CN114988288A - 一种2d激光器目标位置检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种2D激光器目标位置检测系统，包括：2D激光器，设于吊具上，检测集装箱的外形尺寸信息；摄像头，也设于吊具，获取起重机的位置信息；PLC控制器，获取工况信息，以及所述摄像头的信息；PID控制器，结合所述2D激光器、所述摄像头和所述PLC控制器的信息，以实时检测所述集装箱相对所述吊具或者所述吊具上所述集装箱的相对偏差；控制系统，获取所述PID控制器的相对偏差，以对所述吊具进行调整。本发明还公开了一种2D激光器目标位置检测方法。本发明在吊具上直接检测与目标位置的偏差，减少了多种非线性的因素的影响，使得检测结果更为直接、精确。

Description

一种2D激光器目标位置检测系统及方法

技术领域

本发明涉及起重机吊具抓/放箱技术，更具体地说，涉及一种2D激光器目标位置检测系统及方法。

背景技术

随着自动化码头不断普及，旧码头升级改造需求也呈井喷式增长，但是旧码头改造存在堆场基建水平差，设备老旧以及及其有限的预算等挑战，与此同时码头用户对起重机作业效率和自动抓放箱精度要求越来越高。在自动化堆场中，堆放箱精度是衡量其自动化水平的关键参数之一，传统的检测方案依靠小车架上传感检测目标集装箱位置，进行自动堆放箱，系统精度受限于地面水平度，轮胎气压，以及机器其它结构的形变影响，在实际作业过程中，堆放箱精度往往难以达到设计要求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种2D激光器目标位置检测系统及方法，在吊具上直接检测与目标位置的偏差，减少了多种非线性的因素的影响，使得检测结果更为直接、精确。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种2D激光器目标位置检测系统，包括：

2D激光器，设于吊具上，检测集装箱的外形尺寸信息；

摄像头，也设于吊具，获取起重机的位置信息；

PLC控制器，获取工况信息，以及所述摄像头的信息；

PID控制器，结合所述2D激光器、所述摄像头和所述PLC控制器的信息，以实时检测所述集装箱相对所述吊具或者所述吊具上所述集装箱的相对偏差；

控制系统，获取所述PID控制器的相对偏差，以对所述吊具进行调整。

较佳的，所述2D激光器设有六个；

两个所述2D激光器分别设于所述吊具的短边上，且所述2D激光器的扫描线朝向所述吊具的内侧，以扫描所述集装箱的短边；

四个所述2D激光器呈两两分别设于所述吊具的长边上，且所述2D激光器的扫描线朝向所述吊具的外侧，以扫描所述集装箱的长边。

较佳的，设于所述吊具的短边上所述2D激光器的安装位置为所述吊具的小车方向距离所述吊具的大车方向中心线1.27至1.29米范围内可调整；

设于所述吊具的长边上所述2D激光器的安装位置为所述吊具的外侧对角位置，且距离所述吊具的小车方向中心线3.1至3.12米范围内调整。

较佳的，所述2D激光器的光学应中心大于等于所述吊具的底面0.11米。

较佳的，所述吊具的短边上所述2D激光器的扫描线与所述吊具的大车方向平行，且垂直底面；

所述吊具的长边上所述2D激光器的扫描线与所述吊具的小车方向平行，且垂直底面。

较佳的，所述2D激光器、所述摄像头、所述PLC控制器、所述PID控制器与所述控制系统之间采用以太网建立通讯连接。

另一方面，一种2D激光器目标位置检测方法，采用所述的2D激光器目标位置检测系统以执行以下步骤：

S1、在所述吊具的短边上各安装一个所述2D激光器，以扫描所述集装箱的短边数据，在所述吊具的长边上各安装两个所述2D激光器，以扫描所述集装箱的长边数据，所述2D激光器所测得数据通过以太网传输至所述PID控制器；

S2、所述PID控制器再结合所述PLC控制器传递的工况信息，以及所述摄像头传递的所述起重机的位置信息，在所述吊具抓/放所述集装箱时，实时检测所述吊具下方所述集装箱的位置偏差，以及相邻集装箱的间隙，并将该偏差和间隙传递至所述控制系统；

S3、所述控制系统根据反馈的偏差和间隙对所述吊具进行调整，当偏差和间隙达到允许值后，则认为所述吊具调整到位，所述吊具继续执行抓/放集装箱工况、动态防撞。

较佳的，所述控制系统通过所述PID控制器计算出变频器的给定参数作为输入，并输出至所述变频器控制电机旋转，以实现调整所述吊具。

较佳的，所述PID控制器的计算如下：

公式(1)中，Kp为比列增益；Ki为积分增益；Kd为微分增益；e为误差，等于期望值-反馈值；t为当前时间。

较佳的，所述吊具执行抓集装箱工况进一步包括：

所述控制系统控制所述吊具下降至离地面集装箱的指定高度，通过所述2D激光器扫描所述吊具相对于所述地面集装箱的相对偏差，所述控制系统控制所述吊具调整至允许值后，所述吊具下降着箱，并完成闭锁；

所述吊具执行放集装箱工况进一步包括：

所述控制系统控制所述吊具下降至所述吊具上一所述集装箱离所述地面集装箱的指定高度，通过所述2D激光器扫描所述吊具上一所述集装箱相对于所述地面集装箱的相对偏差，所述控制系统控制所述吊具调整至允许值后，所述吊具下降着箱，所述2D激光器扫描着箱后上下集装箱的叠箱偏差，若小于等于允许值内，则所述吊具开锁，若大于允许值，则所述控制系统控制所述吊具继续调整直至允许值后，所述吊具开锁；

所述吊具的动态防撞进一步包括：

所述吊具在起升或下降过程中，所述2D激光器扫描所述吊具周边的集装箱或障碍物距离，当该距离小于允许值后，通过所述控制系统控制所述吊具停止运行，并调整所述吊具与周边集装箱或障碍物的距离直至大于允许值后，所述吊具继续起升或下降。

本发明所提供的一种2D激光器目标位置检测系统及方法，在吊具上直接检测与目标位置的偏差，减少了多种非线性的因素(如地面不平，轮胎气压)的影响，检测结果更为直接、精确，尤其当起重机为四绳轮胎式集装箱起重机时，可以凭借此系统进行动态着箱；同时该系统可以兼顾堆场保护、集卡车头保护以及集卡防吊起等功能，可以实现吊具动态防撞，在更大程度上保证起重机作业的安全性；并且该系统标定流程简单，快捷，在很大程度提高了系统的调试效率以及加快自动化改造的步伐。

附图说明

图1是本发明2D激光器目标位置检测系统的框架示意图；

图2是本发明2D激光器目标位置检测系统中2D激光器的安装示意图；

图3是图2的仰视示意图；

图4是本发明2D激光器目标位置检测系统的工作原理示意图；

图5是本发明2D激光器目标位置检测系统中2D激光器的坐标示意图；

图6是本发明2D激光器目标位置检测系统中PID控制器的测量反馈示意图。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

结合图1所示，本发明所提供的一种2D激光器目标位置检测系统，包括：

2D激光器1，安装于吊具100上，用以检测集装箱的外形尺寸信息；

摄像头2，也安装于吊具100，用以获取起重机的位置信息；

PLC控制器3，获取工况信息，以及摄像头2获取的起重机位置信息；

PID控制器4，安装于起重机的电气房200，结合2D激光器1、摄像头2和PLC控制器3的信息，以实时检测集装箱相对吊具100或者吊具100上集装箱的相对偏差，并将处理结果反馈给控制系统；

控制系统，获取PID控制器3的相对偏差，以对吊具100进行调整。

2D激光器1、摄像头2、PLC控制器3、PID控制器4与控制系统之间采用以太网建立通讯连接。

结合图2所示，2D激光器1设有六个(每个2D激光器1配一个对接用的分线盒)，其中：

两个2D激光器1分别安装于吊具100的短边上，且2D激光器1的扫描线朝向吊具100的内侧(也可称为内侧扫描激光器)，以负责扫描集装箱的短边；

四个2D激光器1呈两两分别安装于吊具100的长边上，且2D激光器1的扫描线朝向吊具100的外侧(也可称为外侧扫描激光器)，以负责扫描集装箱的长边。

对于安装在吊具100的短边上2D激光器1的安装位置需要满足吊具100的小车方向距离吊具100的大车方向中心线1.27至1.29米范围a内可调整；

对于安装在吊具100的长边上2D激光器1的安装位置为吊具100的外侧对角位置，以吊具100为准，要求2D激光器1距离吊具100的小车方向中心线3.1至3.12米范围b内调整。吊具100的大车方向位于锁头中心线上。

结合图3所示，2D激光器1的光学中心应大于等于吊具100的底面0.11米，且2D激光器1上安装支架配有防震叠片，并可以实现倾转角度的调节。

2D激光器1的扫描如图4所示(以带箱情况小车方向一侧的2D激光器1为例)，新安装或更换2D激光器1后，需要检查2D激光器1安装角度来确保扫描线正确。对四个外侧扫描激光器，其扫描线应该和吊具100的小车方向平行，且垂直于地面。

对于四个外侧扫描激光器，其安装位置需要尽量确保扫描线在集装箱300的凹槽处以便可以扫到箱子的底部框架，如图3中的765mm或500mm是2D激光器1的光学中心距离集装箱300边缘的距离。

2D激光器1安装位置调整时，在地面放一个集装箱300，吊具100抓住集装箱300，然后调整四个外侧扫描激光器的位置，确保2D激光器1的光心正好处在集装箱300下边沿的凹槽处。

吊具100的短边上2D激光器1的扫描线与吊具100的大车方向平行，垂直底面，且扫描面刚好处于锁头中心位置。

结合图5所示，对于2D激光器1，X轴为小车方向，Y轴为起升方向，Z轴为大车方向。六个2D激光器1的X轴正向始终朝吊具100外侧。

其次，对2D激光器1进行校准。校准分以下几步。

1)绕Z轴旋转角度校准。找一个平整地面，将起重机小车开到一个对应地面平整位置，然后调整小车位置，2D激光器1正好可以扫描到一片平整地面，吊具100拉到10米，发送相应标定指令，采集对应2D激光器1的数据，然后程序根据采集的地面数据，进行空间直线拟合，求出对应直线方程，根据直线方程推算出Z轴角度，并自动存储到校准文件中；

2)放箱X轴平移参数标定。准备两个集装箱，将一个集装箱叠到另一个集装箱上，并测量出两个集装箱X轴方向相对偏差，并和2D激光器1检测出偏差进行比较，并将两者偏差写入激光器校准中。

最后，在激光校准完成后，可以借助此系统进行自动抓箱或者叠箱。以叠箱为类，具体流程如下：

1)小车到达控制系统设定的位置后。起升下降，此时同步启动2D激光器1进行扫描。实时检测下方集装箱位置以及相邻集装箱位置；

2)在吊具100离地面集装箱较远的时候，超过3米时，控制系统使用检测系统返回的相邻集装箱位置进行路径规划，实时调整小车位置以及起升速度，避免撞到旁边集装箱；

3)在吊具100接近地面集装箱后，距离小于三米，控制系统使用检测系统返回的目标集装箱偏差，实时调整吊具100位置，直到检测偏差小于设定的阈值时，完成吊具调整；

4)吊具100调整完成后，吊具100继续往下，直到集装箱完成着箱，放箱流程结束。

本发明还提供了一种2D激光器目标位置检测方法，采用本发明2D激光器目标位置检测系统以执行以下步骤：

S1、在吊具100的短边上各安装一个2D激光器1，以扫描集装箱300的短边数据，在吊具100的长边上各安装两个2D激光器1，以扫描集装箱300的长边数据，2D激光器1所测得数据通过以太网传输至PID控制器4；

S2、PID控制器4再结合PLC控制器3传递的工况信息，以及摄像头2传递的起重机的位置信息，在吊具100抓/放集装箱时，实时检测吊具100下方集装箱300的位置偏差，以及相邻集装箱300的间隙，并将该偏差和间隙传递至控制系统；

S3、控制系统根据反馈的偏差和间隙对吊具100进行调整，当偏差和间隙达到允许值后，则认为吊具100调整到位，吊具100继续执行抓/放集装箱工况、动态防撞。

结合图6所示，控制系统控制目标为吊具100或者吊具100上集装箱300和地面集装箱偏差小于30mm，当控制系统收到2D激光器1扫描系统反馈的偏差后，通过PID控制器4计算出变频器给定参数，并输出给变频器，控制电机旋转，从而调整吊具100的姿态，直到激光扫描系统反馈的偏差小于30mm，控制系统停止吊具姿态控制。

PID控制器4的计算如下：

公式(1)中，Kp为比列增益；Ki为积分增益；Kd为微分增益；e为误差，等于期望值-反馈值；t为当前时间。

吊具100执行抓集装箱工况进一步包括：

控制系统控制吊具100下降到吊具100离地面集装箱距离1m左右时，通过吊具100上的2D激光器1扫描吊具100相对于地面集装箱的相对偏差，控制系统控制吊具100的旋转机构实时调整吊具100和地面集装箱之间的相对偏差，在吊具100离集装箱距离为35cm时，如果吊具100与地面集装箱的相对偏差小于设定阈值，则吊具100继续下降，如果吊具100与地面集装箱偏差大于设定阈值，则起升停止下降，继续调整吊具100位置，直到吊具100与地面集装箱之间偏差小于设定阈值。在吊具100与地面集装箱距离为35cm且偏差小于设定阈值时，吊具100慢速下降，直到着箱，并完成闭锁。

吊具100执行放集装箱工况进一步包括：

控制系统控制吊具100下降到吊具100上集装箱300离地面集装箱距离1m左右时，通过吊具100上的2D激光器1扫描吊具100上集装箱300相对于地面集装箱的相对偏差，控制系统控制吊具100的旋转机构实时调整吊具100上集装箱300和地面集装箱之间的相对偏差，在吊具100上集装箱300离地面集装箱距离为30cm时，如果上下集装箱的相对偏差小于设定阈值，则吊具100继续下降，如果上下集装箱偏差大于设定阈值，则吊具100停止下降，继续调整吊具100位置，直到上下集装箱之间偏差小于设定阈值。在上下集装箱距离为30cm且偏差小于设定阈值时，吊具100慢速下降，直到着箱，着箱后，使用2D激光器1检查着箱后上下集装箱的叠箱偏差，如果叠箱偏差在设定阈值内，则吊具开锁。如果检测的偏差大于允许偏差，则吊具100自动上升，进行重放，当重放1次(重放次数系统可以单独设置)后，叠箱偏差仍然大于系统设定值，则系统申请操作台远程协助，进行远程手动放箱。

吊具100的动态防撞进一步包括：

吊具100在起升下降或者上升过程中，为避免场桥在自动或者远程手动作业时，吊具100碰到相邻集装箱，使用吊具上六个2D激光器1，在吊具100上升或者下降过程中实时检测吊具100与周围集装箱或者障碍物的距离，当2D激光器1检测到的距离小于设定的阈值后，控制系统停止吊具100的上升或者下降，首先通过吊具微动机构，调整吊具100与相邻集装箱或者障碍物距离，当吊具100和相邻物体的距离大于设定阈值后，吊具100继续上升或者下降。其次，如果通过调整吊具100位置，无法保证吊具100和周围物体距离大于设定阈值，控制系统停止吊具100动作，并申请远程操作台介入，由人工协助进行处理。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种2D激光器目标位置检测系统，其特征在于，包括：

2D激光器，设于吊具上，检测集装箱的外形尺寸信息；

摄像头，也设于吊具，获取起重机的位置信息；

PLC控制器，获取工况信息，以及所述摄像头的信息；

PID控制器，结合所述2D激光器、所述摄像头和所述PLC控制器的信息，以实时检测所述集装箱相对所述吊具或者所述吊具上所述集装箱的相对偏差；

控制系统，获取所述PID控制器的相对偏差，以对所述吊具进行调整。

2.根据权利要求1所述的2D激光器目标位置检测系统，其特征在于：所述2D激光器设有六个；

两个所述2D激光器分别设于所述吊具的短边上，且所述2D激光器的扫描线朝向所述吊具的内侧，以扫描所述集装箱的短边；

四个所述2D激光器呈两两分别设于所述吊具的长边上，且所述2D激光器的扫描线朝向所述吊具的外侧，以扫描所述集装箱的长边。

3.根据权利要求2所述的2D激光器目标位置检测系统，其特征在于：设于所述吊具的短边上所述2D激光器的安装位置为所述吊具的小车方向距离所述吊具的大车方向中心线1.27至1.29米范围内可调整；

设于所述吊具的长边上所述2D激光器的安装位置为所述吊具的外侧对角位置，且距离所述吊具的小车方向中心线3.1至3.12米范围内调整。

4.根据权利要求2所述的2D激光器目标位置检测系统，其特征在于：所述2D激光器的光学中心应大于等于所述吊具的底面0.11米。

5.根据权利要求2所述的2D激光器目标位置检测系统，其特征在于：所述吊具的短边上所述2D激光器的扫描线与所述吊具的大车方向平行，且垂直底面；

所述吊具的长边上所述2D激光器的扫描线与所述吊具的小车方向平行，且垂直底面。

6.根据权利要求1所述的2D激光器目标位置检测系统，其特征在于：所述2D激光器、所述摄像头、所述PLC控制器、所述PID控制器与所述控制系统之间采用以太网建立通讯连接。

7.一种2D激光器目标位置检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-6之一所述的2D激光器目标位置检测系统以执行以下步骤：

S1、在所述吊具的短边上各安装一个所述2D激光器，以扫描所述集装箱的短边数据，在所述吊具的长边上各安装两个所述2D激光器，以扫描所述集装箱的长边数据，所述2D激光器所测得数据通过以太网传输至所述PID控制器；

S2、所述PID控制器再结合所述PLC控制器传递的工况信息，以及所述摄像头传递的所述起重机的位置信息，在所述吊具抓/放所述集装箱时，实时检测所述吊具下方所述集装箱的位置偏差，以及相邻集装箱的间隙，并将该偏差和间隙传递至所述控制系统；

S3、所述控制系统根据反馈的偏差和间隙对所述吊具进行调整，当偏差和间隙达到允许值后，则认为所述吊具调整到位，所述吊具继续执行抓/放集装箱工况、动态防撞。

8.根据权利要求7所述的2D激光器目标位置检测方法，其特征在于：所述控制系统通过所述PID控制器计算出变频器的给定参数作为输入，并输出至所述变频器控制电机旋转，以实现调整所述吊具。

9.根据权利要求8所述的2D激光器目标位置检测方法，其特征在于，所述PID控制器的计算如下：

公式(1)中，Kp为比列增益；Ki为积分增益；Kd为微分增益；e为误差，等于期望值-反馈值；t为当前时间。

10.根据权利要求7所述的2D激光器目标位置检测方法，其特征在于，所述吊具执行抓集装箱工况进一步包括：

所述控制系统控制所述吊具下降至离地面集装箱的指定高度，通过所述2D激光器扫描所述吊具相对于所述地面集装箱的相对偏差，所述控制系统控制所述吊具调整至允许值后，所述吊具下降着箱，并完成闭锁；

所述吊具执行放集装箱工况进一步包括：

所述控制系统控制所述吊具下降至所述吊具上一所述集装箱离所述地面集装箱的指定高度，通过所述2D激光器扫描所述吊具上一所述集装箱相对于所述地面集装箱的相对偏差，所述控制系统控制所述吊具调整至允许值后，所述吊具下降着箱，所述2D激光器扫描着箱后上下集装箱的叠箱偏差，若小于等于允许值内，则所述吊具开锁，若大于允许值，则所述控制系统控制所述吊具继续调整直至允许值后，所述吊具开锁；

所述吊具的动态防撞进一步包括：

所述吊具在起升或下降过程中，所述2D激光器扫描所述吊具周边的集装箱或障碍物距离，当该距离小于允许值后，通过所述控制系统控制所述吊具停止运行，并调整所述吊具与周边集装箱或障碍物的距离直至大于允许值后，所述吊具继续起升或下降。

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