CN115849192A

CN115849192A - 一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法

Info

Publication number: CN115849192A
Application number: CN202211599494.0A
Authority: CN
Inventors: 何冲; 李恒; 石先城; 张涛; 曹志俊
Original assignee: Wuhan Guide Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Guide Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-12
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2023-03-28

Abstract

本发明提出了一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法，涉及港口自动化技术领域，包括以下步骤：收到PLC采集信号，3D面阵激光扫描仪开始采集外集卡车板的点云信息；通过外集卡车板点云信息提取锁头特征，求解外集卡车板上四个锁尖点在XOY面内的坐标，若锁头特征未提取成功则上报对应错误码至PLC；通过吊具姿态求解吊具所带箱底部四个锁孔中心的在XOY面内的坐标；通过仿射变换求解吊具至外集卡车板调整对位的旋转角度与大小车方向平移量；将计算结果发送至PLC，PLC收到调整量后进行吊具角度以及大小车方向上的偏移调整，调整完成后自动下放集装箱。实现了外集卡放箱过程中的全自动作业功能，提高了龙门吊自动化程度以及全自动作业的效率。

Description

一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法

技术领域

本发明涉及港口自动化技术领域，尤其涉及一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法。

背景技术

随着经济全球化进程的加快，越来越多的生产经营活动和资源配置过程的范围逐渐扩展到世界各个角落。现代港口在社会经济发展中的作用和地位由此发生深刻变化，各种提高作业效率的方案被不断提出并得到应用，港口作业自动化逐渐成为一种趋势。集装箱运输是全球运输业的重要发展趋势，为实现码头自动化装卸箱要求，外集卡如何进行自动放箱是目前自动化流程中急需解决的问题之一。目前对于集装箱码头外集卡全自动作业样例较少，且大部分仅仅通过引导集卡的方式解决了自动对位中在大车/小车放箱两个维度方向的偏差，并且定位精度较低，同时对于角度方向上的偏差没有得到妥善的解决，因此在实际应用中人工介入率大，调整失败率高。

中国专利CN110619645A《一种桥吊下集装箱拖架的自动识别与定位装置及方法》公开了一种桥吊下集装箱拖架的自动识别与定位装置及方法，通过相机识别定位车辆和集装箱，实现码头装卸集装箱自动化。然而上述方法更偏向于对车辆识别，对于集装箱识别是顺带的，且采用相机识别图像的精度较低，所以放箱时可能会有偏差，存在安全隐患。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法，用于解决当前集装箱识别方法采用相机识别精度不高，放箱时产生偏差，存在安全隐患的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法，包括以下步骤：

S1，收到PLC采集信号，通过3D面阵激光扫描仪开始采集外集卡车板的点云信息；

S2，通过外集卡车板点云信息提取锁头特征，求解外集卡车板上四个锁尖点在XOY面内的坐标，若锁头特征未提取成功则上报对应错误码至PLC；

S3，通过吊具姿态求解吊具所带箱底部四个锁孔中心的在XOY面内的坐标；

S4，通过仿射变换求解吊具至外集卡车板调整对位的旋转角度与大小车方向平移量；

S5，将计算结果发送至PLC，PLC收到调整量后进行吊具角度以及大小车方向上的偏移调整，调整完成后自动下放集装箱。

优选的，步骤S1具体包括：

建立世界坐标系，对3D面阵激光扫描仪进行旋转标定将点云坐标系旋转至与世界坐标系重合，然后进行平移标定使点云的各点位置关系与世界坐标系重合。

进一步优选的，步骤S1还包括：

将3D面阵激光扫描仪采集的点云信息，经过矩阵旋转变换R以及平移变换T转换到世界坐标系中，其转换关系为：

其中，x_w，y_w，z_w为世界坐标系坐标，x_lidar-i，y_lidar-i，z_lidar-i为对应点云坐标系坐标，R_i为旋转变换，T_i为平移变换。

优选的，步骤S2具体包括：

根据车板点云与车板上锁头点云在轮廓分布上的差异性，提取出靠近雷达侧车板上两处锁头的点云特征，由锁头点云最高点求出锁尖点的位置信息，根据提取出的近雷达侧两个锁尖的三维位置信息，将其投影至XOY平面，求解出远雷达侧两个锁尖的在XOY平面内的位置信息。

进一步优选的，步骤S2还包括：

近雷达侧两个锁尖点坐标为(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，外集卡锁头在车板宽度方向的距离为W，在车板长度方向的距离为L，设偏转角

则远雷达侧两个锁尖点在XOY面内的位置关系为：

其中，(x₃,y₃)和(x₄,y₄)是远雷达侧两个锁尖点在世界坐标系的XOY平面坐标。

进一步优选的，步骤S2还包括：

通过小车在世界坐标系的位置以及吊具姿态将四个锁尖点在世界坐标系的XOY平面坐标转移至吊具中心坐标系：

x_si＝x_i-Δx_t-Δx_s

y_si＝y_i-Δy_t-Δy_s

其中，x_i,y_i为四个锁尖点在世界坐标系的XOY平面坐标，Δx_t,Δy_t为小车在世界坐标系中的位置，Δx_s,Δy_s为吊具坐标系相对于小车坐标系的偏移，x_si,y_si为四个锁尖点在吊具坐标系下的XOY平面坐标。

优选的，步骤S3具体包括：

设偏移角

B为箱中心至锁孔中心的距离，A为锁孔中心在车板宽度方向上的距离，根据吊具的姿态信息(x_s,y_s,Δθ)，计算在吊具坐标系下吊具所带箱四个锁孔中心XOY平面坐标，x_s,y_s均为0，Δθ为箱中心与锁孔中心连线和吊具坐标系y轴的夹角减去θ的值，四个锁孔中心坐标为：

x'_s1＝-B*sin(θ-Δθ)

y'_s1＝B*cos(θ-Δθ)

x'_s2＝-B*sin(θ+Δθ)

y'_s2＝-B*cos(θ+Δθ)

x'_s3＝B*sin(θ-Δθ)

y'_s3＝-B*cos(θ-Δθ)

x'_s4＝B*sin(θ+Δθ)

y'_s4＝B*cos(θ+Δθ)

其中，(x'_si,y'_si)(i＝1,2,3,4)为对应锁孔中心在吊具坐标系下的XOY平面坐标。

优选的，步骤S4具体包括：

根据四个锁尖点在吊具坐标系的坐标(x_si,y_si)以及吊具所带箱底部四个锁孔中心坐标(x'_si,y'_si)，使用仿射变换求解出吊具至外集卡车板姿态的转换矩阵M：

其中，

为吊具至外集卡车板调整对位所需旋转的角度，Δx,Δy为吊具至外集卡车板调整对位所需平移量。

优选的，步骤S5具体包括：

通过TCP通讯与PLC建立实时通讯，由PLC提供数据采集的信号，收到PLC采集信号后通过3D面阵激光扫描仪采集数据，并对采集数据进行处理后输出到PLC端，中途出现故障则直接上报PLC进行故障处理。

本发明的一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过多个3D面阵激光扫描仪分别提取车板上的锁头特征，以锁头特征计算外集卡车板姿态并结合吊具的实时姿态，即吊具相对于外集卡车板的运动偏移量，实现吊具的全自动调整对位外集卡车板的功能，从而完成外集卡的全自动放箱流程；

(2)通过将世界坐标系和吊具坐标系间的转换，将外集卡车板的点云信息转换到与吊具同一坐标，解决因参考系不同而带来的偏差；

(3)通过仿射变换求解出转换矩阵，即吊具至外集卡车板调整对位所需旋转的角度和平移量，精确地控制放箱过程，提高了放箱的成功率。

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为本发明的一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法流程图；

图2为本发明的一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法的世界坐标系示意图；

图3为本发明的一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法的旋转变化R求解示意图；

图4为本发明的一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法的3D面阵激光扫描仪调用策略示意图；

图5为本发明的一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法的锁头点云特征提取示意图；

图6为本发明的一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法的远雷达侧锁尖坐标求解示意图

图7为本发明的一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法的世界坐标系、小车坐标系、吊具坐标系转换示意图；

图8为本发明的一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法的吊具姿态求吊具所带箱四个锁孔中下坐标求解示意图；

图9为本发明的一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法的技术路线图。

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。

实施例

提供一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1具体包括：

默认世界坐标系构成如下：小车运行方向为X轴，向前为X轴正向；大车运行方向为Y轴，向左为正；起升方向为Z轴，向上为正，如图2所示。

由于激光扫描仪安装时姿态无法确定，由扫描仪采集的原生数据与实际的世界坐标系存在由旋转偏差以及平移偏差，需通过标定的方式将所有扫描仪的坐标系统一至同一个世界坐标系。

3D面阵激光标定包含有旋转标定和平移标定。旋转标定指将点云坐标系XYZ轴旋转至世界坐标系XYZ轴重合的过程；平移标定指在旋转标定完成后，通过XYZ三个维度上的平移使得点云的各点位置关系与世界坐标系对应点的位置重合。

旋转标定：需要将3D面阵激光扫描仪的设备坐标系旋转至于世界坐标系平齐，需要对三维旋转的欧拉角进行求解，即俯仰角、偏航角、滚转角。本发明以集装箱作为标定标靶，通过3D面阵激光雷达扫描采集放置平齐的集装箱竖直面以及地面的点云信息，通过点云算法求出两个面的法向量，通过两组法向量即可求解出俯仰角、偏航角、滚转角，从而得出旋转变化R，示意图如图3所示。

面阵激光雷达扫描采集到集装箱竖直面以及水平面的点云，其中N_x、N_z分别为竖直面与水平面的法向量，记绕XYZ轴旋转的欧拉角角度为α、β、γ，通过N_x、N_z与吊具坐标系X轴方向向量(1,0,0)可求解β、γ值，通过与吊具坐标系Z轴方向矢量(0,0,1)可求解出α、β，从而可以计算出欧拉角α、β、γ的值以及应的旋转变换R。

平移标定：通过提取点云中箱角点坐标，与在世界坐标系中的箱角点坐标做平移映射求解，即求得平移变换T。

本发明调用3D面阵激光扫描仪的策略：

集装箱码头的标准集装箱主要为20尺以及40尺，当集卡将集装箱拖至龙门吊行车道时，集卡首先会自行引导至20尺或40尺附近位置，此时吊具会根据作业箱的尺寸自行调整至20尺或40尺长度，当吊具为20尺长度时，则调用20尺左右的面阵激光进行检测，当吊具为40尺长度时，则调用40尺左右的面阵激光进行检测，检测示意图如图4所示。

步骤S2具体包括：

在20尺左右或40尺左右雷达采集到完整外集卡车板点云数据后，根据车板点云与车板上锁头点云在轮廓分布上的差异性，提取出靠近雷达侧车板上两处锁头的点云特征，如图5所示，左边为40尺左锁头提取，右边为40尺右锁头提取。

在提取出锁头点云特征后，由锁头点云最高点即可求出锁尖点的位置信息。在只考虑XOY平面内，外集卡车板上四个锁头之间的距离尺寸关系是不变的，根据提取出的近雷达侧两个锁尖的三维位置信息，将其投影至XOY平面，即可求解出远雷达侧两个锁尖的在XOY平面内的位置信息，如图6所示。

则远雷达侧两个锁尖点在XOY面内的位置关系为：

至此已求出外集卡车板四个锁尖点在世界坐标系的XOY平面坐标，由于吊具旋转是以吊具中心进行旋转，还需要通过小车在世界坐标系的位置以及吊具姿态将四个锁尖XOY坐标系转移至吊具中心坐标系，其转换关系如图7所示，其中，O_w为世界坐标系，O_trolley为小车坐标系，O_spreader为吊具坐标系。

x_si＝x_i-Δx_t-Δx_s

y_si＝y_i-Δy_t-Δy_s

步骤S3具体包括：

设偏移角

B为箱中心至锁孔中心的距离，A为锁孔中心在车板宽度方向上的距离，根据吊具的姿态信息(x_s,y_s,Δθ)，计算在吊具坐标系下吊具所带箱四个锁孔中心XOY平面坐标，x_s,y_s均为0，Δθ为箱中心与锁孔中心连线和吊具坐标系y轴的夹角减去θ的值，求解原理图如图8所示，四个锁孔中心坐标为：

x'_s1＝-B*sin(θ-Δθ)

y'_s1＝B*cos(θ-Δθ)

x'_s2＝-B*sin(θ+Δθ)

y'_s2＝-B*cos(θ+Δθ)

x'_s3＝B*sin(θ-Δθ)

y'_s3＝-B*cos(θ-Δθ)

x'_s4＝B*sin(θ+Δθ)

y'_s4＝B*cos(θ+Δθ)

步骤S4具体包括：

其中，

步骤S5具体包括：

如图9所示，是本发明的一种基于面阵激光扫描的外集卡自动放箱方法的技术路线图，其具体流程如下：

1)系统收到PLC采集信号，3D面阵激光开始采集外集卡车板的点云信息；

2)通过外集卡车板点云信息提取锁头特征，求解外集卡车板上四个锁尖点在XOY面内的坐标，若锁头特征未提取成功则上报对应错误码至PLC；

3)通过吊具姿态求解吊具所带箱底部四个锁孔中心的在XOY面内的坐标；

4)通过仿射变换求解吊具至外集卡车板调整对位的旋转角度于大小车方向平移量；

5)将系统计算结果发送至PLC，PLC收到调整量后进行吊具角度以及大小车方向上的偏移调整，调整完成后自动下放，即完成外集卡自动放箱的整个流程。

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。