小，模型曲线拟合效果最好，此时的A,ɑ，ω，φ、C参数即为所求。完成吊具摆动建模，后面会根据五个参数对应的模型，得到吊具摆到最低点的时间点(t_land)

本发明的吊具动态下放过程包含两个过程，第一个吊具摆动模型建模，第二个吊具动态下放时间点预测。

吊具摆动建模主要采用吊具的偏移量以及对应的时间进行一个关于偏移量和时间的曲线拟合，该过程主要采用非线性优化的方法进行求解(本专利中采用非线性优化库ceres库进行求解)，曲线拟合完毕，获得曲线参数，即完成了吊具摆动建模。

建模完成后，基于当前吊具摆动模型，预测后期吊具摆到最低点的时间点(阻尼振动具有周期性)，根据吊具从开始下降到着箱这一时刻，吊具刚好摆到最低点(短距离下降过程中周期可看作不变)这一约束条件，结合吊具下降时间以及速度信息，计算出吊具下放时间点。

假设吊具在距离箱面距离为d的高度摆动，设从开始下放到着箱的时间消耗△t，如图4所示，吊具下降过程可分为匀加速阶段和匀速阶段，根据牛顿运动学方程有：

匀加速阶段：

v＝a₁t₁ (1)

匀速阶段

d₂＝vt₂ (3)

由距离段关系有：

d＝d₁+d₂ (4)

由时间关系有：

Δt＝t₁+t₂ (5)

其中v、t1、d均由可编程逻辑控制器PLC给出，均为已知。

联立(1)-(5)得

如图5所示，动态下放全过程吊具摆动图，根据当前时间t_current、吊具摆到最低点时间点t_land和下降时间消耗△t，可很容易得到吊具下放时间点t_down。程序在当前时间点t_current等待t_wait秒，就到达吊具下放时间点t_down。

设吊具下降时间为由时间关系：

t_land＝t_current+t_wait+Δt (7)

由周期函数性质，吊具摆到最低点时，必须满足：

即：其中k为自然数 (8)

变形得到：

则：

其中其中k为自然数，t_current和△t为已知，t_wait为待求

只需找到使得t_wait>0的最小k值即可求得程序等待时间t_wait，等待完毕后，也就到了吊具下放时间点t_down。

由图6可知，其中下放曲线点为观测点(由吊具偏移量和对应时间点组成)，上方曲线为拟合后的标准曲线，显而易见周期变化很小，基本不变，经过测试，周期偏差为0.2s左右。也就是说整个下降过程中吊具摆动周期可以看作不变。

通本发明过设置通过激光传感器检测吊具摆动过程中的实时位置，基于该位置数据建立的吊具摆动模型并确定模型参数，结合吊具下降距离、速度信息准确计算吊具下放时间点，控制吊具在该时间点下放使得吊具在着箱时刻恰好与集装箱位置对齐，从而实现四绳吊具的精准抓箱和叠箱，进而实现集装箱的自动化作业。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种集装箱吊具动态下放方法，其特征在于，包括如下步骤:

S1、在小车上安装线激光传感器，在吊具上表面安装反光板；

S2、通过线激光传感器扫描反光板获取点云并记录时间点t，点云通过直通滤波获取反光板左右边缘点云，根据边缘点云获取吊具偏移量y；

S3、根据吊具相对于线激光传感器的偏移量y和对应的时间点t构建数据点，并建立吊具动态摆动模型；

S4、根据摆动模型计算吊具下放时间点；

S5、等待到下放时间点下放吊具；

所述建立吊具摆动模型的方法为：

根据获取的N个关于吊具偏移量y_i以及对应时间点t_i的观测数据点数据点建模，拟合吊具摆动模型曲线方程：

其中A为振幅，ɑ为衰减系数，ω为角速度、φ为相位、C为常数；

采用非线性优化方式求得曲线中各个参数，获得目标函数:

采用梯度下降方式优化目标函数，即可求得A，ɑ，ω，φ、C参数，完成建模；

所述梯度下降方式优化目标函数的方法包括：

步骤一、在t和yi为已知条件下，分别求出目标函数J(A,ɑ，ω，φ、C)对于A，ɑ，ω，φ、C的偏导数；

步骤二、更新A，ɑ，ω，φ、C等参数，具体的，设更新前参数为An,ɑn,ωn，φn、Cn，更新后参数为An+1,ɑn+1,ωn+1，φn+1、Cn+1，步长为γ；

步骤三、将更新后的参数带入目标函数J(A,ɑ，ω，φ、C)，重复步骤一、步骤二、步骤三知道目标函数值最小，最终的A,ɑ，ω，φ、C参数即可所求；

基于当前吊具摆动模型，预测后期吊具摆到最低点的时间点，计算吊具从开始下降到着箱这一时刻，吊具刚好摆到最低点这一约束条件，结合吊具下降时间以及速度信息，计算出吊具下放时间点。

2.如权利要求1所述的集装箱吊具动态下放方法，其特征在于：假设吊具在距离箱顶面距离为d的高度摆动，设从开始下放到着箱的时间消耗△t，吊具下降过程可分为匀加速阶段和匀速阶段，根据公式可以获得△t；其中，v为吊具下降速度，t₁为匀加速阶段所消耗的时间。

3.如权利要求2所述的集装箱吊具动态下放方法，其特征在于：设吊具建模完成后当前时间为t_current，吊具摆到最低点时间点t_land和下降时间消耗△t，程序在当前时间点t_current等待t_wait秒，即可到达吊具下放时间点为t_down，根据如下公式可以获得t_wait:

其中，k为自然数，找到使得t_wait>0的最小k值即可求得程序等待时间t_wait，等待完毕后，也就到了吊具下放时间点t_down。