CN117311249A - 适用于舱口抓斗摆角实时计算方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于舱口抓斗摆角实时计算方法和系统，包括：激光扫描生成测量目标物体的三维坐标信息；得到目标物体的坐标，并进行实时防碰撞检测。本发明通过激光扫描对抓斗在空间中的位置进行实时监测，在远距离大雾天不会出现图像丢失的情况，显著提高了防碰撞检测的有效性。

Description

适用于舱口抓斗摆角实时计算方法和系统

技术领域

本发明涉及抓斗控制领域，具体地，涉及适用于舱口抓斗摆角实时计算方法和系统。

背景技术

目前，多数抓斗式卸船机智能化控制系统在抓斗安全运行上，虽然采用单摆周期加速的开环控制方法以达到防摇的目的，但是对于抓斗在空间中的摆角没有实时计算，在抓斗下降到一定高度时获得其在下降期间的最大偏角，以此偏角计算抓斗在后续下降过程中是否是安全的。

但是，现有技术中的抓斗防碰撞采用开环控制系统，抓斗在空间中的位置不是实时监测，而是通过数学模型进行预估。此外通过视觉检测抓斗位置，在远距离大雾天会出现图像丢失的情况，影响防碰撞检测的有效性。

例如，专利文献CN110422762B公开了一种利用行车抓渣的抓斗防摇控制方法，包括：1)、构建抓渣系统；2)、通过防摇摆功能模块的输入端输入小车的最大运行速度值Vmax和小车的加速度a；防摇摆功能模块对根据上述参数进行运算后将结果传输给变频器，变频器控制第一电机使小车运行至目标物正上方时小车速度为0，抓斗的摆动也为0。设置防摇摆功能模块后，只需要通过防摇摆功能模块的输入端输入小车的最大运行速度值Vmax和小车的加速度a；保证小车从0速启动运行到目标物正上方时速度又降为0，同时在小车匀速运动过程中，抓斗的摆动为0，即达到抓斗防摆的效果。但是该专利文献采用了抓斗开环检测方法，对抓斗的空间位置未进行实时监测，而是通过预测的方式。当运行过程中，有一个未知的外部因素出现，会导致抓斗控制失效。该方法不适用于港口大型抓斗卸船机防碰撞控制。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于舱口抓斗摆角实时计算方法和系统。

根据本发明提供的一种适用于舱口抓斗摆角实时计算方法，包括：

数据采集步骤：令激光扫描仪接收、解析并执行来自PLC控制系统的激光扫描指令，接收工作现场实时目标物体位置的激光点云数据,形成PLD点云库；对云台和激光扫描仪两者的数据进行解析，整合两者测量数据，建立坐标系，生成测量目标物体的三维坐标信息；

数据处理步骤：通过PLC点云库对现场点云数据进行分析和处理；首先针对初始场景模型点云，进行预处理，即获得舱平面的高度方向Z方向的高度，筛选出冗余点和离散点云，将抓斗从场景中分割出来，提取点云特征，计算所需的坐标；其次对现场点云进行所述预处理，计算船舱的各舱侧坐标信息，得到上下舱侧X坐标、左右舱侧的Y坐标以及抓斗中心坐标；最后根据坐标计算结果判断抓斗和X方向的舱侧的相对位置关系，用于实时防碰撞检测；

其中，进行抓斗上设定点的连续实时跟踪，结合载有抓斗的小车中心点的像素坐标实时计算出抓斗下降过程中的摆角。

优选地，还包括：

数据通讯步骤：通过读取PLC控制系统发送过来的检测消息指令来执行扫描命令，执行船舱舱侧的检测后，将一系列坐标发送给PLC控制系统，紧接着PLC控制系统接收到船舱信息后，再次发送检测抓斗的位置和判断抓斗与舱侧的相对位置关系，再次执行相应的检测指令，最后再次把抓斗的位置和防碰撞预警处理结果返回给PLC控制系统。

优选地，在所述数据采集步骤中：

通过采用激光扫描仪对船舱和抓斗目标进行扫描后，获取船舱和抓斗的点云特征值；

通过采用PCL点云库对点云数据进行分析和处理，建立起点云中各数据点的空间拓扑关系，包括生成停靠在工作区域的整个船舱的三维点云可视化图，确定每个船舱的起始位置、终止位置、船舱宽度、外部形状以及船舱中料堆的高度变化信息；

通过采用基于点云的空间拓扑关系，对表面的离群点和冗余点进行滤除，将舱平面和抓斗从点云场景中分割出来，提取点云特征，最后对预处理后的点云进行几何特性进行估算，建立标准的检测模型。

优选地，在所述数据处理步骤中：

通过采用现场点云与模型点云进行配准，在抓料作业中，实时提供靠岸侧、靠海侧的舱侧坐标、抓斗的中心坐标和防碰撞预警信息，并最终生成船舱、抓斗模型三维实时点云图；计算左右舱侧等待检测测物体的笛卡尔坐标信息，最后判断抓斗和船舱两侧的相对位置关系；其中，现场点云根据激光扫描仪的数据解析建立得到，模型点云根据云台数据解析建立得到；

通过采用检测抓斗最下方中心点，在抓料过程中，实时提供抓斗的中心坐标的变化来判断抓斗的位置，同时根据抓斗的尺寸类型和舱侧坐标信息来判断两者的相对位置关系；

通过采用检测抓斗与船舱的相对位置关系，计算最安全的抓料作业距离，进而判断是否发生碰撞。

优选地，在所述数据通讯步骤中：

通过采用TCP/UDP方式，将碰撞预警信息反馈给卸船机智能化系统，完成防碰撞检测任务。

根据本发明提供的一种适用于舱口抓斗摆角实时计算系统，包括：

数据采集模块：令激光扫描仪接收、解析并执行来自PLC控制系统的激光扫描指令，接收工作现场实时目标物体位置的激光点云数据,形成PLD点云库；对云台和激光扫描仪两者的数据进行解析，整合两者测量数据，建立坐标系，生成测量目标物体的三维坐标信息；

数据处理模块：通过PLC点云库对现场点云数据进行分析和处理；首先针对初始场景模型点云，进行预处理，即获得舱平面的高度方向Z方向的高度，筛选出冗余点和离散点云，将抓斗从场景中分割出来，提取点云特征，计算所需的坐标；其次对现场点云进行所述预处理，计算船舱的各舱侧坐标信息，得到上下舱侧X坐标、左右舱侧的Y坐标以及抓斗中心坐标；最后根据坐标计算结果判断抓斗和X方向的舱侧的相对位置关系，用于实时防碰撞检测；

其中，进行抓斗上设定点的连续实时跟踪，结合载有抓斗的小车中心点的像素坐标实时计算出抓斗下降过程中的摆角。

优选地，还包括：

数据通讯模块：通过读取PLC控制系统发送过来的检测消息指令来执行扫描命令，执行船舱舱侧的检测后，将一系列坐标发送给PLC控制系统，紧接着PLC控制系统接收到船舱信息后，再次发送检测抓斗的位置和判断抓斗与舱侧的相对位置关系，再次执行相应的检测指令，最后再次把抓斗的位置和防碰撞预警处理结果返回给PLC控制系统。

优选地，在所述数据采集模块中：

通过采用激光扫描仪对船舱和抓斗目标进行扫描后，获取船舱和抓斗的点云特征值；

通过采用PCL点云库对点云数据进行分析和处理，建立起点云中各数据点的空间拓扑关系，包括生成停靠在工作区域的整个船舱的三维点云可视化图，确定每个船舱的起始位置、终止位置、船舱宽度、外部形状以及船舱中料堆的高度变化信息；

通过采用基于点云的空间拓扑关系，对表面的离群点和冗余点进行滤除，将舱平面和抓斗从点云场景中分割出来，提取点云特征，最后对预处理后的点云进行几何特性进行估算，建立标准的检测模型。

优选地，在所述数据处理模块中：

通过采用现场点云与模型点云进行配准，在抓料作业中，实时提供靠岸侧、靠海侧的舱侧坐标、抓斗的中心坐标和防碰撞预警信息，并最终生成船舱、抓斗模型三维实时点云图；计算左右舱侧等待检测测物体的笛卡尔坐标信息，最后判断抓斗和船舱两侧的相对位置关系；其中，现场点云根据激光扫描仪的数据解析建立得到，模型点云根据云台数据解析建立得到；

通过采用检测抓斗最下方中心点，在抓料过程中，实时提供抓斗的中心坐标的变化来判断抓斗的位置，同时根据抓斗的尺寸类型和舱侧坐标信息来判断两者的相对位置关系；

通过采用检测抓斗与船舱的相对位置关系，计算最安全的抓料作业距离，进而判断是否发生碰撞。

优选地，在所述数据通讯模块中：

通过采用TCP/UDP方式，将碰撞预警信息反馈给卸船机智能化系统，完成防碰撞检测任务。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过激光扫描对抓斗在空间中的位置进行实时监测，在远距离大雾天不会出现图像丢失的情况，显著提高了防碰撞检测的有效性。

2、本发明在运行过程中，若有一个未知的外部因素出现，则不会导致抓斗控制失效。

3、本发明适用于港口大型抓斗卸船机防碰撞控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的模块结构示意图。

图2为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种适用于舱口抓斗摆角实时计算方法，基于YOLOv3目标检测算法提取出目标感兴趣区域的基础上，引入SURF目标匹配算法，进行抓斗上某一特定点的连续实时跟踪，结合载有抓斗的小车的中心点的像素坐标实时计算出抓斗下降过程中的摆角。

根据本发明提供的一种适用于舱口抓斗摆角实时计算方法，包括：

数据采集步骤：接收并解析PLC控制系统发送的激光扫描指令，接收工作现场实时目标位置的激光点云数据，对云台和激光扫描仪的数据进行解析；最后整合两者测量数据，建立坐标系，生成测量物体的三维坐标信息。在所述数据采集步骤中：通过采用激光扫描系统对船舱和抓斗目标进行扫描后，获取船舱和抓斗的点云特征值。通过采用PCL点云库对点云数据进行分析和处理，建立起点云中各数据点的空间拓扑关系，这里主要生成停靠在工作区域的整个船舱的三维点云可视化图，确定每个船舱的起始位置、终止位置、船舱宽度、外部形状以及船舱中料堆的高度变化信息。通过采用基于点云的空间拓扑关系，对表面的离群点和冗余点进行滤除，将舱平面和抓斗从点云场景中分割出来，提取点云特征，最后对预处理后的点云进行几何特性进行估算，建立标准的检测模型。

数据处理步骤：通过PCL点云库对大量的现场点云数据进行分析和处理。首先针对初始场景模型点云，进行预处理，获得舱平面的高度方向Z方向的高度，筛选出冗余点和离散点云，将抓斗从场景中分割出来，提取点云特征，计算所需的坐标；其次对现场点云同样进行上述操作，计算船舱的各舱侧坐标信息，得到上下舱侧X坐标、左右舱侧的Y坐标以及抓斗中心坐标，最后根据上述计算结果判断抓斗和X方向的舱侧的相对位置关系，从而达到实时防碰撞检测的目的。在所述数据处理模块中：通过采用现场点云与模型点云进行配准，在抓料作业中，实时提供靠岸侧、靠海侧的舱侧坐标、抓斗的中心坐标和防碰撞预警信息，并最终生成船舱、抓斗模型三维实时点云图。计算左右舱侧等待检测测物体的笛卡尔坐标信息，最后判断抓斗和船舱两侧的相对位置关系。通过采用检测抓斗最下方中心点，在抓料过程中，实时提供抓斗的中心坐标的变化来判断抓斗的位置，同时根据抓斗的尺寸类型和舱侧坐标信息来判断两者的相对位置关系。通过采用检测抓斗与船舱的相对位置关系，计算最安全的抓料作业距离，进而判断是否发生碰撞。

数据通讯步骤：主要功能包括与PLC控制系统通讯的接口。通过读取PLC控制系统发送过来的检测消息指令来执行扫描命令，执行船舱舱侧的检测后，将这一系列坐标发送给PLC控制系统，紧接着PLC控制系统接收到船舱信息后，再次发送检测抓斗的位置和判断抓斗与舱侧的相对位置关系，再次执行相应的检测指令，最后再次把抓斗的位置和防碰撞预警处理结果返回给PLC控制系统。在所述数据通讯模块中：通过采用TCP/UDP方式，及时准确将预警信息反馈给卸船机智能化系统，完成防碰撞检测任务。

本发明还提供一种适用于舱口抓斗摆角实时计算方法，本领域技术人员可以通过执行所述适用于舱口抓斗摆角实时计算方法的步骤流程实现所述适用于舱口抓斗摆角实时计算系统，即可以将所述适用于舱口抓斗摆角实时计算方法理解为所述适用于舱口抓斗摆角实时计算系统的一个优选实施方式。具体地，根据本发明提供的一种适用于舱口抓斗摆角实时计算系统，包括：

数据采集模块：令激光扫描仪接收、解析并执行来自PLC控制系统的激光扫描指令，接收工作现场实时目标物体位置的激光点云数据,形成PLD点云库；对云台和激光扫描仪两者的数据进行解析，整合两者测量数据，建立坐标系，生成测量目标物体的三维坐标信息；

数据处理模块：通过PLC点云库对现场点云数据进行分析和处理；首先针对初始场景模型点云，进行预处理，即获得舱平面的高度方向Z方向的高度，筛选出冗余点和离散点云，将抓斗从场景中分割出来，提取点云特征，计算所需的坐标；其次对现场点云进行所述预处理，计算船舱的各舱侧坐标信息，得到上下舱侧X坐标、左右舱侧的Y坐标以及抓斗中心坐标；最后根据坐标计算结果判断抓斗和X方向的舱侧的相对位置关系，用于实时防碰撞检测；其中，进行抓斗上设定点的连续实时跟踪，结合载有抓斗的小车中心点的像素坐标实时计算出抓斗下降过程中的摆角。

数据通讯模块：通过读取PLC控制系统发送过来的检测消息指令来执行扫描命令，执行船舱舱侧的检测后，将一系列坐标发送给PLC控制系统，紧接着PLC控制系统接收到船舱信息后，再次发送检测抓斗的位置和判断抓斗与舱侧的相对位置关系，再次执行相应的检测指令，最后再次把抓斗的位置和防碰撞预警处理结果返回给PLC控制系统。

在所述数据采集模块中：通过采用激光扫描仪对船舱和抓斗目标进行扫描后，获取船舱和抓斗的点云特征值；通过采用PCL点云库对点云数据进行分析和处理，建立起点云中各数据点的空间拓扑关系，包括生成停靠在工作区域的整个船舱的三维点云可视化图，确定每个船舱的起始位置、终止位置、船舱宽度、外部形状以及船舱中料堆的高度变化信息；通过采用基于点云的空间拓扑关系，对表面的离群点和冗余点进行滤除，将舱平面和抓斗从点云场景中分割出来，提取点云特征，最后对预处理后的点云进行几何特性进行估算，建立标准的检测模型。

在所述数据处理模块中：通过采用现场点云与模型点云进行配准，在抓料作业中，实时提供靠岸侧、靠海侧的舱侧坐标、抓斗的中心坐标和防碰撞预警信息，并最终生成船舱、抓斗模型三维实时点云图；计算左右舱侧等待检测测物体的笛卡尔坐标信息，最后判断抓斗和船舱两侧的相对位置关系；其中，现场点云根据激光扫描仪的数据解析建立得到，模型点云根据云台数据解析建立得到；通过采用检测抓斗最下方中心点，在抓料过程中，实时提供抓斗的中心坐标的变化来判断抓斗的位置，同时根据抓斗的尺寸类型和舱侧坐标信息来判断两者的相对位置关系；通过采用检测抓斗与船舱的相对位置关系，计算最安全的抓料作业距离，进而判断是否发生碰撞。

在所述数据通讯模块中：通过采用TCP/UDP方式，将碰撞预警信息反馈给卸船机智能化系统，完成防碰撞检测任务。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法模块进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于舱口抓斗摆角实时计算方法，其特征在于，包括：

数据采集步骤：令激光扫描仪接收、解析并执行来自PLC控制系统的激光扫描指令，接收工作现场实时目标物体位置的激光点云数据,形成PLD点云库；对云台和激光扫描仪两者的数据进行解析，整合两者测量数据，建立坐标系，生成测量目标物体的三维坐标信息；

数据处理步骤：通过PLC点云库对现场点云数据进行分析和处理；首先针对初始场景模型点云，进行预处理，即获得舱平面的高度方向Z方向的高度，筛选出冗余点和离散点云，将抓斗从场景中分割出来，提取点云特征，计算所需的坐标；其次对现场点云进行所述预处理，计算船舱的各舱侧坐标信息，得到上下舱侧X坐标、左右舱侧的Y坐标以及抓斗中心坐标；最后根据坐标计算结果判断抓斗和X方向的舱侧的相对位置关系，用于实时防碰撞检测；

其中，进行抓斗上设定点的连续实时跟踪，结合小车中心点的像素坐标实时计算出抓斗下降过程中的摆角。

2.根据权利要求1所述的适用于舱口抓斗摆角实时计算方法，其特征在于，还包括：

数据通讯步骤：通过读取PLC控制系统发送过来的检测消息指令来执行扫描命令，执行船舱舱侧的检测后，将一系列坐标发送给PLC控制系统，紧接着PLC控制系统接收到船舱信息后，再次发送检测抓斗的位置和判断抓斗与舱侧的相对位置关系，再次执行相应的检测指令，最后再次把抓斗的位置和防碰撞预警处理结果返回给PLC控制系统。

3.根据权利要求2所述的适用于舱口抓斗摆角实时计算方法，其特征在于，在所述数据采集步骤中：

通过采用激光扫描仪对船舱和抓斗目标进行扫描后，获取船舱和抓斗的点云特征值；

通过采用PCL点云库对点云数据进行分析和处理，建立起点云中各数据点的空间拓扑关系，包括生成停靠在工作区域的整个船舱的三维点云可视化图，确定每个船舱的起始位置、终止位置、船舱宽度、外部形状以及船舱中料堆的高度变化信息；

通过采用基于点云的空间拓扑关系，对表面的离群点和冗余点进行滤除，将舱平面和抓斗从点云场景中分割出来，提取点云特征，最后对预处理后的点云进行几何特性进行估算，建立标准的检测模型。

4.根据权利要求3所述的适用于舱口抓斗摆角实时计算方法，其特征在于，在所述数据处理步骤中：

通过采用现场点云与模型点云进行配准，在抓料作业中，实时提供靠岸侧、靠海侧的舱侧坐标、抓斗的中心坐标和防碰撞预警信息，并最终生成船舱、抓斗模型三维实时点云图；计算左右舱侧等待检测测物体的笛卡尔坐标信息，最后判断抓斗和船舱两侧的相对位置关系；其中，现场点云根据激光扫描仪的数据解析建立得到，模型点云根据云台数据解析建立得到；

通过采用检测抓斗最下方中心点，在抓料过程中，实时提供抓斗的中心坐标的变化来判断抓斗的位置，同时根据抓斗的尺寸类型和舱侧坐标信息来判断两者的相对位置关系；

通过采用检测抓斗与船舱的相对位置关系，计算最安全的抓料作业距离，进而判断是否发生碰撞。

5.根据权利要求4所述的适用于舱口抓斗摆角实时计算方法，其特征在于，在所述数据通讯步骤中：

通过采用TCP/UDP方式，将碰撞预警信息反馈给卸船机智能化系统，完成防碰撞检测任务。

6.一种适用于舱口抓斗摆角实时计算系统，其特征在于，包括：

数据采集模块：令激光扫描仪接收、解析并执行来自PLC控制系统的激光扫描指令，接收工作现场实时目标物体位置的激光点云数据,形成PLD点云库；对云台和激光扫描仪两者的数据进行解析，整合两者测量数据，建立坐标系，生成测量目标物体的三维坐标信息；

数据处理模块：通过PLC点云库对现场点云数据进行分析和处理；首先针对初始场景模型点云，进行预处理，即获得舱平面的高度方向Z方向的高度，筛选出冗余点和离散点云，将抓斗从场景中分割出来，提取点云特征，计算所需的坐标；其次对现场点云进行所述预处理，计算船舱的各舱侧坐标信息，得到上下舱侧X坐标、左右舱侧的Y坐标以及抓斗中心坐标；最后根据坐标计算结果判断抓斗和X方向的舱侧的相对位置关系，用于实时防碰撞检测；

其中，进行抓斗上设定点的连续实时跟踪，结合小车中心点的像素坐标实时计算出抓斗下降过程中的摆角。

7.根据权利要求6所述的适用于舱口抓斗摆角实时计算系统，其特征在于，还包括：

数据通讯模块：通过读取PLC控制系统发送过来的检测消息指令来执行扫描命令，执行船舱舱侧的检测后，将一系列坐标发送给PLC控制系统，紧接着PLC控制系统接收到船舱信息后，再次发送检测抓斗的位置和判断抓斗与舱侧的相对位置关系，再次执行相应的检测指令，最后再次把抓斗的位置和防碰撞预警处理结果返回给PLC控制系统。

8.根据权利要求7所述的适用于舱口抓斗摆角实时计算系统，其特征在于，在所述数据采集模块中：

通过采用激光扫描仪对船舱和抓斗目标进行扫描后，获取船舱和抓斗的点云特征值；

通过采用PCL点云库对点云数据进行分析和处理，建立起点云中各数据点的空间拓扑关系，包括生成停靠在工作区域的整个船舱的三维点云可视化图，确定每个船舱的起始位置、终止位置、船舱宽度、外部形状以及船舱中料堆的高度变化信息；

通过采用基于点云的空间拓扑关系，对表面的离群点和冗余点进行滤除，将舱平面和抓斗从点云场景中分割出来，提取点云特征，最后对预处理后的点云进行几何特性进行估算，建立标准的检测模型。

9.根据权利要求8所述的适用于舱口抓斗摆角实时计算系统，其特征在于，在所述数据处理模块中：

通过采用现场点云与模型点云进行配准，在抓料作业中，实时提供靠岸侧、靠海侧的舱侧坐标、抓斗的中心坐标和防碰撞预警信息，并最终生成船舱、抓斗模型三维实时点云图；计算左右舱侧等待检测测物体的笛卡尔坐标信息，最后判断抓斗和船舱两侧的相对位置关系；其中，现场点云根据激光扫描仪的数据解析建立得到，模型点云根据云台数据解析建立得到；

通过采用检测抓斗最下方中心点，在抓料过程中，实时提供抓斗的中心坐标的变化来判断抓斗的位置，同时根据抓斗的尺寸类型和舱侧坐标信息来判断两者的相对位置关系；

通过采用检测抓斗与船舱的相对位置关系，计算最安全的抓料作业距离，进而判断是否发生碰撞。

10.根据权利要求9所述的适用于舱口抓斗摆角实时计算系统，其特征在于，在所述数据通讯模块中：

通过采用TCP/UDP方式，将碰撞预警信息反馈给卸船机智能化系统，完成防碰撞检测任务。