CN115432572A - 一种龙门吊及其吊具的吊装路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种龙门吊及其吊具的吊装路径规划方法，属于港口自动化设备技术领域，PLC控制器控制龙门大车和起重小车移动；扫描系统包括激光雷达和云台；云台固定设置在起重小车上，云台带动激光雷达旋转完成激光雷达旋转扫描；所述激光雷达平推扫描和激光雷达旋转扫描过程采集点云数据传输至工控机，工控机对点云数据进行算法处理，并将进行算法处理的层高及间距数据输出到PLC控制器；本发明通过激光雷达与云台相配合完成平推扫描与旋转扫描，根据吊具与箱区集装箱的相对位置规划吊装路径，保证吊装安全的前提下提高了龙门吊吊装作业的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及港口自动化设备技术领域，具体地说，涉及一种龙门吊及其吊具的吊装路径规划方法。
背景技术
随着水路运输的发展，港口集装箱吞吐量也随之增加，为了能够适应集装箱吞吐量的增加，集装箱吊装作业的工作效率必须提高。目前港口对集装箱的吊装转运的过程中为了保证吊具吊装作业的安全性，作业过程中首先将吊装集装箱的吊具起升到最高的高度，再根据集装箱下放的位置进行平移，该吊具的吊装路径虽然保证了足够的安全，但是，对集装箱吊装作业效率产生了极大的影响。
在集装箱吊装领域，专利号：CN201210383453.8，专利名称：一种确定吊装路径的方法及装置提供一种确定吊装路径的方法及装置，该方法根据吊装物的起吊点、就位点，以及起重机的回转中心，确定起重机在起吊点吊装该吊装物的初始姿态以及在就位点吊装该吊装物的结束姿态，并针对每个障碍物投影的障碍区域，确定起重机的臂架以及该吊装物均不与该障碍区域对应的障碍物发生碰撞时的中间姿态，最后根据初始姿态、结束姿态以及各个中间姿态，确定吊装路径。上述方法充分根据每个障碍物对吊装路径的影响来确定吊装路径，本专利提高了确定吊装路径的准确性和现场作业的安全性，并没有提升吊装效率。
如何保证集装箱吊装的安全性下，规划一条快速的集装箱吊装作业路径提升集装箱吊装作业效率是本领域亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种龙门吊及其吊具的吊装路径规划方法及其防护方法，利用激光雷达对吊具下方实时扫描并且对吊具下方的障碍物点云坐标进行计算和分析，避免吊具与其下放区域内的障碍物碰撞并规划出最合理的吊装路径。
本发明的技术方案是这样实现的：一种龙门吊，其包括起重机、起重小车、吊具、扫描系统、PLC控制器和工控机，其中，PLC控制器控制起重小车和起重机移动；吊具位于起重小车下方，并且随着起重小车移动。至少包括两个所述扫描系统；所述扫描系统包括激光雷达和云台；云台一端固定设置在起重小车上，另一端带动激光雷达旋转，云台带动激光雷达旋转，并且完成旋转扫描；激光雷达随着起重小车的移动完成平推扫描；所述激光雷达的平推扫描和旋转扫描过程中采集的点云数据传输至工控机，由工控机对点云数据进行算法处理，并将点云数据算法处理得到层高和间距，层高和间距输出到PLC控制器。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述起重机包括龙门大车和钢丝绳，所述吊具位于起重小车的下方，钢丝绳一端设置在吊具上，另一端设置在起重小车上，PLC控制器控制起重小车在龙门大车上移动。
在以上技术方案的基础上，优选的，其中一个所述扫描系统位于起重小车的一侧，另一个所述扫描系统位于起重小车另一侧，两个扫描系统沿着起重小车移动的方向进行扫描。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述激光雷达包括扫描主轴，所述扫描主轴与起重小车固定云台的一面之间夹角为α，0＜α≤30°。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述平推扫描的距离为S，S大于吊具宽度的一半，小于吊具的宽度；旋转扫描过程中，激光雷达以自身为圆心，扫描主轴向远离起重小车的方向转动，旋转扫描的旋转角为β，30°≤β≤90°。
在以上技术方案的基础上，优选的，扫描系统完成平推扫描和旋转扫描后采集点云数据，所述点云数据包括本贝箱高、邻贝箱高和吊具两侧障碍物的点云数据。
在以上技术方案的基础上，优选的，以本贝和邻贝的排位中心点采用点云区域滤波的方法保留点云，获得最高点的点云坐标。
在以上技术方案的基础上，优选的，选择X轴、Y轴、Z轴以及正方向和世界坐标系的原点，建立世界坐标体系，将扫描系统完成平推扫描和旋转扫描后采集点云数据进行旋转标定和平移标定后转换为世界坐标系。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述吊具移动前，根据上一次扫描系统中进行平推扫描及旋转扫描得到的点云数据提取层高和间距数据发送至PLC控制器，当间距大于设定阈值时PLC控制器控制吊具移动，当某一侧邻贝间距小于阈值的时候，PLC控制器控制起重小车进行调整，当吊具的邻贝间距大于阈值后PLC控制器控制吊具移动，开始移动后PLC控制器启动两个激光雷达依靠平推扫描和旋转扫描采集数据，作为吊具下一次移动作业的依据，当吊具与两侧邻贝的间距均小于阈值的时候，急停报警，等待人工干预。
本发明的一种龙门吊及其吊具的吊装路径规划方法及其防护方法相对于现有技术具有以下有益效果：
通过激光雷达与云台相配合完成平推扫描与旋转扫描，根据吊具与邻贝位置规划吊装路径，保证吊装安全的前提下提高了吊装作业的效率。
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为本发明一种龙门吊的立体图；
图2为本发明一种龙门吊吊具的吊装路径规划方法的程序框图；
图3为本发明点云坐标与世界坐标的转变原理图；
图4为本发明激光雷达旋转扫描旋转角的示意图。
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和图2所示，一种龙门吊，其包括起重机7、起重小车3、吊具4、两个扫描系统5、PLC控制器6和工控机。
起重机7，如图1所示，包括龙门大车1、行走轮2、钢丝绳8；行走轮2设置在龙门大车1底部，行走轮2带动龙门大车1移动，起重小车3设置在龙门大车1上，PLC控制器6控制起重小车3在龙门大车1上移动，起重小车3与龙门大车1的运动方向垂直，所述吊具4位于起重小车3的下方，钢丝绳8一端设置在吊具4上，另一端设置在起重小车3上。
其中，PLC控制器6驱动行走轮2转动，行走轮2带动龙门大车1移动，PLC控制器6控制起重小车3与行走轮2移动方向垂直的方向移动。
如图1所示，扫描系统5，包括激光雷达511和云台52；云台52固定设置在起重小车3上，激光雷达51设置在云台52上。
起重小车3移动过程，带动激光雷达511完成激光雷达511的平推扫描；云台52带动激光雷达51旋转完成激光雷达51旋转扫描。激光雷达511平推扫描和激光雷达511旋转扫描过程采集点云数据传输至工控机，由工控机对点云数据进行算法处理，算法处理的点云数据转换为层高和间距，层高和间距数据输出到PLC控制器6。
其中一个所述扫描系统5位于起重小车3的一侧，另一个所述扫描系统5位于起重小车3的另一侧，两个扫描系统5沿着起重小车3移动的方向进行扫描。
所述激光雷达511包括扫描主轴511，所述扫描主轴511与起重小车3固定云台52的一面之间夹角为α，0＜α≤30°，避免吊具4影响激光雷达511扫描的准确性。
所述平推扫描的距离为S，S大于吊具4宽度的一半，小于吊具4的宽度；旋转扫描过程中，激光雷达511以自身为圆心，扫描主轴511向远离起重小车3的方向转动，旋转扫描的旋转角为β，30°≤β≤90°，平推扫描的距离是起重小车3的前进和后退方向的距离。
以下介绍本发明一种龙门吊吊具的吊装路径规划方法：
S1，获取点云数据：
如图2和图3所示，扫描系统5完成平推扫描和旋转扫描后采集点云数据，所述点云数据包括本贝箱高、邻贝箱高和吊具4两侧障碍物的点云数据。
以本贝和邻贝的排位中心点采用点云区域滤波的方法保留点云，获得最高点的点云坐标。
S2，建立世界坐标系：
选择X轴、Y轴、Z轴以及正方向和世界坐标系的原点，建立世界坐标系。选择吊具4中心为原点，与滑轨7垂直的方向与为X轴方向，与X轴垂直的方向为Y轴方向，向上为Z轴方向，如图3所示，由原点向右为X轴正方向，由原点垂直指向图3内的方向为Y轴正方向，向上为Z轴的正方向。
S3，将点云坐标矩阵旋转变换R和平移变换T：
任意一个激光雷达511扫描采集到竖直平面Nz与水平面Ny的点云坐标，Nz、Ny分别为竖直平面与水平面的法向量，绕X、Y、Z轴旋转的欧拉角度为α、γ、β，通过Ny与吊具坐标系Y轴方向向量(0，1，0)求解γ、β的值，通过Nz与吊具坐标系Z轴方向矢量(0，0，1)求解α、β的值，计算出欧拉角α、γ、β的值以及对应的矩阵旋转变换R，每个激光雷达511都能扫描到两个互相垂直的平面，通过一个平面的法向量可以求出欧拉角中的两个角度，两个互相垂直的平面可以求出四个角度(有一个角度是重复的)，根据3个欧拉角度即可计算出矩阵旋转变化R。
通过测量每个激光雷达511与原点的位置，得到X/Y/Z三个方向上的平移分量，从而得出平每个激光雷达511所对应的点云坐标平移变换T。
每个所述激光雷达511扫描采集的点云坐标经过矩阵旋转变换R以及平移变换T得到世界坐标系坐标，
其转换关系如式1所述：
其中，xspreader，yspreader，zspreader为世界坐标系坐标，xlidar-i，ylidar-i,zlidar-i为对应点云数据坐标。
将扫描系统5完成平推扫描和旋转扫描后采集点云数据进行旋转标定和平移标定后转换为世界坐标系坐标。
所述吊具4移动前，根据上一次扫描系统中进行平推扫描及旋转扫描缓存点云的数据提取层高和间距数据发送至PLC控制器6启动两个激光雷达51依靠平推扫描和旋转扫描检测吊具4与邻贝间距，当间距大于设定阈值时PLC控制器6控制吊具4移动，并在开始移动后PLC控制器6启动两个激光雷达51依靠平推扫描和旋转扫描采集数据，作为下一次吊具4进行移动作业的依据，当吊具4与两侧邻贝的间距均小于阈值的时候，急停报警，等待人工干预。
1)初始化程序：
PLC控制器6收到横梁2、起重小车3启动、空闲状态或异常状态的信息，系统重置吊具4的高度为20米的初始高度(实际高度以使用的龙门大车1允许升高的最高高度为准)，吊具4升到初始高度的原因如下：1.故障发生后的工况复杂，最高高度的路径是最安全的方式。2.起重小车3控制吊具4抵达新的贝位，扫描系统5还未进行扫描采集数据，只有最高高度路径是绝对安全的，在抵达新的贝位扫描获取点云数据后，便可在第一份点云数据基础上进行规划后的路径行走，保证安全。
2)数据采集以及数据交互功能：
点云数据采集分为平推扫描和旋转扫描数据采集，每一轮的完整的数据包括一次平推扫描和一次旋转扫描。其中平推扫描与旋转扫描是首尾衔接的，平推扫描开始的信号在起重小车3进行自动行走时由PLC控制器6给出。当完成平推扫描时，更新此次的平推扫描点云数据，随后在本次旋转扫描完成后再加入旋转扫描的点云数据。通过上一轮采集的点云数据作为本次路径规划行走的依据，通过这种首位衔接的方式实现自动作业过程中连续走规划路径的功能。
系统功能是基于程序与PLC控制器6进行数据交互来完成的，首先PLC控制器6给出平推扫描开始信号，PLC控制器6驱动程序控制云台52开始平推扫描程序，当起重小车3抵达目标位置后PLC控制器6给出平推扫描结束信号，此时程序停止平推扫描并开始算法检测平推点云数据的结果，将当前的层高发送给PLC控制器6进行层高校验并立即开始旋转扫描，起重小车3收到层高校验通过后，吊具4下放，吊具4下放过程与云台52的旋转扫描是同步进行的，当旋转扫描结束后则完成本轮的所有点云数据采集并将检测到的箱高发送给PLC控制器6。
吊具4在抓箱或者放箱完成后便会依据本次检测的箱高计算行走的吊具4高度并进行吊具4起升，起升到指定高度后，PLC控制器6便会不断轮询，自动行走路径中吊具4距离左右两侧最凸出点的距离值，并结合三灯系统进行判断是否需要进行吊具4在起重小车3运动方向上进行调整，如果在安全阈值外，则此时系统是安全的，可以进行规划路径行走，并在行走过程PLC控制器6会不断轮询路径中左右距离，从而保证整个规划路径中行走过程中的安全；如检测到的距离在安全阈值内，且通过调整吊具4无法调整到安全阈值外，此时则会进入到人工介入阶段或者自动上升行走最高高度的路径。
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 (9)
1.一种龙门吊，其包括起重机(7)、起重小车(3)、吊具(4)、扫描系统(5)、PLC控制器(6)和工控机，其中，
PLC控制器(6)控制起重小车(3)和起重机(7)移动；
吊具(4)位于起重小车(3)下方，并且随着起重小车(3)移动。
其特征在于：至少包括两个所述扫描系统(5)；
所述扫描系统(5)包括激光雷达(51)和云台(52)；
云台(52)固定设置在起重小车(3)上，云台(52)带动激光雷达(51)旋转，激光雷达(51)的旋转完成旋转扫描；
激光雷达(51)随着起重小车(3)的移动完成平推扫描；
所述激光雷达(51)的平推扫描和旋转扫描过程中采集的点云数据传输至工控机，由工控机对点云数据进行算法处理，并将点云数据算法处理得到层高和间距，层高和间距输出到PLC控制器(6)。
2.根据权利要求1所述的一种龙门吊，其特征在于：所述起重机(7)包括龙门大车(1)和钢丝绳(8)，钢丝绳(8)一端设置在吊具(4)上，另一端设置在起重小车(3)上，PLC控制器(6)控制起重小车(3)在龙门大车(1)上移动。
3.根据权利要求2所述的一种龙门吊，其特征在于：其中一个所述扫描系统(5)位于起重小车(3)的一侧，另一个所述扫描系统(5)位于起重小车(3)另一侧，两个扫描系统(5)沿着起重小车(3)移动的方向进行扫描。
4.根据权利要求3所述的一种龙门吊，其特征在于：所述激光雷达(51)包括扫描主轴(511)，所述扫描主轴(511)与起重小车(3)固定云台(52)的一面之间夹角为α，0＜α≤30°。
5.根据权利要求4所述的一种龙门吊，其特征在于：所述平推扫描的距离为S，S大于吊具(4)宽度的一半，S小于吊具(4)的宽度；旋转扫描过程中，激光雷达(51)以自身为圆心，扫描主轴(511)向远离起重小车(3)的方向转动，旋转扫描的旋转角为β，30°≤β≤90°。
6.一种龙门吊吊具的吊装路径规划方法，其特征在于：包括权利要求5所述的一种龙门吊，所述扫描系统(5)完成平推扫描和旋转扫描后采集点云数据，所述点云数据包括本贝箱高、邻贝箱高和吊具(4)两侧障碍物的点云数据。
7.根据权利要求6所述的一种龙门吊吊具的吊装路径规划方法，其特征在于：以本贝和邻贝的排位中心点采用点云区域滤波的方法保留点云，获得最高点的点云坐标。
8.根据权利要求7所述的一种龙门吊吊具的吊装路径规划方法，其特征在于：选择X轴、Y轴、Z轴以及正方向和世界坐标系的原点，建立世界坐标体系，将扫描系统(5)完成平推扫描和旋转扫描后采集点云数据进行旋转标定和平移标定后转换为世界坐标系。
9.根据权利要求8所述的一种龙门吊吊具的吊装路径规划方法，其特征在于：所述吊具(4)移动前，根据上一次扫描系统中进行平推扫描及旋转扫描得到的点云数据提取层高和间距数据发送至PLC控制器(6)，当间距大于设定阈值时PLC控制器(6)控制吊具(4)移动，当某一侧邻贝间距小于阈值的时候，PLC控制器(6)控制起重小车(3)进行调整，当吊具(4)的邻贝间距大于阈值后PLC控制器(6)控制吊具(4)移动，开始移动后PLC控制器(6)启动两个激光雷达(51)依靠平推扫描和旋转扫描采集数据，作为吊具(4)下一次移动作业的参考，当吊具(4)与两侧邻贝的间距均小于阈值的时候，急停报警，等待人工干预。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117105092A (zh) * | 2023-08-15 | 2023-11-24 | 广州港股份有限公司 | 激光扫描式吊具姿态检测系统及应用其的调整设备、方法 |
| CN117623124A (zh) * | 2023-11-15 | 2024-03-01 | 北京金航远景科技有限公司 | 一种基于机器视觉的门座式起重机的控制系统 |
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