CN116062622B - 基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统，包括组件移动模块、模式成像模块和预警提示模块，所述组件移动模块用于系统中抓斗组件的移动控制，所述模式成像模块用于处理组件中抓斗的点云扫描数据，所述预警提示模块用于根据组件的状态选择进行报警和增强稳定性的操作，该系统使用绝对值编码器、陀螺仪等高精度定位装置，与GNSS定位系统进行冗余控制并相互检验坐标位置；在抓斗表面使用高反光材料与激光扫描进行结合运行，获取抓斗表面点阵数据形成抓斗拟合轮廓特征信息，从中分析抓斗姿态数据从而判断是否存在预警风险，本发明，具有检测准确和预警及时的特点。

Description

基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统

技术领域

本发明涉及通信自动化技术领域，具体为基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统。

背景技术

传统抓斗式卸船机设备在作业时仍需专业司机在司机室通过操控手柄进行抓斗入舱、抓料卸船操作。由于抓斗运行到落入抓料过程惯性很大，人工操作抓斗精确抓料位置不易控制，并存在抓斗撞击料舱风险。

为改变传统的抓料卸船工艺，降低作业风险、提高作业效率、减轻司机工作强度，引入全自动化作业流程。但是实际自动化作业过程中，由于抓斗机构的特殊性，常规抓斗均为无电源机械机构，无法采用常规高精度定位系统做到实时获取抓斗姿态，在无法获取摆幅数据情况下难以实现闭环系统自动减摇功能。因此，设计检测准确和预警及时的基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统，包括组件移动模块、模式成像模块和预警提示模块，所述组件移动模块用于系统中抓斗组件的移动控制，所述模式成像模块用于处理组件中抓斗的成像图形，所述预警提示模块用于根据组件的状态选择进行报警和增强稳定性的操作，所述组件移动模块与模式成像模块之间数据连接，所述组件移动模块与预警提示模块之间数据连接，所述模式成像模块与预警提示模块之间数据连接。

根据上述技术方案，所述组件移动模块包括GNSS定位模块、小车架控制模块和坐标成像模块，所述GNSS模块用于验证组件坐标位置准确率，所述小车架控制模块用于抓斗组件的移动操作，所述坐标成像模块用于根据组件位置将其在船舱的具体位置进行模拟坐标处理，所述GNSS定位模块与小车架控制模块之间数据连接，所述小车架控制模块与坐标成像模块之间数据连接；

所述模式成像模块包括动态识别模块、图像拟合模块和模式判断模块，所述动态识别模块用于对抓斗进行图像捕捉，所述图像拟合模块用于将采集的抓斗图像进行线条拟合化，所述模式判断模块用于判断抓斗的姿态以及其与小车架之间的摆角和角速度数据，所述动态识别模块与图像拟合模块之间数据连接，所述图像拟合模块与模式判断模块之间数据连接；

所述预警提示模块包括稳定性测算模块和电子防摇模块，所述稳定性测算模块用于根据模式成像模块结果测算判断抓斗组件的稳定性，所述电子防摇模块用于增加组件的稳定性，所述稳定性测算模块与电子防摇模块之间数据连接。

根据上述技术方案，所述小车架控制模块包括高反光单元和滑轨滚动单元，所述高反光单元用于为激光扫描模块提供扫描对象，形成点阵图，所述滑轨滚动单元用于记录抓斗组件在船舱中的移动坐标，所述高反光单元与滑轨滚动单元之间数据连接。

根据上述技术方案，所述多激光卸船机抓斗监测系统的运行方法主要包括以下步骤：

步骤S1：船舱中抓斗组件进行抓取作业时，实时采集组件数据，同时通过GNSS数据编码与陀螺仪装置验证组件位置准确性；

步骤S2：扫描抓斗表面反光材料，根据反光数据获取抓斗的图像信息；

步骤S3：将采集的图像信息经过模式识别技术处理后，形成拟合图像并计算抓斗的基本数据；

步骤S4：预警模块根据采集数据结果对其行动轨迹进行警报分析，并且通监测数据进行加强稳定操作。

根据上述技术方案，所述步骤S1进一步包括以下步骤：

步骤S11：组件作业时，移动位置进入船舱进行物品抓取工作；

步骤S12：坐标成像模块建立坐标系，将此时小车架的位置显示于系统中；

步骤S13：当数据信息记录时，实时核对抓斗组件此时位置数据的正确性。

根据上述技术方案，所述步骤S2进一步包括以下步骤：

步骤S21：在抓斗表面以及小车架前端安装高反光材料；

步骤S22：利用两套激光扫描系统实时对抓斗进行动态点云采集并计算点云实时位置；

步骤S23：通过图形拟合装置将点阵图像进行数据融合处理。

根据上述技术方案，所述步骤S3进一步包括以下步骤：

步骤S31：将激光扫描图中的点阵，根据点阵的分布将其分割为各子区域；

步骤S32：计算子区域的点阵密集程度Q，根据密集程度对图像进行对应的拟合处理；

步骤S33：收集区域内点阵图的节点数量W，将点阵子区域的外围节点相连形成闭环子域，并获取其面积E；

步骤S34：计算其点阵密集度Q，，根据密集程度决定图像拟合程度。

根据上述技术方案，所述步骤S4进一步包括以下步骤：

步骤S41：读取拟合图像的边缘线条，取图像上方抓斗组件的绳摆范围θ，则该组件的摆角数据为；

步骤S42：将图像最外部线条作为抓斗的撑开幅度数据；

步骤S43：结合目前抓斗的位置以及抓斗张开程度，从常规抓斗摆动程度判断是否存在磕碰的风险。

根据上述技术方案，所述步骤S4进一步包括以下步骤：

步骤S41：当抓斗组件与船舱表面产生碰撞风险时，系统自动产生预警警报；

步骤S42：分析此时情形是否存在避免碰撞的解决方案，若存在则执行，否则放弃作业；

步骤S43：使用闭环防摇功能，事规避风险状态下的抓斗恢复稳定状态。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，使用坐标成像法与定位系统确认抓斗位置，并且使用绝对值编码器、陀螺仪等高精度定位装置，与GNSS定位系统进行冗余控制并相互校验检验坐标位置；在抓斗表面使用高反光材料与激光扫描进行结合运行，获取抓斗表面点阵数据形成抓斗拟合图像信息；从图像中分析抓斗姿态数据从而判断是否存在预警风险，同时该系统具有闭环防摇功能，增加抓斗的稳态时间。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的系统模块组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供技术方案：基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统，包括组件移动模块、模式成像模块和预警提示模块，组件移动模块用于系统中抓斗组件的移动控制，模式成像模块用于处理组件中抓斗的成像图形，预警提示模块用于根据组件的状态选择进行报警和增强稳定性的操作，组件移动模块与模式成像模块之间数据连接，组件移动模块与预警提示模块之间数据连接，模式成像模块与预警提示模块之间数据连接，该系统使用坐标成像法与定位系统确认抓斗位置，并且使用绝对值编码器、陀螺仪等高精度定位装置，与GNSS定位系统进行冗余控制并相互校验检验坐标位置；在抓斗表面使用高反光材料与激光扫描进行结合运行，获取抓斗表面点阵数据形成抓斗拟合图像信息；从图像中分析抓斗姿态数据从而判断是否存在预警风险，同时该系统具有闭环防摇功能，增加抓斗的稳态时间。

组件移动模块包括GNSS定位模块、小车架控制模块和坐标成像模块，GNSS模块用于验证组件坐标位置准确率，小车架控制模块用于抓斗组件的移动操作，坐标成像模块用于根据组件位置将其在船舱的具体位置进行模拟坐标处理，GNSS定位模块与小车架控制模块之间数据连接，小车架控制模块与坐标成像模块之间数据连接；

模式成像模块包括动态识别模块、图像拟合模块和模式判断模块，动态识别模块用于对抓斗进行图像捕捉，图像拟合模块用于将采集的抓斗图像进行线条拟合化，模式判断模块用于判断抓斗的姿态以及其与小车架之间的摆角和角速度数据，动态识别模块与图像拟合模块之间数据连接，图像拟合模块与模式判断模块之间数据连接；

预警提示模块包括稳定性测算模块和电子防摇模块，稳定性测算模块用于根据模式成像模块结果测算判断抓斗组件的稳定性，电子防摇模块用于增加组件的稳定性，稳定性测算模块与电子防摇模块之间数据连接，上述步骤主要作用是根据测量结果实现抓斗的稳定性效果，当获知抓斗的抖动程度，施加作用力可以有效的缓解不稳定性。

小车架控制模块包括高反光单元和滑轨滚动单元，高反光单元用于为激光扫描模块提供扫描对象，形成点阵图，滑轨滚动单元用于记录抓斗组件在船舱中的移动坐标，高反光单元与滑轨滚动单元之间数据连接，高反光材料是使其在被激光扫描装置读取时形成点阵数据信息，点阵数据作为图像拟合的基础存在。

多激光卸船机抓斗监测系统的运行方法主要包括以下步骤：

步骤S1：船舱中抓斗组件进行抓取作业时，实时采集组件数据，同时通过GNSS数据编码与陀螺仪装置验证组件位置准确性，所描述的GNSS定位设备在设备上的实际安装数量为1套，能够独立解算实际位置后，对整机建立标准的作业空间坐标系，为抓斗姿态定位坐标及摆角提供基础坐标系，融合GNSS坐标信息及实时编码器反馈数据，实现基于作业空间坐标系的小车机构高精度定位数据；

步骤S2：扫描抓斗表面反光材料，根据反光数据获取抓斗的图像信息，如果通过直接拍照的方式获得照片难以精准快速识别抓斗的数据信息，使用模式识别的方法需要训练大量图像，所以其在一般系统中使用代价相对较大，从而选择安装高反光材料，激光扫描仪扫描抓斗表面信息反射形成点阵图信息，处理点阵图来获取抓斗数据更为可靠；

步骤S3：将采集的图像信息经过模式识别技术处理后，形成拟合图像并计算抓斗的基本数据，根据点阵图信息进行区域划分以及分析各区域的密集程度，从而得到拟合图像的形成方法；

步骤S4：预警模块根据采集数据结果对其行动轨迹进行警报分析，并且通监测数据进行加强稳定操作，结合目前的抓斗组件张开程度以及其摆幅关系可以得出其运动范围，而此时的组件位置信息可以查看组件是否存在与周围环境碰撞的风险。

步骤S1进一步包括以下步骤：

步骤S11：组件作业时，移动位置进入船舱进行物品抓取工作；

步骤S12：坐标成像模块建立坐标系，将此时小车架的位置显示于系统中，该系统以平行轨道方向，垂直轨道方向及地面垂直向上方法，右手坐标系建立整机作业空间坐标系统；

步骤S13：当数据信息记录时，实时核对抓斗组件此时位置数据的正确性，采用绝对值编码器、陀螺仪等高精度定位装置，与GNSS定位系统进行冗余控制并相互校验，确认其精确位置是否与坐标一致。

步骤S2进一步包括以下步骤：

步骤S21：在抓斗表面以及小车架前端安装高反光材料；

步骤S22：利用两套激光扫描系统实时对抓斗进行动态点云采集并计算点云实时位置，实际安装位置分别为前大梁维修平台下方及后大梁维修平台下方，并且两套扫描仪分别实时采集抓斗海侧面及陆侧面点云数据；

步骤S23：通过图形拟合装置将点阵图像进行数据融合处理。

步骤S3进一步包括以下步骤：

步骤S31：将激光扫描图中的点阵，根据点阵的分布将其分割为各子区域，由于抓斗表面的反光材料是选择性放置，因此在采集图像时就会出现密集区域，由于需要将抓斗的表面轮廓进行表现，因此将各密集部分进行区分；

步骤S32：计算子区域的点阵密集程度Q，根据密集程度对图像进行对应的拟合处理，当点阵密集的时候说明该区域所使用反光材料相对较多，因此所出现激光点数量较多，此时需要圈定面积计算其密集度数据，反求其图像拟合度；

步骤S33：收集区域内点阵图的节点数量W，将点阵子区域的外围节点相连形成闭环子域，并获取其面积E；

步骤S34：计算其点阵密集度Q，，根据密集程度决定图像拟合程度，区域内激光点越多其密集程度越高，若激光点越少则密集度越低，当密集程度越高那么其图像拟合过程中图像线条程度越深，反之越浅；通过该方法将点阵图像集合为各轮廓线条。

步骤S4进一步包括以下步骤：

步骤S41：读取拟合图像的边缘线条，取图像上方抓斗组件的绳摆范围θ，则该组件的摆角数据为，图像的上部线条摇摆范围是抓斗的摇晃范围，所以其数据一半恰好表示抓斗的摆角数据大小，即抓斗由稳定状态向摆动一侧移动范围；

步骤S42：将图像最外部线条作为抓斗的撑开幅度数据；

步骤S43：结合目前抓斗的位置以及抓斗张开程度，从常规抓斗摆动程度判断是否存在磕碰的风险，当抓斗张开程度越大，其经过摆动后的范围也就越大，因此其撞击周围失误的风险也随之增加，由于抓斗的张开程度并不会对抓斗质量产生影响吗，所以只考虑张开幅度问题。

步骤S4进一步包括以下步骤：

步骤S41：当抓斗组件与船舱表面产生碰撞风险时，系统自动产生预警警报，若此时的抓斗组件所处位置恰好在船舱边缘位置，计算其摆幅数据，当其幅度大于安全程度时则进行报警处理，该情况极易产生抓斗组件损毁事件；

步骤S42：分析此时情形是否存在避免碰撞的解决方案，若存在则执行，否则放弃作业，首先通过缩小抓斗张开幅度来计算其是否仍然存在撞击可能，若无法避免则将抓斗进行升高处理使其脱离船舱位置，等待防抖操作；

步骤S43：使用闭环防摇功能，事规避风险状态下的抓斗恢复稳定状态，该情况是抓斗无法避免撞击后所选择操作，当抓斗稳定后重新进行作业。

需要说明的是，在本文中，诸如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。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (8)

1.基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统，包括组件移动模块、模式成像模块和预警提示模块，其特征在于：所述组件移动模块用于系统中抓斗组件的移动控制，所述模式成像模块用于处理抓斗组件中抓斗的成像图形，所述预警提示模块用于根据抓斗组件的状态选择进行报警和增强稳定性的操作，所述组件移动模块与模式成像模块之间数据连接，所述组件移动模块与预警提示模块之间数据连接，所述模式成像模块与预警提示模块之间数据连接；

所述组件移动模块包括GNSS定位模块、小车架控制模块和坐标成像模块，所述GNSS定位模块用于验证抓斗组件坐标位置准确率，所述小车架控制模块用于抓斗组件的移动操作，所述坐标成像模块用于根据抓斗组件位置将其在船舱的具体位置进行模拟坐标处理，所述GNSS定位模块与小车架控制模块之间数据连接，所述小车架控制模块与坐标成像模块之间数据连接；

所述模式成像模块包括动态识别模块、图像拟合模块和模式判断模块，所述动态识别模块用于对抓斗进行图像捕捉，所述图像拟合模块用于将采集的抓斗图像进行线条拟合化，所述模式判断模块用于判断抓斗的姿态以及其与小车架之间的摆角和角速度数据，所述动态识别模块与图像拟合模块之间数据连接，所述图像拟合模块与模式判断模块之间数据连接；

所述预警提示模块包括稳定性测算模块和电子防摇模块，所述稳定性测算模块用于根据模式成像模块结果测算判断抓斗组件的稳定性，所述电子防摇模块用于增加抓斗组件的稳定性，所述稳定性测算模块与电子防摇模块之间数据连接。

2.根据权利要求1所述的基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统，其特征在于：所述小车架控制模块包括高反光单元和滑轨滚动单元，所述高反光单元用于为动态识别模块提供扫描对象，形成点阵图，所述滑轨滚动单元用于记录抓斗组件在船舱中的移动坐标，所述高反光单元与滑轨滚动单元之间数据连接。

3.根据权利要求2所述的基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统，其特征在于：所述多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统的运行方法主要包括以下步骤：

步骤S1：船舱中抓斗组件进行抓取作业时，实时采集抓斗组件数据，同时通过GNSS定位模块的数据编码与陀螺仪装置验证抓斗组件位置准确性；

步骤S2：扫描抓斗表面反光材料，根据反光数据获取抓斗的图像信息；

步骤S3：将采集的图像信息经过模式识别技术处理后，形成拟合图像并计算抓斗的基本数据；

步骤S4：预警提示模块根据采集数据结果对其行动轨迹进行警报分析，并且通监测数据进行加强稳定操作。

4.根据权利要求3所述的基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统，其特征在于：所述步骤S1进一步包括以下步骤：

步骤S11：抓斗组件作业时，移动位置进入船舱进行物品抓取工作；

步骤S12：坐标成像模块建立坐标系，将此时小车架的位置显示于系统中；

步骤S13：当数据信息记录时，实时核对抓斗组件此时位置数据的正确性。

5.根据权利要求4所述的基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统，其特征在于：所述步骤S2进一步包括以下步骤：

步骤S21：在抓斗表面以及小车架前端安装高反光材料；

步骤S22：利用两套动态识别模块实时对抓斗进行动态点云采集并计算点云实时位置；

步骤S23：通过图形拟合装置将点阵图像进行数据融合处理。

6.根据权利要求5所述的基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统，其特征在于：所述步骤S3进一步包括以下步骤：

步骤S31：将激光扫描图中的点阵，根据点阵的分布将其分割为各子区域；

步骤S32：计算子区域的点阵密集程度Q，根据点阵密集程度Q对图像进行对应的拟合处理；

步骤S33：收集区域内点阵图的节点数量W，将点阵子区域的外围节点相连形成闭环子域，并获取其面积E；

步骤S34：计算其点阵密集程度Q，根据点阵密集程度Q决定图像拟合程度。

7.根据权利要求6所述的基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统，其特征在于：所述步骤S4进一步包括以下步骤：

步骤S41：读取拟合图像的边缘线条，取图像上方抓斗组件的绳摆范围θ，则该抓斗组件的摆角数据为

步骤S42：将图像最外部线条作为抓斗的撑开幅度数据；

步骤S43：结合目前抓斗的位置以及抓斗张开程度，从常规抓斗摆动程度判断是否存在磕碰的风险。

8.根据权利要求7所述的基于多激光传感器的卸船机抓斗实时位置及姿态监测系统，其特征在于：所述步骤S43进一步包括以下步骤：

步骤S431：当抓斗组件与船舱表面产生碰撞风险时，系统自动产生预警警报；

步骤S432：分析此时情形是否存在避免碰撞的解决方案，若存在则执行，否则放弃作业；

步骤S433：使用闭环防摇功能，事先规避风险状态下的抓斗恢复稳定状态。