CN115578237A - 一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统及方法，涉及集装箱货运的技术领域，使用相机和激光传感器作为定位系统的数据采集，相机作为辅助方式，主要目的是识别集装箱类型，同时提示指挥集卡司机停车到激光传感器可检测的范围，激光传感器作为定位方式，结合集装箱类型以坐标变换求出各集装箱角件孔心坐标；本发明，可满足分体式集装箱吊具的着箱精度，能够增加坐标识别的精确性。

Description

一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统及方法
技术领域
本发明涉及集装箱货运的技术领域，具体涉及一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统及方法。
背景技术
本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
悬挂式单轨集装箱货运属于新兴集装箱运输交通制式；目前，在部分港口已经开始利用悬挂式运输制式实现集装箱转运；但是其技术路线为顶部角件运输，吊具为整体式；根据集装箱的运输要求，当长距离高速度运输时，应采用底角件紧固来运输。
为使用长距离高速度的集装箱运输，中车资阳机车有限公司研发了新的车辆适应底角件紧固的运输方式；但这种运输方式无法布置整体式吊具，而采用分体式的吊具虽然不会与车辆结构发生干涉，但是对着箱定位有非常高的要求，目前并未有针对分体式的吊具定位的方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前并未有针对分体式的吊具定位的方法的问题，提供了一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统及方法，为满足高精度的定位要求，使用相机和激光传感器作为定位系统的数据采集；其中，相机作为辅助方式，主要目的是识别集装箱类型，同时提示指挥集卡司机停车到激光传感器可检测的范围，激光传感器作为定位方式，结合集装箱类型以坐标变换求出各集装箱角件孔心坐标，从而解决了上述问题。
本发明的技术方案如下：
一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统，包括：
相机和激光传感器，所述相机和激光传感器采集吊装区的图像和测距数据；
吊装计算模块，所述吊装计算模块内置有视觉计算算法和矢量坐标计算算法；其中，相机采集的图像经视觉计算算法解析后判定集装箱类型；激光传感器采集的测距数据结合集装箱类型，经矢量坐标计算算法解析后，确定集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标；
吊装工控机，所述吊装工控机根据集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标，控制自动化吊装设备进行吊装。
进一步地，所述吊装区设置在分体式集装箱吊具的轨道梁桥的两立柱之间；所述分体式集装箱吊具挂设在轨道梁桥上，位于吊装区上方；
所述世界坐标系以立柱和轨道梁桥连接处为原点，立柱和轨道梁桥所在直线为X轴和Y轴。
进一步地，所述相机为视觉相机，设置在立柱上，以一定角度拍摄吊装区；
所述激光传感器为矩阵式激光传感器，布置在立柱和吊装区横向上，用于获取集装箱端面和侧面的测距数据。
进一步地，还包括：实时显示相机拍摄画面的显示器，所述显示器设置在集卡司机可视区域内，用于指挥集卡司机调整车姿，使集卡始终位于吊装区内。
进一步地，所述视觉计算算法解析，包括：
视觉计算算法对图像进行解析得到关键点坐标；
根据关键点坐标，并结合视差原理得到集装箱外轮廓大小，从而判定集装箱类型。
进一步地，所述矢量坐标计算算法解析，包括：
集卡进入吊装区后，激光传感器对集卡上的集装箱进行测距，获取在世界坐标系下的多个测点坐标；
通过多个测点坐标得到集装箱棱边的两个垂直向量，并建立向量坐标矩阵A；两个垂直向量的起点O位于集装箱顶角上，同时建立以O点为原点，集装箱棱边为X轴和Y轴的集装箱坐标系；
通过求逆矩阵A-1，得到关于集装箱坐标系与世界坐标系的反变换；
根据集装箱类型确定各集装箱角件孔心在集装箱坐标系下的坐标，并建立坐标矩阵B；
将坐标矩阵B通过逆矩阵A-1相乘，得到在集装箱坐标系下，以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的各集装箱角件孔心坐标；
计算得到O点在世界坐标系下的坐标；
将在世界坐标系下的O点坐标与在集装箱坐标系下，以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的各集装箱角件孔心坐标相加，得到各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标。
一种分体式集装箱吊具的锁孔定位方法，基于上述的一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统，包括：
步骤S1：通过相机和激光传感器采集集装箱的图像和测距数据；
步骤S2：通过视觉计算算法对图像进行解析，确定集装箱类型；
步骤S3：通过矢量坐标计算算法并结合集装箱类型，对测距数据进行解析，确定各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标；
步骤S4：吊装工控机根据各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标，控制自动化吊装设备进行吊装。
进一步地，所述步骤S2，包括：
步骤S21：视觉计算算法对图像进行解析得到关键点坐标；
步骤S22：根据关键点坐标，并结合视差原理得到集装箱外轮廓大小，从而判定集装箱类型。
进一步地，所述步骤S3，包括：
步骤S31：激光传感器对集装箱进行测距，获取在世界坐标系下的多个测点坐标；
步骤S32：通过多个测点坐标得到集装箱棱边的两个垂直向量，并建立向量坐标矩阵A；两个垂直向量的起点O位于集装箱顶角上，同时建立以O点为原点，集装箱棱边为X轴和Y轴的集装箱坐标系；
步骤S33：通过伴随阵法求逆矩阵A-1，得到关于集装箱坐标系与世界坐标系的反变换；
步骤S34：根据集装箱类型确定各集装箱角件孔心在集装箱坐标系下的坐标，并建立坐标矩阵B；
步骤S35：将坐标矩阵B通过逆矩阵A-1相乘，得到在集装箱坐标系下，以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的各集装箱角件孔心坐标；
步骤S36：计算得到O点在世界坐标系下的坐标；
步骤S37：将在世界坐标系下的O点坐标与在集装箱坐标系下，以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的各集装箱角件孔心坐标相加，得到各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标。
进一步地，所述步骤S31中获取在世界坐标系下的多个测点坐标，包括：
将多个激光传感器自身在世界坐标系下的坐标与相应的测距数值相加。
与现有的技术相比本发明的有益效果是：
一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统及方法，使用相机和激光传感器作为定位系统的数据采集，相机作为辅助方式，主要目的是识别集装箱类型，同时提示指挥集卡司机停车到激光传感器可检测的范围，激光传感器作为定位方式，结合集装箱类型以坐标变换求出各集装箱角件孔心坐标；该定位系统和方法可满足分体式集装箱吊具的着箱精度，能够增加坐标识别的精确性。
附图说明
图1为一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统的原理图；
图2为一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统的结构示意图；
图3为实施例三中激光传感器采集测距数据的示意图；
图4为实施例三中第2步的绘制示意图；
图5为实施例三中第3步的绘制示意图；
图6为实施例三中第5步给出的集装箱尺寸示意图。
具体实施方式
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一
悬挂式单轨集装箱货运属于新兴集装箱运输交通制式；目前，在部分港口已经开始利用悬挂式运输制式实现集装箱转运；但是其技术路线为顶部角件运输，吊具为整体式；根据集装箱的运输要求，当长距离高速度运输时，应采用底角件紧固来运输。
为使用长距离高速度的集装箱运输，中车资阳机车有限公司研发了新的车辆适应底角件紧固的运输方式；但这种运输方式无法布置整体式吊具，而采用分体式的吊具虽然不会与车辆结构发生干涉，但是对着箱定位有非常高的要求，目前并未有针对分体式的吊具定位的方法。
本实施例针对于上述问题，提出了一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统及方法，使用相机和激光传感器作为定位系统的数据采集，相机作为辅助方式，主要目的是识别集装箱类型，同时提示指挥集卡司机停车到激光传感器可检测的范围，激光传感器作为定位方式，结合集装箱类型以坐标变换求出各集装箱角件孔心坐标；该定位系统和方法可满足分体式集装箱吊具的着箱精度，能够增加坐标识别的精确性。
请参阅图1-2，一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统，具体包括：
相机和激光传感器，所述相机和激光传感器采集吊装区的图像和测距数据；即采集位于吊装区内的集装箱的图像和测距数据；
吊装计算模块，所述吊装计算模块内置有视觉计算算法和矢量坐标计算算法；其中，相机采集的图像经视觉计算算法解析后判定集装箱类型；激光传感器采集的测距数据结合集装箱类型，经矢量坐标计算算法解析后，确定集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标；
吊装工控机，所述吊装工控机根据集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标，控制自动化吊装设备进行吊装；需要说明的是，自动化吊装设备中的吊具即为分体式集装箱吊具，分体式集装箱吊具的工作坐标系即为世界坐标系；通过控制自动化吊装设备，使分体式集装箱吊具正确插入集装箱角件孔。
在本实施例中，具体的，请参阅图2，所述吊装区设置在分体式集装箱吊具的轨道梁桥的两立柱之间；所述分体式集装箱吊具挂设在轨道梁桥上，位于吊装区上方；优选地，两立柱间的间距一般为25m，吊装区设置在该区间内；
所述世界坐标系以立柱和轨道梁桥连接处为原点，立柱和轨道梁桥所在直线为X轴和Y轴。
在本实施例中，具体的，所述相机为视觉相机，设置在立柱上，以一定角度拍摄吊装区；
所述激光传感器为矩阵式激光传感器，且为多个，分别布置在立柱和吊装区横向上，用于获取集装箱端面和侧面的测距数据；即激光传感器布置在吊装区的纵向和横向。
在本实施例中，具体的，还包括：实时显示相机拍摄画面的显示器(图中未示出)，所述显示器设置在集卡司机可视区域内，用于指挥集卡司机调整车姿，使集卡始终位于吊装区内；优选地，所述显示器为LED显示器。
在本实施例中，具体的，所述视觉计算算法解析，包括：
视觉计算算法对图像进行解析得到关键点坐标；优选地，所述关键点坐标为集装箱各顶点坐标；
根据关键点坐标，并结合视差原理得到集装箱外轮廓大小，从而判定集装箱类型；需要说明的是，通过视觉计算算法判定集装箱类型中涉及的具体步骤，属于本领域的技术人员应当知晓的，在此不再进行赘述。
在本实施例中，具体的，所述矢量坐标计算算法解析，包括：
集卡进入吊装区后，激光传感器对集卡上的集装箱进行测距，获取在世界坐标系下的多个测点坐标；
通过多个测点坐标得到集装箱棱边的两个垂直向量，并建立向量坐标矩阵A；两个垂直向量的起点O位于集装箱顶角上，同时建立以O点为原点，集装箱棱边为X轴和Y轴的集装箱坐标系；
通过伴随阵法求逆矩阵A-1，得到关于集装箱坐标系与世界坐标系的反变换；
根据集装箱类型确定各集装箱角件孔心在集装箱坐标系下的坐标，并建立坐标矩阵B；
将坐标矩阵B通过逆矩阵A-1相乘，得到在集装箱坐标系下，以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的各集装箱角件孔心坐标；
计算得到O点在世界坐标系下的坐标；
将在世界坐标系下的O点坐标与在集装箱坐标系下，以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的各集装箱角件孔心坐标相加，得到各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标。
实施例二
实施例二基于实施例一中的一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统，提出了一种分体式集装箱吊具的锁孔定位方法，请参阅图1-2，具体包括如下步骤：
步骤S1：通过相机和激光传感器采集集装箱的图像和测距数据；
步骤S2：通过视觉计算算法对图像进行解析，确定集装箱类型；
步骤S3：通过矢量坐标计算算法并结合集装箱类型，对测距数据进行解析，确定各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标；
步骤S4：吊装工控机根据各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标，控制自动化吊装设备进行吊装。
在本实施例中，具体的，所述步骤S2，包括：
步骤S21：视觉计算算法对图像进行解析得到关键点坐标；
步骤S22：根据关键点坐标，并结合视差原理得到集装箱外轮廓大小，从而判定集装箱类型。
在本实施例中，具体的，所述步骤S3，包括：
步骤S31：激光传感器对集装箱进行测距，获取在世界坐标系下的多个测点坐标；
步骤S32：通过多个测点坐标得到集装箱棱边的两个垂直向量，并建立向量坐标矩阵A；两个垂直向量的起点O位于集装箱顶角上，同时建立以O点为原点，集装箱棱边为X轴和Y轴的集装箱坐标系；
步骤S33：通过伴随阵法求逆矩阵A-1，得到关于集装箱坐标系与世界坐标系的反变换；
步骤S34：根据集装箱类型确定各集装箱角件孔心在集装箱坐标系下的坐标，并建立坐标矩阵B；
步骤S35：将坐标矩阵B通过逆矩阵A-1相乘，得到在集装箱坐标系下，以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的各集装箱角件孔心坐标；
步骤S36：计算得到O点在世界坐标系下的坐标；
步骤S37：将在世界坐标系下的O点坐标与在集装箱坐标系下，以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的各集装箱角件孔心坐标相加，得到各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标。
在本实施例中，具体的，所述步骤S31中获取在世界坐标系下的多个测点坐标，包括：
将多个激光传感器自身在世界坐标系下的坐标与相应的测距数值相加。
实施例三
实施例三基于具体案例对实施例二中的步骤S3作进一步说明，请参阅图1-6。
1、激光传感器获取到A、B、C、D点在世界坐标系下的坐标(根据集装箱类型确定是否启动E点检测)，其中A点坐标为(X1，Y1)、B点坐标为(X2，Y2)、C点坐标为(X3，Y3)、D点坐标为(X4，Y4)。
2、通过AB点和CD点生成直线Lab和直线Lcd；直线Lab、Lcd相交获得O点。
3、然后计算出向量
Figure BDA0003858314860000091
和向量
Figure BDA0003858314860000092
得到以集装箱棱边方向为基底的向量β1和β2，并创建一个向量坐标矩阵A＝(β1，β2)。
4、通过伴随阵法求逆矩阵A-1，得到关于坐标系的反变换，在此反变换下，相当于摆正了集装箱的位置，逆矩阵A-1的作用就是产生一个旋转的变化。
5、求出4个集装箱角件孔心在集装箱坐标系下的坐标，记为(x1′，y1′)、(x2′，y2′)、(x3′，y3′)、(x4′，y4′)；其可以通过图6和表1简单计算可获得，在此不再进行赘述，图3中各参数具体含义为：
C1＝角件的关键尺寸，为101.5mm
C2＝角件的关键尺寸，为89mm
D＝角件孔距离，D1、D2、D3、D4、D5和D6
H＝集装箱外部高度
L＝集装箱外部长度
P＝沿宽度方向的角件孔心间距
S＝沿长度方向的角件孔心间距
W＝集装箱外部宽度
表1集装箱型号及其尺寸
Figure BDA0003858314860000093
Figure BDA0003858314860000101
6、将4个集装箱角件孔心在集装箱坐标系下的坐标构建坐标矩阵B；
Figure BDA0003858314860000102
7、把坐标矩阵B通过逆矩阵A-1相乘，既可以得到经逆矩阵A-1旋转变换后以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的坐标：(x1″，y1″)、(x2″，y2″)、(x3″，y3″)、(x4″，y4″)。
Figure BDA0003858314860000103
8、计算得到O点在世界坐标系下的坐标(xO，yO)，需要说明的是，根据上述已知参数计算O点在世界坐标系下的坐标，属于本领域技术人员应当知晓的，在此不再赘述。
9、最后把(x1″，y1″)、(x2″，y2″)、(x3″，y3″)、(x4″，y4″)分别与(xO，yO)相加，得到各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标；
(x1世，y1世)＝(x1″+xO，y1″+yO)
(x2世，y2世)＝(x2″+xO，y2″+yO)
(x3世，y3世)＝(x3″+xO，y3″+yO)
(x4世，y4世)＝(x4″+xO，y4″+yO)。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
提供本背景技术部分是为了大体上呈现本发明的上下文，当前所署名的发明人的工作、在本背景技术部分中所描述的程度上的工作以及本部分描述在申请时尚不构成现有技术的方面，既非明示地也非暗示地被承认是本发明的现有技术。

Claims (10)

1.一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统，其特征在于，包括：
相机和激光传感器，所述相机和激光传感器采集吊装区的图像和测距数据；
吊装计算模块，所述吊装计算模块内置有视觉计算算法和矢量坐标计算算法；其中，相机采集的图像经视觉计算算法解析后判定集装箱类型；激光传感器采集的测距数据结合集装箱类型，经矢量坐标计算算法解析后，确定集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标；
吊装工控机，所述吊装工控机根据集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标，控制自动化吊装设备进行吊装。
2.根据权利要求1所述的一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统，其特征在于，所述吊装区设置在分体式集装箱吊具的轨道梁桥的两立柱之间；所述分体式集装箱吊具挂设在轨道梁桥上，位于吊装区上方；
所述世界坐标系以立柱和轨道梁桥连接处为原点，立柱和轨道梁桥所在直线为X轴和Y轴。
3.根据权利要求2所述的一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统，其特征在于，所述相机为视觉相机，设置在立柱上，以一定角度拍摄吊装区；
所述激光传感器为矩阵式激光传感器，布置在立柱和吊装区横向上，用于获取集装箱端面和侧面的测距数据。
4.根据权利要求1所述的一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统，其特征在于，还包括：实时显示相机拍摄画面的显示器，所述显示器设置在集卡司机可视区域内，用于指挥集卡司机调整车姿，使集卡始终位于吊装区内。
5.根据权利要求1所述的一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统，其特征在于，所述视觉计算算法解析，包括：
视觉计算算法对图像进行解析得到关键点坐标；
根据关键点坐标，并结合视差原理得到集装箱外轮廓大小，从而判定集装箱类型。
6.根据权利要求1所述的一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统，其特征在于，所述矢量坐标计算算法解析，包括：
集卡进入吊装区后，激光传感器对集卡上的集装箱进行测距，获取在世界坐标系下的多个测点坐标；
通过多个测点坐标得到集装箱棱边的两个垂直向量，并建立向量坐标矩阵A；两个垂直向量的起点O位于集装箱顶角上，同时建立以O点为原点，集装箱棱边为X轴和Y轴的集装箱坐标系；
通过求逆矩阵A-1，得到关于集装箱坐标系与世界坐标系的反变换；
根据集装箱类型确定各集装箱角件孔心在集装箱坐标系下的坐标，并建立坐标矩阵B；
将坐标矩阵B通过逆矩阵A-1相乘，得到在集装箱坐标系下，以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的各集装箱角件孔心坐标；
计算得到O点在世界坐标系下的坐标；
将在世界坐标系下的O点坐标与在集装箱坐标系下，以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的各集装箱角件孔心坐标相加，得到各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标。
7.一种分体式集装箱吊具的锁孔定位方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的一种分体式集装箱吊具的锁孔定位系统，包括：
步骤S1：通过相机和激光传感器采集集装箱的图像和测距数据；
步骤S2：通过视觉计算算法对图像进行解析，确定集装箱类型；
步骤S3：通过矢量坐标计算算法并结合集装箱类型，对测距数据进行解析，确定各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标；
步骤S4：吊装工控机根据各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标，控制自动化吊装设备进行吊装。
8.根据权利要求7所述的一种分体式集装箱吊具的锁孔定位方法，其特征在于，所述步骤S2，包括：
步骤S21：视觉计算算法对图像进行解析得到关键点坐标；
步骤S22：根据关键点坐标，并结合视差原理得到集装箱外轮廓大小，从而判定集装箱类型。
9.根据权利要求7所述的一种分体式集装箱吊具的锁孔定位方法，其特征在于，所述步骤S3，包括：
步骤S31：激光传感器对集装箱进行测距，获取在世界坐标系下的多个测点坐标；
步骤S32：通过多个测点坐标得到集装箱棱边的两个垂直向量，并建立向量坐标矩阵A；两个垂直向量的起点O位于集装箱顶角上，同时建立以O点为原点，集装箱棱边为X轴和Y轴的集装箱坐标系；
步骤S33：通过求逆矩阵A-1，得到关于集装箱坐标系与世界坐标系的反变换；
步骤S34：根据集装箱类型确定各集装箱角件孔心在集装箱坐标系下的坐标，并建立坐标矩阵B；
步骤S35：将坐标矩阵B通过逆矩阵A-1相乘，得到在集装箱坐标系下，以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的各集装箱角件孔心坐标；
步骤S36：计算得到O点在世界坐标系下的坐标；
步骤S37：将在世界坐标系下的O点坐标与在集装箱坐标系下，以世界坐标系的X轴和Y轴为基底的各集装箱角件孔心坐标相加，得到各集装箱角件孔心在世界坐标系下的坐标。
10.根据权利要求9所述的一种分体式集装箱吊具的锁孔定位方法，其特征在于，所述步骤S31中获取在世界坐标系下的多个测点坐标，包括：
将多个激光传感器自身在世界坐标系下的坐标与相应的测距数值相加。
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