CN114671349A - 门座式起重机全自动控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种门座式起重机全自动控制方法及控制系统，本发明通过扫描模块和数据处理模块构建物料及其周边环境的三维模型，并从三维模型中提取作业范围坐标和物料坐标，规划抓斗卸料过程的移动路径，生成抓斗移动路径上的多个关键坐标，并发送给控制器，然后利用控制器控制起重机的行走机构、变幅机构、回转机构和起升机构、开闭斗机构协同作业，控制抓斗沿规划好的移动路径移动，对物料进行抓取和卸料，实现门座式起重机全自动化控制，提高起重机作业效率稳定性和作业人员人身安全系数，降低作业人员劳动强度。

Description

门座式起重机全自动控制方法及控制系统

技术领域

本发明属于港口物流装卸技术领域，具体涉及一种门座式起重机全自动控制方法及控制系统。

背景技术

在散货码头，带斗门座式起重机（以下简称带斗门机）是散货装卸作业的主力设备，其装卸作业主要依靠司机手动操作完成，由于带斗门机属于港口大型机械设备，操作难度大，操作情况复杂，安全风险较高，作业效率全凭司机熟练程度和技能水平，因此，存在作业效率不稳定、作业人员人身安全系数低、劳动强度大等等缺陷。

为了适应当今港口智慧化发展、降低操作人员劳动强度、提升操作人员舒适度、提升作业安全水平、提高作业效率稳定性的需求，有必要对带斗门机进行自动化、智能化改造。

发明内容

本发明首先要解决的技术问题是：提供一种门座式起重机全自动控制方法，以解决目前起重机作业效率不稳定，作业人员人身安全系数低、劳动强度大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：门座式起重机全自动控制方法，包括如下具体步骤：

S1、建立世界坐标系，确定起重机抓斗和卸料点在世界坐标系中的坐标，建立起升机构、变幅机构、回转机构以及行走机构的动作与抓斗位置之间的数学关系，并预存入控制器和数据处理模块；

S2、利用扫描模块扫描物料及其周边环境信息并将信息发送给数据处理模块；

S3、通过在扫描模块扫描范围内标定一个已知世界坐标的标定点或面，利用欧式变换理论进行求解，获得世界坐标系与扫描坐标系之间的关系；

S4、数据处理模块对接收到的物料及其周边环境信息进行处理，并建立三维模型，根据世界坐标系与扫描坐标系之间的关系，将三维模型坐标转化为世界坐标；

S5、利用平面检测算法从建立的模型上得到甲板、舱盖板的信息，进而分析计算舱口的位置信息，提取抓斗的作业范围坐标；根据作业范围坐标分割出物料区域，并提取物料表面高度坐标，本步骤中产生的坐标均为世界坐标；

S6、根据卸料点坐标、作业范围坐标、物料区域坐标、物料表面高度坐标规划抓斗抓料和卸料过程的移动路径，生成抓斗移动路径上的多个关键坐标，并发送给控制器；

S7、控制器根据接收到的关键坐标数据，结合起升机构、变幅机构、回转机构以及行走机构的动作与抓斗位置之间的数学关系，控制起升机构、开闭斗机构、变幅机构、回转机构以及行走机构协同作业，使抓斗向作业范围移动并向物料区域下降进行抓料；抓料后返回卸料点卸料。

作为一种优选方案，在进行步骤S2时，扫描模块包括至少两台激光雷达扫描仪，扫描模块利用激光雷达扫描仪从多个方向对物料及其周边环境进行扫描，并获得多幅点云图，扫描模块将多幅点云图分别发送给数据处理模块；在进行步骤S4时，数据处理模块先对多幅点云图进行配准合并获得更为完整的点云图，然后建立三维模型。

作为一种优选方案，每台激光雷达扫描仪分别安装在各自的云台上。

作为一种优选方案，在进行步骤S6时，数据处理模块根据作业范围坐标将作业范围分割成多个抓料区，并计算出每个抓料区内物料表面高度坐标，控制器控制抓斗依次从各抓料区进行抓料，抓料区分区规则及分区后的抓料路径规划策略均预设在数据处理模块内。

作为一种优选方案，在进行步骤S5时, 进一步利用平面检测算法从建立的模型上得到四周舱壁坐标，进而计算出位于同侧的舱口边缘与舱壁之间的距离数据，再根据舱口边缘与舱壁之间的距离对作业范围坐标进行扩展获得物料区域。

本发明进一步要解决的技术问题是：提供一种门座式起重机全自动控制系统，用于实施上述控制方法，来解决目前起重机作业效率不稳定，作业人员人身安全系数低、劳动强度大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：门座式起重机全自动控制系统，用于实施上述门座式起重机全自动控制方法，包括门座式起重机，还包括用于扫描物料及其周边环境信息的扫描模块、用于处理扫描模块发送的数据信息的数据处理模块、用于检测抓斗位置的定位模块、以及用于控制起重机运行的控制器，所述定位模块包括起升定位子模块、回转定位子模块和变幅定位子模块，所述控制器与数据处理模块通讯连接，控制器通过电子开关电路与起重机的起升机构、变幅机构、回转机构、开闭斗机构连接，控制器控制起升机构、变幅机构、回转机构和开闭斗机构的动作。

作为一种优选方案，所述扫描模块包括至少两台激光雷达扫描仪，两台激光雷达扫描仪分别从不同方向扫描物料及其周边环境信息；所述数据处理模块为工控机或计算机或CPU；所述控制器为单片机。

作为一种优选方案，所述激光雷达扫描仪有两台，一台连接在司机室前端底部，另一台连接在起重机象鼻粱前端。

作为一种优选方案，所述起升定位子模块包括固定连接在起升卷筒支架上的第一轴承座，第一轴承座上转动连接有一根平行于起升卷筒设置的第一传动轴，第一传动轴的一端延伸至起升卷筒端部挡板处并固定连接有第一小齿轮，第一传动轴的另一端连接第一编码器，所述起升卷筒端部挡板外缘周向均布有与第一小齿轮啮合的第一传动齿，所述第一编码器与控制器通讯连接，向控制器发送起升卷筒的转动角度信息；所述起重机回转定位子模块包括设置在起重机回转机构大齿轮一侧的第二轴承座，第二轴承座固定连接在起重机转盘底部，第二轴承座上转动连接有一根平行于大齿轮轴向设置的第二传动轴，第二传动轴的一端固定连接有与大齿轮啮合的第二小齿轮、另一端连接有第二编码器，第二编码器与控制器通讯连接，向控制器发送转盘的转动角度信息；所述变幅定位子模块包括固定连接在变幅卷筒支架上的第三轴承座，第三轴承座上转动连接有一根平行于变幅卷筒的第三传动轴，第三传动轴的一端延伸至变幅卷筒端部挡板处并固定连接有第三小齿轮，第三传动轴的另一端连接第三编码器，所述变幅卷筒端部挡板外缘周向均布有与第三小齿轮啮合的第二传动齿，所述第三编码器与控制器通讯连接，向控制器发送变幅卷筒的转动角度信息。

作为一种优选方案，所述定位模块还包括大车定位子模块，该大车定位子模块包括固定连接在行走驱动电机外壳上的第四编码器、敷设在轨道一侧地面上的多个RFID磁钉、以及固定连接在车架上且用于扫描各RFID磁钉的扫描仪，第四编码器输入轴与行走驱动电机输出轴同轴连接。

本发明的有益效果是：本发明通过扫描模块和数据处理模块构建物料及其周边环境的三维模型，并从三维模型中提取作业范围坐标和物料坐标，规划抓斗卸料过程的移动路径，生成抓斗移动路径上的多个关键坐标，并发送给控制器，然后利用控制器控制起重机的行走机构、变幅机构、回转机构和起升机构、开闭斗机构协同作业，控制抓斗沿规划好的移动路径移动，对物料进行抓取和卸料，实现门座式起重机全自动化控制，提高起重机作业效率稳定性和作业人员人身安全系数，降低作业人员劳动强度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1是本发明所述控制系统的控制原理图；

图2是物料及其周边环境的三维模型图；

图3是抓斗抓料顺序规划图；

图4是一种扫描模块安装方式示意图；

图5是起升定位子模块的一种具体结构示意图；

图6是回转定位子模块的一种具体结构示意图；

图7是变幅定位子模块的一种具体结构示意图；

图8是大车定位子模块的一种具体结构示意图；

图9是抓斗抓料顺序的另一种规划图；

图1~图9中：1、扫描模块，101、激光雷达扫描仪，2、数据处理模块，3、抓斗，4、定位模块，4a、起升定位子模块，4a01、第一轴承座，4a02、第一传动轴，4a03、第一小齿轮，4a04、第一编码器，4b、回转定位子模块，4b01、第二轴承座，4b02、第二传动轴，4b03、第二小齿轮，4b04、第二编码器，4c、变幅定位子模块，4c01、第三轴承座，4c02、第三传动轴，4c03、第三小齿轮，4c04、第三编码器，4d、大车定位子模块，4d01、第四编码器，4d02、RFID磁钉，4d03、扫描仪，5、控制器，6、电子开关电路，7、起升机构，8、变幅机构，9、回转机构，10、司机室，11、象鼻粱，12、起升卷筒支架，13、起升卷筒，14、起升卷筒端部挡板，15、第一传动齿，16、大齿轮，17、转盘，18、变幅卷筒支架，19、变幅卷筒，20、变幅卷筒端部挡板，21、第二传动齿，22、行走驱动电机，23、轨道，24、车架，25、开闭斗机构，26、行走机构，27、卸料点。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。

实施例1：

参考图1~图9，本实施例所述门座式起重机全自动控制方法包括如下具体步骤：

S1、建立世界坐标系，确定起重机抓斗3和卸料点27在世界坐标系中的坐标，建立起升机构7、变幅机构8、回转机构9以及行走机构26的动作与抓斗3位置之间的数学关系，并预存入控制器5和数据处理模块2。

S2、利用扫描模块1扫描物料及其周边环境信息并将信息发送给数据处理模块2。

S3、通过在扫描模块1扫描范围内标定一个已知世界坐标的标定点或面，利用欧式变换理论进行求解，获得世界坐标系与扫描坐标系之间的关系，扫描坐标系是指扫描模块1自定义的坐标系。

S4、数据处理模块2对接收到的物料及其周边环境信息进行处理，并建立三维模型，如图2所示。数据处理模块2根据世界坐标系与扫描坐标系之间的关系，将三维模型坐标转化为世界坐标。

S5、数据处理模块2进一步利用平面检测算法从建立的三维模型上得到甲板、舱盖板的坐标信息，在实际使用中，也可采用人工选定的方式来确定甲板、舱盖板，进一步通过程序计算获得甲板、舱盖板的位置信息。然后，根据甲板、舱盖板的坐标，分析计算舱口的位置信息，提取抓斗3的作业范围坐标，抓斗3的作业范围坐标即舱口范围坐标，该坐标也包括了舱口高度，舱口范围坐标包括多个点坐标，多个点坐标的连线构成表示舱口位置的闭环区域；根据作业范围坐标分割出物料区域，并提取物料表面高度坐标，当采用激光雷达扫描仪作为扫描模块1时，扫描模块1获得的是物料及其周边环境的点云图，数据处理模块2便可通过物料区域内点云数据获得物料表面高度坐标，本步骤中产生的坐标均为世界坐标。

当船舱结构成瓮形时，内部边长要大于舱口边长，因此抓斗3仅沿舱口边缘上下对物料进行抓取时，会有大量位于舱壁边缘的物料无法被抓取，最后需要进行人工补充作业才行。在本步骤中，可进一步利用平面检测算法从建立的模型上得到四周舱壁坐标，进而计算出位于同侧的舱口边缘与舱壁之间的水平距离数据，再根据舱口边缘与舱壁之间的水平距离对作业范围坐标进行扩展获得物料区域。通过这种方法得出的物料区域精度更高，自动化作业时，抓料区域更广，抓取量更多，自动化卸料完成度更高，通过设置较小的抓斗3与舱壁的安全距离，能够有效提高抓斗3的自动化抓边能力。

S6、数据处理模块2根据卸料点27坐标、作业范围坐标、物料区域坐标、物料表面高度坐标规划抓斗抓料和卸料过程的移动路径，然后生成抓斗3移动路径上的多个关键坐标，并发送给控制器5。关键坐标是指抓斗3移动路径中任意一段直线移动路径的两个端点的坐标。实际操作中，可以根据实际情况在任一一段直线移动路径中间增加选择若干个点的坐标补充入关键坐标，以提高抓斗3移动过程管控，提高抓斗3的移动准确性。

S7、控制器5根据接收到的关键坐标数据，结合起升机构7、变幅机构8、回转机构9以及行走机构26的动作与抓斗3位置之间的数学关系，控制起升机构7、开闭斗机构25、变幅机构8、回转机构9以及行走机构26协同作业，使抓斗3沿关键坐标数据向作业范围移动并向物料区域下降进行抓料；抓料后返回卸料点27卸料。

在上述步骤S1~S7中，本实施例采用的控制器5为单片机，扫描模块1为激光雷达扫描仪101，数据处理模2块为工控机。

在进行上述步骤S2时，扫描模块1包括至少两台激光雷达扫描仪101，扫描模块1利用激光雷达扫描仪101从多个方向对物料及其周边环境进行扫描，并获得多幅点云图，扫描模块将多幅点云图分别发送给数据处理模块2；在进行步骤S4时，数据处理模块2先对多幅点云图进行配准合并获得更为完整的点云图，然后建立三维模型。配准是指通过寻找两幅点云中重叠部分相关特征的一一对应关系，获得二者之间的欧式变换矩阵，从而将两幅点云图进行合并。

本实施例中，每台激光雷达扫描仪101均分别安装在各自的云台上，以实现激光雷达扫描仪101多方位扫描，扩大扫描范围，提高物料及其周边环境信息的完整性，以达到准确定位包括舱口、船舷甲板、物料区域等特征目标的实际世界坐标。

本实施例中，在进行步骤S6时，如图3所示，数据处理模块2根据作业范围坐标将作业范围（图3中所示大框内部区域）分割成20个抓料区（图3中所示每个小框），并计算出每个抓料区内物料表面高度坐标，控制器5控制抓斗3沿蛇形顺序（图3中虚线所示方向）依次从各抓料区进行抓料，抓斗3在一个抓料区抓料后，返回卸料点27卸料，然后再返回下一个抓料区抓料，再返回卸料点27卸料，如此往复直至完整最后一个抓料区抓料并卸料后，控制器5控制抓斗3停止在卸料点27。抓料区分区规则及分区后的抓料路径规划策略均预设在数据处理模块2内。虽然本实施例中采用了蛇形路径规划策略，但在实际生产中，也可设计为螺旋形路径规划策略（如图9所示）、间隔抓取型路径规划策略等等，路径规划策略是根据实际生产需要进行设计。

在进行步骤S7时，控制器5还会通过定位模块4对起升机构7、变幅机构8、回转机构9和行走机构26的动作进行监控，定位模块4会向控制器5反馈起升机构7、变幅机构8、回转机构9和行走机构26的动作幅度，以供控制器5计算出抓斗3的准确位置，实现精准控制抓斗3沿预定的移动路径移动作业。同时控制器5还可利用抓斗防摇技术对抓斗3的移动进行控制，提高抓斗3移动精度和摇晃幅度。

实施例2：

如图1~图8所示的门座式起重机全自动控制系统，用于实施上述实施例1所述的门座式起重机全自动控制方法，包括门座式起重机、用于扫描物料及其周边环境信息的扫描模块1、用于处理扫描模块1发送的数据信息的数据处理模块2、用于检测抓斗3位置的定位模块4、以及用于控制起重机运行的控制器5，本实施例中，扫描模块1包括两台激光雷达扫描仪101，两台激光雷达扫描仪101分别从不同方向扫描物料及其周边环境信息然后发送给数据处理模块2。实际生产中，可能使用到的激光雷达扫描仪101数量会更多，根据需要设定。数据处理模块2为工控机或计算机或CPU；控制器5为单片机。定位模块4包括起升定位子模块4a、回转定位子模块4b和变幅定位子模块4c，控制器5与数据处理模块2通讯连接，控制器5通过电子开关电路6与起重机的起升机构7、变幅机构8、回转机构9、开闭斗机构25连接，控制器5控制起升机构7、变幅机构8、回转机构9和开闭斗机构25的动作。由于开闭斗机构25的动作是单一的，因此在本实施例中未对开闭斗机构的开闭幅度进行监控，如需要监控，监控方式可参考起升机构7或变幅机构8。

如图1所示，开关电路6包括串联在起升机构7电源电路中的控制开关Q1，控制开关Q1的控制极连接控制器5，受控制器5控制。同理，开关电路6还包括控制开关Q2~Q5，控制开关Q2串联在变幅机构8电源电路中，控制开关Q3串联在回转机构9电源电路中，控制开关Q4串联在行走机构26电源电路中，控制开关Q5串联在开闭斗机构25电源电路中，控制开关Q2~Q5的控制极分别连接控制器5，且均受控制器5控制。

在本实施例中，两台激光雷达扫描仪101一台连接在司机室10前端底部，另一台连接在起重机象鼻粱11前端。连接在司机室10前端底部和象鼻粱11前端的优点是可以通过控制回转机构9转动来增加扫描模块1的扫描范围，还可以通过控制变幅机构8的动作来增加象鼻粱11前端的激光雷达扫描仪101的扫描范围，增加扫描数据，提高三维建模精度。

如图5所示，本实施例中，起升定位子模块4a包括固定连接在起升卷筒支架12上的第一轴承座4a01，第一轴承座4a01上转动连接有一根平行于起升卷筒13设置的第一传动轴4a02，第一传动轴4a02的一端延伸至起升卷筒端部挡板14处并固定连接有第一小齿轮4a03，第一传动轴4a02的另一端连接第一编码器4a04，所述起升卷筒端部挡板14外缘周向均布有与第一小齿轮4a03啮合的第一传动齿15，所述第一编码器4a04与控制器5通讯连接，向控制器5发送起升卷筒13的转动角度信息。

第一编码器4a04利用第一小齿轮4a03与第一传动齿15啮合传动的方式来检测起升卷筒13的转动角度，进而计算起升钢丝绳的收放卷长度和抓斗3的升降高度，该结构能够有效提高检测精度，消除累计误差。

如图6所示，本实施例中的起重机回转定位子模块4b包括设置在起重机回转机构大齿轮16一侧的第二轴承座4b01，第二轴承座4b01固定连接在起重机转盘17底部，第二轴承座4b01上转动连接有一根平行于大齿轮16轴向设置的第二传动轴4b02，第二传动轴4b02的一端固定连接有与大齿轮16啮合的第二小齿轮4b03、另一端连接有第二编码器4b04，第二编码器4b04与控制器5通讯连接，向控制器5发送转盘17的转动角度信息。

第二编码器4b04利用第二小齿轮4b03与大齿轮16啮合传动的方式来检测转盘17相对于大齿轮16转动的角度，进而计算抓斗3在世界坐标系内的水平平移距离，该结构能够有效提高检测精度，消除累计误差。

如图7所示，本实施例中的变幅定位子模块4c包括固定连接在变幅卷筒支架18上的第三轴承座4c01，第三轴承座4c01上转动连接有一根平行于变幅卷筒19的第三传动轴4c02，第三传动轴4c02的一端延伸至变幅卷筒端部挡板20处并固定连接有第三小齿轮4c03，第三传动轴4c02的另一端连接第三编码器4c04，所述变幅卷筒端部挡板20外缘周向均布有与第三小齿轮4c03啮合的第二传动齿21，所述第三编码器4c04与控制器5通讯连接，向控制器5发送变幅卷筒19的转动角度信息。

第三编码器4c04利用第三小齿轮4c03与第二传动齿21啮合传动的方式来检测变幅卷筒19的转动角度，进而计算变幅钢丝绳的收放卷长度和象鼻粱11前端的的平移距离，该结构能够有效提高检测精度，消除累计误差。

控制器5结合回转定位子模块4b和变幅定位子模块4c反馈的信息分别计算出的抓斗3在世界坐标系中的平移向量，合并后便能够得到抓斗3在起重机行走机构26不动作时实时的水平位置坐标，再结合起升定位子模块4a反馈的信息计算出抓斗3实时高度坐标，合并后便可确定抓斗3在世界坐标系中的准确位置坐标。

在本实施例中，定位模块4还包括大车定位子模块4d，该大车定位子模块4d包括固定连接在行走驱动电机22外壳上的第四编码器4d01、敷设在轨道23一侧地面上的多个RFID磁钉4d02、以及固定连接在车架24上且用于扫描各RFID磁钉4d02的扫描仪4d03，第四编码器4d01输入轴与行走驱动电机22输出轴同轴连接，第四编码器4d02与控制器5通讯连接，向控制器5发送行走驱动电机22输出轴转动角度，控制器5根据行走驱动电机22输出轴转动角度计算出起重机沿轨道23方向的位移距离，进而换算成抓斗3沿轨道23方向的水平移动距离，以确定抓斗3的位置坐标。扫描仪4d03与控制器5通讯连接，向控制器5发送其扫描到的RFID磁钉4d02信息，每个RFID磁钉4d02的信息都是不同的，且每个RFID磁钉4d02之间的间距是已知的、预存在控制器5内的。控制器5根据RFID磁钉4d02信息及相邻两RFID磁钉4d02之前的距离，对控制器5根据行走驱动电机22输出轴转动角度计算出的起重机沿轨道23方向的位移距离进行校准，降低累计误差。

本发明工作过程是：首先建立世界坐标系，确定起重机抓斗3和卸料点27在世界坐标系中的坐标，可将抓斗3人工移动到卸料点27上，以便于后续自动控制的启动。建立起升机构7、变幅机构8、回转机构9以及行走机构26的动作与抓斗3位置之间的数学关系，并预存入控制器5和数据处理模块2，抓斗3和卸料点27的世界坐标也预存入控制器5和数据处理模块2。

然后利用扫描模块1扫描物料及其周边环境信息并将信息发送给数据处理模块2。

通过在扫描模块1扫描范围内标定一个已知世界坐标的标定点或面，利用欧式变换理论进行求解，获得世界坐标系与扫描坐标系之间的关系，扫描坐标系是指扫描模块1自定义的坐标系。

数据处理模块2对接收到的物料及其周边环境信息进行处理，并建立三维模型，如图2所示。数据处理模块2根据世界坐标系与扫描坐标系之间的关系，将三维模型坐标转化为世界坐标。

数据处理模块2进一步利用平面检测算法从建立的三维模型上得到甲板、舱盖板的信息，进而分析计算舱口的位置信息，提取抓斗3的作业范围坐标，抓斗3的作业范围坐标即舱口范围坐标；根据作业范围坐标分割出物料区域，并提取物料表面高度坐标，当采用激光雷达扫描仪作为扫描模块1时，扫描模块1获得的是物料及其周边环境的点云图，数据处理模块2便可通过物料区域内点云数据获得物料表面高度坐标，该过程产生的坐标均为世界坐标。

数据处理模块2根据卸料点27坐标、作业范围坐标、物料表面高度坐标规划抓斗卸料过程的移动路径，然后生成抓斗3移动路径上的多个关键坐标，并发送给控制器5。

控制器5根据接收到的关键坐标数据，完成准备工作，在工作人员启动起重机全自动控制系统后，控制器5便根据起升机构7、变幅机构8、回转机构9以及行走机构26的动作与抓斗3位置之间的数学关系，控制起升机构7、开闭斗机构25、变幅机构8、回转机构9以及行走机构26协同作业，使抓斗3沿关键坐标向作业范围移动并向物料区域下降进行抓料；抓料后返回卸料点27卸料。

扫描模块采用两台激光雷达扫描仪101从多个方向对物料及其周边环境进行扫描，并获得多幅点云图，扫描模块1将多幅点云图分别发送给数据处理模块2；数据处理模块2先对多幅点云图进行配准合并获得更为完整的点云图，然后建立三维模型。

如图3所示，数据处理模块2根据作业范围坐标将作业范围（图3中所示大框内部区域）分割成20个抓料区（图3中所示每个小框），并计算出每个抓料区内物料表面高度坐标，控制器5控制抓斗3沿蛇形顺序（图3中虚线所示方向）依次从各抓料区进行抓料，抓斗3在一个抓料区抓料后，返回卸料点27卸料，然后再返回下一个抓料区抓料，再返回卸料点27卸料，如此往复直至完整最后一个抓料区抓料并卸料后，控制器5控制抓斗3停止在卸料点27。抓料区分区规则及分区后的抓料路径规划策略均预设在数据处理模块2内。

上述实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.门座式起重机全自动控制方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

S1、建立世界坐标系，确定起重机抓斗和卸料点在世界坐标系中的坐标，建立起升机构、变幅机构、回转机构以及行走机构的动作与抓斗位置之间的数学关系，并预存入控制器和数据处理模块；

S2、利用扫描模块扫描物料及其周边环境信息并将信息发送给数据处理模块；

S3、通过在扫描模块扫描范围内标定一个已知世界坐标的标定点或面，利用欧式变换理论进行求解，获得世界坐标系与扫描坐标系之间的关系；

S4、数据处理模块对接收到的物料及其周边环境信息进行处理，并建立三维模型，根据世界坐标系与扫描坐标系之间的关系，将三维模型坐标转化为世界坐标；

S5、利用平面检测算法从建立的模型上得到甲板、舱盖板的信息，进而分析计算舱口的位置信息，提取抓斗的作业范围坐标；根据作业范围坐标分割出物料区域，并提取物料表面高度坐标，本步骤中产生的坐标均为世界坐标；

S6、根据卸料点坐标、作业范围坐标、物料区域坐标、物料表面高度坐标规划抓斗抓料和卸料过程的移动路径，生成抓斗移动路径上的多个关键坐标，并发送给控制器；

S7、控制器根据接收到的关键坐标数据，结合起升机构、变幅机构、回转机构以及行走机构的动作与抓斗位置之间的数学关系，控制起升机构、开闭斗机构、变幅机构、回转机构以及行走机构协同作业，使抓斗向作业范围移动并向物料区域下降进行抓料；抓料后返回卸料点卸料。

2.根据权利要求1所述的门座式起重机全自动控制方法，其特征在于，在进行步骤S2时，扫描模块包括至少两台激光雷达扫描仪，扫描模块利用激光雷达扫描仪从多个方向对物料及其周边环境进行扫描，并获得多幅点云图，扫描模块将多幅点云图分别发送给数据处理模块；在进行步骤S4时，数据处理模块先对多幅点云图进行配准合并获得更为完整的点云图，然后建立三维模型。

3.根据权利要求2所述的门座式起重机全自动控制方法，其特征在于，每台激光雷达扫描仪分别安装在各自的云台上。

4.根据权利要求1所述的门座式起重机全自动控制方法，其特征在于，在进行步骤S6时，数据处理模块根据作业范围坐标将作业范围分割成多个抓料区，并计算出每个抓料区内物料表面高度坐标，控制器控制抓斗依次从各抓料区进行抓料，抓料区分区规则及分区后的抓料路径规划策略均预设在数据处理模块内。

5. 根据权利要求1所述的门座式起重机全自动控制方法，其特征在于，在进行步骤S5时, 进一步利用平面检测算法从建立的模型上得到四周舱壁坐标，进而计算出位于同侧的舱口边缘与舱壁之间的距离数据，再根据舱口边缘与舱壁之间的距离对作业范围坐标进行扩展获得物料区域。

6.门座式起重机全自动控制系统，用于实施上述权利要求1~4任一所述的门座式起重机全自动控制方法，包括门座式起重机，其特征在于，还包括用于扫描物料及其周边环境信息的扫描模块（1）、用于处理扫描模块（1）发送的数据信息的数据处理模块（2）、用于检测抓斗（3）位置的定位模块（4）、以及用于控制起重机运行的控制器（5），所述定位模块（4）包括起升定位子模块（4a）、回转定位子模块（4b）和变幅定位子模块（4c），所述控制器（5）与数据处理模块（2）通讯连接，控制器（5）通过电子开关电路（6）与起重机的起升机构（7）、变幅机构（8）、回转机构（9）、开闭斗机构（25）连接，控制器（5）控制起升机构（7）、变幅机构（8）、回转机构（9）和开闭斗机构（25）的动作。

7.根据权利要求6所述的门座式起重机全自动控制系统，其特征在于，所述扫描模块（1）包括至少两台激光雷达扫描仪（101），两台激光雷达扫描仪（101）分别从不同方向扫描物料及其周边环境信息；所述数据处理模块（2）为工控机或计算机或CPU；所述控制器（5）为单片机。

8.根据权利要求6所述的门座式起重机全自动控制系统，其特征在于，所述激光雷达扫描仪（101）有两台，一台连接在司机室（10）前端底部，另一台连接在起重机象鼻粱（11）前端。

9.根据权利要求6所述的门座式起重机全自动控制系统，其特征在于，所述起升定位子模块（4a）包括固定连接在起升卷筒支架（12）上的第一轴承座（4a01），第一轴承座（4a01）上转动连接有一根平行于起升卷筒（13）设置的第一传动轴（4a02），第一传动轴（4a02）的一端延伸至起升卷筒端部挡板（14）处并固定连接有第一小齿轮（4a03），第一传动轴（4a02）的另一端连接第一编码器（4a04），所述起升卷筒端部挡板（14）外缘周向均布有与第一小齿轮（4a03）啮合的第一传动齿（15），所述第一编码器（4a04）与控制器（5）通讯连接，向控制器（5）发送起升卷筒（13）的转动角度信息；所述起重机回转定位子模块（4b）包括设置在起重机回转机构大齿轮（16）一侧的第二轴承座（4b01），第二轴承座（4b01）固定连接在起重机转盘（17）底部，第二轴承座（4b01）上转动连接有一根平行于大齿轮（16）轴向设置的第二传动轴（4b02），第二传动轴（4b02）的一端固定连接有与大齿轮（16）啮合的第二小齿轮（4b03）、另一端连接有第二编码器（4b04），第二编码器（4b04）与控制器（5）通讯连接，向控制器（5）发送转盘（17）的转动角度信息；所述变幅定位子模块（4c）包括固定连接在变幅卷筒支架（18）上的第三轴承座（4c01），第三轴承座（4c01）上转动连接有一根平行于变幅卷筒（19）的第三传动轴（4c02），第三传动轴（4c02）的一端延伸至变幅卷筒端部挡板（20）处并固定连接有第三小齿轮（4c03），第三传动轴（4c02）的另一端连接第三编码器（4c04），所述变幅卷筒端部挡板（20）外缘周向均布有与第三小齿轮（4c03）啮合的第二传动齿（21），所述第三编码器（4c04）与控制器（5）通讯连接，向控制器（5）发送变幅卷筒（19）的转动角度信息。

10.根据权利要求6所述的门座式起重机全自动控制系统，其特征在于，所述定位模块（4）还包括大车定位子模块（4d），该大车定位子模块（4d）包括固定连接在行走驱动电机（22）外壳上的第四编码器（4d01）、敷设在轨道（23）一侧地面上的多个RFID磁钉（4d02）、以及固定连接在车架（24）上且用于扫描各RFID磁钉（4d02）的扫描仪（4d03），第四编码器（4d01）输入轴与行走驱动电机（22）输出轴同轴连接，第四编码器（4d02）与控制器（5）通讯连接，，扫描仪（4d03）与控制器（5）通讯连接。

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