CN116395560A - 一种集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法及装置，包括建立集卡激光点云图像数据库，在目标码头集装箱堆场的停车车道旁设置支杆，在支杆上设置3D激光扫描仪，通过标定获3D激光扫描仪仪相对于吊装系统的坐标位置，建立锁头位置确定模型，通过机器学习获取集卡激光点云图像中对应的集卡的类型，通过目标检测算法检测出集卡激光点云图像中的第一锁头和第二锁头，获取第一锁头和第二锁头相对于吊装系统的坐标位置，根据获取的类型确定集卡激光点云图像中对应的集卡中各个锁头之间的相对距离，判断其他锁头相对于吊装系统的坐标位置，本发明能够准确获取集卡的各个锁头位置，方便吊装集装箱。

Description

一种集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法及装置

技术领域

本发明涉及外集装箱卡车锁扣定位技术领域，具体涉及一种集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法及装置。

背景技术

目前码头集装箱装卸堆场，轨道吊全自动化装卸作业中，针对外集装箱卡车，轨道吊吊具与外集装箱卡车的精准定位没有有效的简易精准的测量方法。

相关技术中，激光扫描测距仪都是跟随着龙门轨道龙门运动，对激光扫描测距仪的高度进行一定的限定，但是集装箱卡车的高低不一锁孔位置不一，外加上扫描仪的精度缺陷，因此无法准确测量外集卡拖车的锁头，且激光扫描测距仪跟随龙门轨道龙门运动会发生晃动，影响定位结构，在这种技术中，依靠大车移动进入外集卡交互区对集卡进行一次扫描过程，来分析定位集卡位置，据不完全统计全自动着箱成功率只有50％。也有相关技术采取自动升降装置和自动倾斜调节装置对激光扫描测距仪进行调节，虽然摆脱了激光扫描测距仪与龙门轨道龙门运动的局限性，但是由于激光扫描测距仪安装位置一直在调整与吊具位置的相对关系不固定，对集卡拖车锁头的定位效果无法达到期望，且这种技术会耗费大量的调节时间，目前对外集装箱卡车还没有有效的检测方法解决外来集卡在自动化装卸作业中的集装箱锁头的精确定位的方法。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法及装置，通过外设支杆且在支杆上设置3D激光扫描仪，进行防抖，从而能够根据获取的类型确定集卡激光点云图像中对应的集卡中各个锁头之间的相对距离，根据第一锁头和第二锁头的的坐标位置判断其他锁头相对于吊装系统的坐标位置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法，包括以下步骤：

获取多辆集卡的多张激光点云图像，建立集卡激光点云图像数据库；

在目标码头集装箱堆场的停车车道旁设置支杆，在所述支杆离地面5～10m处设置3D激光扫描仪，通过标定获取所述3D激光扫描仪相对于吊装系统的坐标位置，所述吊装系统包括吊具；

建立锁头位置确定模型，其中，通过机器学习获取集卡激光点云图像中对应的集卡的类型，检测出集卡激光点云图像中的第一锁头和第二锁头，通过3D激光扫描仪检测所述第一锁头和所述第二锁头分别与3D激光扫描仪的距离，结合3D激光扫描仪相对于吊装系统的坐标位置获取所述第一锁头和所述第二锁头相对于吊装系统的坐标位置，根据获取的集卡的类型确定集卡激光点云图像中对应的集卡中各个锁头之间的相对距离，根据所述第一锁头和所述第二锁头的的坐标位置判断其他锁头相对于吊装系统的坐标位置；

在目标堆场内，通过3D激光扫描仪扫描该停车车道，当检测到目标集卡停止在集卡停靠线上一段时间后，使3D激光扫描仪转动扫描该停车车道内的目标集卡的轮廓且获取该目标集卡的激光点云图像，通过锁头位置确定模型获取该目标集卡各个锁头相对于吊装系统的坐标位置，协调PLC控制吊具精准装卸集装箱。

进一步地，调节所述3D激光扫描仪的扫描方向，使所述3D激光扫描仪的扫描方向与集卡的托盘有一定夹角。

进一步地，在所述支杆离地面5～10m处设置转动电机，所述转动电机的输出轴上设置2D激光扫描仪形成3D扫描仪。

进一步地，在锁头位置确定模型中，3D激光扫描仪转动扫描该停车车道内的目标集卡的轮廓，完成托盘数据提取后，3D激光扫描仪朝集卡车头旋转，通过机器学习的方式获取车头的特征，结合3D激光扫描仪相对于吊装系统的坐标位置获取车头的轮廓相对于吊装系统的坐标位置，确定车头保护区域。

进一步地，在业务逻辑层设置位置车头保护区域，吊装系统控制吊具进入位置车头保护区域会报警对吊具进行制动处理。

进一步地，将20Ft集卡、40Ft集卡和45Ft集卡的图像标注后分别设置成标准A类、标准B类和标准C类加入到标准模型库中，当检测到不属于标准A类、标准B类和标准C类的非标集卡时，会根据系统手动作业着箱数据标定超类A1的模型，加入标准模型库。

进一步地，在目标集卡进入停车车道的过程中，目标集卡的坐标位置变换，3D激光扫描仪停止转动，直到目标集卡停靠在集卡停靠线上超过一段时间后，3D激光扫描仪转动扫描。

进一步地，在目标堆场内设有多条所述停车车道，每两个所述停车车道共用一个所述支杆，所述支杆设在该两个所述停车车道之间。

一种集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱装置，设置在码头集装箱堆场，包括：

集卡停靠线，设置在该停车车道内；

支杆，设置在一个所述停车车道旁；

转动电机，固定在所述支杆上；

吊装系统，包括吊具；

3D激光扫描仪，设置在所述支杆上且面向该停车车道设置，其离地面高度5～10m，其扫描该停车车道，当发现集卡停靠一段时间后，扫描该停车车道内的集卡的轮廓，获取集卡的激光点云图像；

锁头位置确定模型建立模块，用于通过机器学习获取集卡激光点云图像中对应的集卡的类型，检测出集卡激光点云图像中的第一锁头和第二锁头，通过3D激光扫描仪检测所述第一锁头和所述第二锁头分别与3D激光扫描仪的距离，结合3D激光扫描仪相对于吊装系统的坐标位置获取所述第一锁头和所述第二锁头相对于吊装系统的坐标位置，根据获取的集卡的类型确定集卡激光点云图像中对应的集卡中各个锁头之间的相对距离，根据所述第一锁头和所述第二锁头的的坐标位置判断其他锁头相对于吊装系统的坐标位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明提供的一种集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法及装置，直接外设支杆，且在支杆离地面5～10m处设置3D激光扫描仪，能够保证3D激光扫描仪扫描到停车车道上的整个目标集卡，且防止3D激光扫描仪抖动，影响集卡锁头的扫描。

本发明提供的一种集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法及装置，针对于现有的集卡中，集卡通常分为20Ft集卡、40Ft集卡和45Ft集卡，每种集卡的锁头的位置是固定的情况，可以通过获取相对于集卡对称的第一锁头的位置和第二锁头的位置，判断其他锁头的位置，因此本发明建立了锁头位置确定模型。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法的流程图。

图2为本发明集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法一个角度的示意图。

图3为本发明集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法另一个角度的示意图。

图4为本发明的45Ft集卡的示意图。

图5为本发明的40Ft集卡的示意图。

图6为本发明的20Ft集卡的示意图。

图7为本发明集卡进入停车车道第一示意图。

图8为本发明集卡进入停车车道第二示意图。

图9为本发明集卡进入停车车道第三示意图。

其中：1、吊装系统；11、轨道龙门吊；12、吊具；2、支杆；3、3D激光扫描仪；4、集卡；5、停车车道。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明提供一种集装箱自动化装卸作业外集卡4自动着箱方法，如图1-图3所示，包括以下步骤：

获取多辆集卡4的多张激光点云图像，建立集卡4激光点云图像数据库；

在目标码头集装箱堆场的停车车道5旁设置支杆2，在所述支杆2离地面5～10m处设置3D激光扫描仪3，通过标定获取所述3D激光扫描仪3相对于吊装系统1的坐标位置，所述吊装系统1包括吊具12；

建立锁头位置确定模型，其中，通过机器学习获取集卡4激光点云图像中对应的集卡4的类型，检测出集卡4激光点云图像中的第一锁头和第二锁头，通过3D激光扫描仪3检测所述第一锁头和所述第二锁头分别与3D激光扫描仪3的距离，结合3D激光扫描仪3相对于吊装系统1的坐标位置获取所述第一锁头和所述第二锁头相对于吊装系统1的坐标位置，根据获取的集卡4的类型确定集卡4激光点云图像中对应的集卡4中各个锁头之间的相对距离，根据所述第一锁头和所述第二锁头的的坐标位置判断其他锁头相对于吊装系统1的坐标位置；

在目标堆场内，通过3D激光扫描仪3扫描该停车车道5，当检测到目标集卡停止在集卡4停靠线上一段时间后，使3D激光扫描仪3转动扫描该停车车道5内的目标集卡的轮廓且获取该目标集卡的激光点云图像，通过锁头位置确定模型获取该目标集卡各个锁头相对于吊装系统1的坐标位置；

根据目标集卡各个锁头的坐标位置，协调PLC控制吊具12精准放箱。

目前针对外集卡4，现有的技术方案为在小车上按照2D激光扫描仪，依靠大车移动进入外集卡4交互区对集卡4进行一次扫描过程，来分析定位集卡4位置，据不完全统计之前的全自动着箱成功率只有50％，因此在此背景下，需要一套全新的针对外集卡4自动化着箱方案，来提高准确率，因此本发明直接外设支杆2，且在支杆2离地面5～10m处设置3D激光扫描仪3，能够保证3D激光扫描仪3扫描到停车车道5上的整个目标集卡，且防止3D激光扫描仪3抖动，影响集卡4锁头的扫描，本发明能够准确获取目标集卡各个锁头相对于吊装系统1的坐标位置，方便吊装系统1对集装箱自动装卸。

现有的集卡4中，集卡4通常分为20Ft集卡、40Ft集卡和45Ft集卡，每种集卡4的锁头的位置是固定的，因此可以通过获取相对于集卡4对称的第一锁头的位置和第二锁头的位置，判断其他锁头的位置，因此本发明建立了锁头位置确定模型。

由于集装箱的高度范围在2.6m～2.9m集卡4的高度范围区间在1.1m至1.8m，为保证覆盖工况，因此本发明中，扫描仪机构必须安装距离地面5m～10m距离集装箱和集卡4托盘距离越近扫描进度越高。

具体地，如图4-图6所示，20Ft集卡包括1号锁头、2号锁头、3号锁头、4号锁头，可以根据2号锁头、3号锁头的位置判断1号锁头和4号锁头的位置；40Ft集卡包括1号锁头、2号锁头、3号锁头、4号锁头、5号锁头、6号锁头，可以根据4号锁头、5号锁头的位置判断1号锁头、2号锁头、3号锁头、6号锁头、7号锁头和8号锁头的位置；50Ft集卡4包括1号锁头、2号锁头、3号锁头、4号锁头、5号锁头、6号锁头、7号锁头、8号锁头、9号锁头、10号锁头，可以根据5号锁头、6号锁头的位置判断1号锁头、2号锁头、3号锁头、4号锁头、7号锁头、8号锁头、9号锁头和10号锁头的位置，本发明设有系统标准模型库，将20Ft集卡、40Ft集卡和45Ft集卡的图像标注后分别设置成标准A类、标准B类和标准C类加入到标准模型库中，当检测到不属于标准A类、标准B类和标准C类的非标集卡4时，会根据系统手动作业着箱数据标定超类A1的模型，加入标准模型库。

相关技术中，为垂直化全自动码头提供自动化解决方案，垂直化码头装卸船业务和提箱相关业务分开，码头的堆场内没有道路，堆场把码头与外界车辆进行了隔离，实现了码头及堆场区域的封闭式管理，实现了垂直封闭式布局，堆场外集装箱卡车提箱收箱位置集中化，此外还有吊装系统1吊需要介绍，吊装系统1包括轨道龙门吊11和吊具12，轨道龙门吊11上的吊具12叫小车，轨道龙门吊11按照轨道运行的方向为行业约定的大车方向记为Z方向，小车运动的方向行业约定为小车方向记为X方向，吊具12在上下运动方向为起升方向记为Y方向，SkewX方向为绕小车方向的偏转，SkewY方向为绕起升方向的偏转，SkewZ方向为绕大车方向的偏转，所有的自动化项目会约定一个0点，均已这个为坐标系原点，因此本发明通过锁头位置确定模型获取该目标集卡各个锁头的位置及该目标集卡相对于的小车方向、大车方向及起升方向，能够结合轨道龙门上的吊车位置，协调PLC控制吊具12精准放箱。

集卡4中第一锁头和第二锁头的位置使对称设置的，如果通过3D激光扫描仪3水平扫描目标集卡，则不能检测到第一锁头和第二锁头的位置，本发明中，为了准确判断第一锁头和第二锁头的位置，通过设置3D激光扫描仪3的扫描方向，使所述3D激光扫描仪3的扫描方向与集卡4的托盘有一定夹角，进而方便通过目标检测算法获取集卡4激光点云图像中的第一锁头的位置和第二锁头的位置。

本发明中，在所述支杆2离地面5～10m处设置转动电机，所述转动电机的输出轴上设置2D激光扫描仪形成3D扫描仪。

本发明中，在锁头位置确定模型中，3D激光扫描仪3转动扫描该停车车道5内的目标集卡的轮廓，完成托盘数据提取后，3D激光扫描仪3朝集卡4车头旋转，通过机器学习的方式获取车头的特征，结合3D激光扫描仪3相对于吊装系统1的坐标位置获取车头的轮廓相对于吊装系统1的坐标位置，防止PLC控制吊具12放箱时砸车头，实现防砸头功能。

具体地，在业务逻辑层设置位置车头保护区域，吊装系统1控制吊具12进入位置车头保护区域会报警对吊具12进行制动处理。

在本发明中，如图7-图9所示，在目标集卡进入停车车道5的过程中，3D激光扫描仪3停止转动但是不停止扫描，3D激光扫描仪3检测到目标集卡的坐标位置不断变换，直到目标集卡停靠在集卡4停靠线上超过一段时间后，3D激光扫描仪3转动扫描整个集卡轮廓。

本发明中，3D激光扫描仪3相对于吊装系统1的坐标位置通过对3D激光扫描仪3标定实现，具体地，驱动3D激光扫描仪3扫描停车车道的延伸方向，即大车方向，通过收集激光点云线，获取扫描线A点坐标为(x1，y1，z1，index)和B点坐标(x2，y2，z2，index)。

计算

获取3D激光扫描仪3绕小车方向的偏转角。

驱动3D激光扫描仪3扫描停车车道的横向方向，即小车方向，通过收集激光点云线，获取扫描线上的C点坐标为(x3，y3，z3，index)和D点坐标(x4，y4，z4，index)。

计算

获取3D激光扫描仪3绕大车方向的偏转角。

在集卡上放置集装箱，驱动3D激光扫描仪3扫描集装箱底部到顶部，通过收集激光点云线，获取集装箱底部的E点坐标(x5，y5，z5，index)和集装箱顶部的F点坐标(x6，y6，z6，index)。

计算

获取3D激光扫描仪3绕起升方向的偏转角。

调整角度时，每次只调整一个维度，重复两到三次，减少误差，再调整下一个维度。

本发明还提供一种集装箱自动化装卸作业外集卡4自动着箱装置，设置在码头集装箱堆场，如图2和图3所示，包括：

集卡4停靠线，设置在该停车车道5内；

支杆2，设置在一个所述停车车道5旁；

转动电机，固定在所述支杆2上；

吊装系统1，包括吊具12；

3D激光扫描仪3，设置在所述支杆2上且面向该停车车道5设置，其离地面高度5～10m，其扫描该停车车道5，当发现集卡4停靠一段时间后，扫描该停车车道5内的集卡4的轮廓，获取集卡4的激光点云图像；

锁头位置确定模型建立模块，用于通过机器学习获取集卡4激光点云图像中对应的集卡4的类型，检测出集卡4激光点云图像中的第一锁头和第二锁头，通过3D激光扫描仪3检测所述第一锁头和所述第二锁头分别与3D激光扫描仪3的距离，结合3D激光扫描仪3相对于吊装系统1的坐标位置获取所述第一锁头和所述第二锁头相对于吊装系统1的坐标位置，根据获取的集卡4的类型确定集卡4激光点云图像中对应的集卡4中各个锁头之间的相对距离，根据所述第一锁头和所述第二锁头的的坐标位置判断其他锁头相对于吊装系统1的坐标位置。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取多辆集卡的多张激光点云图像，建立集卡激光点云图像数据库；

在目标码头集装箱堆场的停车车道旁设置支杆，在所述支杆离地面5～10m处设置3D激光扫描仪，通过标定获取所述3D激光扫描仪相对于吊装系统的坐标位置，所述吊装系统包括吊具；

建立锁头位置确定模型，其中，通过机器学习获取集卡激光点云图像中对应的集卡的类型，检测出集卡激光点云图像中的第一锁头和第二锁头，通过3D激光扫描仪检测所述第一锁头和所述第二锁头分别与3D激光扫描仪的距离，结合3D激光扫描仪相对于吊装系统的坐标位置获取所述第一锁头和所述第二锁头相对于吊装系统的坐标位置，根据获取的集卡的类型确定集卡激光点云图像中对应的集卡中各个锁头之间的相对距离，根据所述第一锁头和所述第二锁头的的坐标位置判断其他锁头相对于吊装系统的坐标位置；

在目标堆场内，通过3D激光扫描仪扫描该停车车道，当检测到目标集卡停止在集卡停靠线上一段时间后，使3D激光扫描仪转动扫描该停车车道内的目标集卡的轮廓且获取该目标集卡的激光点云图像，通过锁头位置确定模型获取该目标集卡各个锁头相对于吊装系统的坐标位置，协调PLC控制吊具精准装卸集装箱。

2.根据权利要求1所述的集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法，其特征在于：

调节所述3D激光扫描仪的扫描方向，使所述3D激光扫描仪的扫描方向与集卡的托盘有一定夹角。

3.根据权利要求1所述的集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法，其特征在于：

在所述支杆离地面5～10m处设置转动电机，所述转动电机的输出轴上设置2D激光扫描仪形成3D扫描仪。

4.根据权利要求1所述的集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法，其特征在于：

在锁头位置确定模型中，3D激光扫描仪转动扫描该停车车道内的目标集卡的轮廓，完成托盘数据提取后，3D激光扫描仪朝集卡车头旋转，通过机器学习的方式获取车头的特征，结合3D激光扫描仪相对于吊装系统的坐标位置获取车头的轮廓相对于吊装系统的坐标位置，确定车头保护区域。

5.根据权利要求4所述的集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法，其特征在于：

在业务逻辑层设置位置车头保护区域，吊装系统控制吊具进入位置车头保护区域会报警对吊具进行制动处理。

6.根据权利要求1所述的集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法，其特征在于：

将20Ft集卡、40Ft集卡和45Ft集卡的图像标注后分别设置成标准A类、标准B类和标准C类加入到标准模型库中，当检测到不属于标准A类、标准B类和标准C类的非标集卡时，会根据系统手动作业着箱数据标定超类A1的模型，加入标准模型库。

7.根据权利要求1所述的集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法，其特征在于：

在目标集卡进入停车车道的过程中，目标集卡的坐标位置变换，3D激光扫描仪停止转动，直到目标集卡停靠在集卡停靠线上超过一段时间后，3D激光扫描仪转动扫描。

8.根据权利要求1所述的集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱方法，其特征在于：

在目标堆场内设有多条所述停车车道，每两个所述停车车道共用一个所述支杆，所述支杆设在该两个所述停车车道之间。

9.一种集装箱自动化装卸作业外集卡自动着箱装置，设置在码头集装箱堆场，其特征在于，包括：

集卡停靠线，设置在该停车车道内；

支杆，设置在一个所述停车车道旁；

转动电机，固定在所述支杆上；

吊装系统，包括吊具；

3D激光扫描仪，设置在所述支杆上且面向该停车车道设置，其离地面高度5～10m，其扫描该停车车道，当发现集卡停靠一段时间后，扫描该停车车道内的集卡的轮廓，获取集卡的激光点云图像；

锁头位置确定模型建立模块，用于通过机器学习获取集卡激光点云图像中对应的集卡的类型，检测出集卡激光点云图像中的第一锁头和第二锁头，通过3D激光扫描仪检测所述第一锁头和所述第二锁头分别与3D激光扫描仪的距离，结合3D激光扫描仪相对于吊装系统的坐标位置获取所述第一锁头和所述第二锁头相对于吊装系统的坐标位置，根据获取的集卡的类型确定集卡激光点云图像中对应的集卡中各个锁头之间的相对距离，根据所述第一锁头和所述第二锁头的的坐标位置判断其他锁头相对于吊装系统的坐标位置。

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