CN117446538A - 一种卸船机的连续取料控制方法 - Google Patents

Abstract

涉及料堆卸料技术领域的一种卸船机的连续取料控制方法，包含以下步骤：S1、对整个料堆进行扫描，建立初始料堆三维结构；S2、根据初始料堆三维结构、卸料船体平衡要求和抓斗抓取要素，进行料堆分层，并规划按层抓取的卸船整体路径，设置卸船完毕条件；S3、建立当前层最优抓取算法流程；S4、结合当前层最优抓取算法流程和卸船整体路径进行抓斗连续抓取取料，直至卸船完毕为止；该连续取料控制方法，通过优化抓取点，合理规划抓取卸料路径，提高了连续取料的效率和安全性。

Description

一种卸船机的连续取料控制方法

技术领域

本发明涉及料堆卸料技术领域，尤其是涉及一种卸船机的连续取料控制方法。

背景技术

抓斗卸船机是在港口用来完成船舶与车辆之间的装卸起重运输机械，为适应散货运量持续增长以及船舶大型化的需求，特别是码头的大型专业化，传统手工作业已经不能满足现代化大型作业的要求，港口抓斗卸船机也正在向着安全、髙效、智能化的方向发展，所以，如何实现自动化和智能化作业和优化作业过程，改善作业条件，提高作业效率成为一种新的研究方向；

公告号为CN116161443A的中国发明专利公开了一种无人化抓斗卸船机卸船作业方法，虽然也能够依据船舱内堆积物料的扫描识别结果，规划出卸船作业流程，可靠的完成无人化卸船作业，但其重点考虑的是抓斗埋斗风险和抓斗防撞风险，对于抓斗卸船效率提升不明显，对于卸料的安全性考虑也不够全面。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，解决现有的技术问题，本发明公开了一种卸船机的连续取料控制方法，通过优化抓取点，合理规划抓取卸料路径，提高了连续取料的效率和安全性。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种卸船机的连续取料控制方法，包含以下步骤：S1、对整个料堆进行扫描，建立初始料堆三维结构；S2、根据初始料堆三维结构、卸料船体平衡要求和抓斗抓取要素，进行料堆分层，并规划按层抓取的卸船整体路径，设置卸船完毕条件；S3、建立当前层最优抓取算法流程，包含以下步骤：a、选取料堆当前列最优抓取点；b、输出目标抓取点坐标；c、控制卸船机抓斗完成取料；d、扫描当前列；e、对料堆三维结构进行局部表面恢复；f、判断当前列是否抓取完毕，如果否，返回步骤a，否则执行下一步；g、判断当前层是否抓取完毕，如果否，控制大车移动抓取下一列，并返回步骤d，如果是，结束当前层抓取；S4、结合当前层最优抓取算法流程和卸船整体路径进行抓斗连续抓取取料，直至卸船完毕为止。

进一步，将三维扫描装置与抓斗并排安装于卸船机小车，即能够跟随小车移动完成当前列的扫描，也能够配合卸船机大车完成全局扫描。

进一步，在S2中，从初始料堆三维结构中得到料堆总高度R，卸料船体平衡要求是指保证卸船过程中，舱内料堆重心保持位于船体纵轴附近，用以确定料堆分层层数系数k；抓斗抓取要素包含抓斗满斗深度r、抓斗投影面积，以及避免抓斗底部碰撞船体而定义的盲区距离d；则料堆每层厚度为L=max((R-d)/k，r)；若所有层都抓取完毕或者剩余部分平均高度已经小于抓斗盲区距离d，则认为卸船完成。

进一步，在S2中，卸船整体路径是指，卸船机大车首先位于起始点，然后小车通过扫描料堆，判断当前列是否抓取完毕，抓取完毕后，计算大车移动距离并移动大车至下一列，直到当前层都抓取完毕后，此时大车又从当前位置变成起始位置，重复上述抓取过程，直至每层都抓取完毕。

进一步，在S3中第f小步，能够先通过三维图像门限处理获取剥离区域，然后判断剥离区域面积是否小于1/3抓斗投影面积，如果小于，返回步骤a，否则执行下一步。

进一步，在S3中第a小步，最优抓取点从当前列料堆的峰值区域进行选择，选取最高的峰值区域。

进一步，当抓斗铰接结构具有中央顶部横梁时，会对抓斗下沉产生额外阻力，需要修正峰值区域的抓取点，以达到最大浸入深度。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明公开的卸船机的连续取料控制方法，考虑到船体负载平衡问题和抓斗安全作业要求等，对料堆进行优化分层，并合理规划卸船路径，在保证卸料顺畅的同时，提高了卸船的安全性；且通过取料算法，优化抓取点，大大提高了卸船机的卸料效率，为卸船机实现智能化、自动化连续卸料提供了关键技术支持。

附图说明

图1是本发明抓斗下放各参数距离示意图；

图2是本发明料堆分层示意图；

图3是本发明当前层最优抓取算法流程图；

图4是本发明抓取目标区域分布对比图；

图5是本发明卸船取料路径算法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行说明，在描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系，仅是与本发明的附图对应，为了便于描述本发明，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：

本发明的卸船机的连续取料控制方法，包含以下步骤：

步骤一，如图1所示，对整个料堆进行扫描，建立初始料堆三维结构；具体是将三维扫描装置与抓斗并排安装于卸船机小车，即能够跟随小车移动完成当前列的扫描，也能够配合卸船机大车完成全局扫描；三维扫描料堆为现有技术，三维扫描装置能够采用激光雷达传感器或者摄像头等等，而采用多种不同扫描类型的传感器融合的方法也能够提高三维扫描的准确性和可靠性。

步骤二，根据初始料堆三维结构、卸料船体平衡要求和抓斗抓取要素，进行料堆分层，并规划按层抓取的卸船整体路径，设置卸船完毕条件；散货料堆分层主要是解决船体负载平衡问题，保持船体平衡，防止船身倾翻；

如图2所示，从初始料堆三维结构中得到料堆总高度R，卸料船体平衡要求是指保证卸船过程中，舱内料堆重心保持位于船体纵轴附近，用以确定料堆分层层数系数k，分层层数越多，每层厚度越小，那么单位抓取列的重量就越小，越不容易发生重心偏移，但是抓取次数会增多，影响抓取效率，每层厚度大于等于抓斗满斗深度r才能保证每次抓斗能够尽量满斗，因此，综合抓斗满斗深度r，需要对层数系数k进行估值，一般k取整数3或4；抓斗抓取要素包含抓斗满斗深度r、抓斗投影面积，以及避免抓斗底部碰撞船体而定义的盲区距离d，盲区距离d也是抓斗下放的极限；则料堆每层厚度为L=max((R-d)/k，r)，厚度L能够作为每层是否抓取完毕的评判标准；若所有层都抓取完毕或者剩余部分平均高度已经小于抓斗盲区距离d，则认为卸船完成，实际上在设置每一层抓取深度时已经考虑了抓斗盲区距离的影响，因此该条件可以简化为只要所有层都抓取完毕，则认为卸船完成；

卸船整体路径是指，卸船机大车首先位于起始点，然后小车通过扫描料堆，判断当前列是否抓取完毕，抓取完毕后，计算大车移动距离并移动大车至下一列，直到当前层都抓取完毕后，此时大车又从当前位置变成起始位置，重复上述抓取过程，直至每层都抓取完毕；具体的算法流程如图5所示。

步骤三，如图3所示，建立当前层最优抓取算法流程，包含以下步骤：

a、选取料堆当前列最优抓取点；

基本逻辑为，需要对当前列每一个扫描位置进行综合评估，通过图像计算出当前位置的抓取效率估计值，将效率最高的一个位置输出作为当前抓斗将要进行取料的位置点；

一般最优抓取点从当前列料堆的峰值区域进行选择，优选最高的峰值区域；但是根据需要，当抓斗铰接结构具有中央顶部横梁时，会对抓斗下沉产生额外阻力；散货料堆本身对浸入的抓斗存在较大阻力导致抓斗不能完全沉入料堆中，所以抓斗浸入深度与抓斗自重及形状有关系；相同浸入深度情况下，表面隆起的地方显然可以抓到更多的料，从而获得更高的抓取效率，如图4所示；同时需要考虑抓斗顶部横梁的影响，需要根据横梁距离料堆距离来对抓斗浸入深度进行修正；由于顶部配重横梁的存在使得料堆对抓斗下沉产生额外阻力，使得抓斗并不能够完全达到额定的浸入深度，因此模拟实际抓取情况如图4中第二个与第四个抓斗位置所示，第四个抓斗对应的料堆峰值点较高，而第二个抓斗料堆峰值点较低，但是相同的浸入距离第二个抓斗却可以获得更高的抓取量，因此效率更高；

b、输出目标抓取点坐标；

c、控制卸船机抓斗完成取料；

d、扫描当前列；

e、对料堆三维结构进行局部表面恢复；因为实际操作中不可能每次都进行非常耗时的全局范围的扫描，并且抓斗取料时往往仅影响局部很小的一个区域，因此也没有必要对全部进行更新扫描，只需要在局部位置处进行重建，使用重建结果表面来替换掉原有的表面，抓取过程中实时更新扫描；

f、判断当前列是否抓取完毕，如果否，返回步骤a，否则执行下一步；

判断当前列是否抓取完毕的基本逻辑是，通过计算该列所有位置的平均厚度，看是否达到层取厚度要求；

具体能够先通过三维图像门限处理获取剥离区域，然后判断剥离区域面积是否小于1/3抓斗投影面积，如果小于，返回步骤a，否则执行下一步；门限处理是一种常见的图像处理技术，它通过设定一个阈值，将图像中的像素分为两类，比如黑白或前景背景，这个阈值的选择通常取决于具体的应用和图像特性，通过传感器如激光雷达或摄像头，获取的图像数据进行门限处理，就可以得到料堆的剥离区域，同时根据当前表面重建情况计算当前层最大剥取深度，并利用该深度作为门限对表面进行分割处理，获取剥取位置分布图；取料点的选择可能受到剥取区域面积与抓斗投影面积的比例的影响；具体而言，只有当剥取区域的面积小于抓斗投影面积的三分之一时，才认为当前位置是合适的取料点，这可以确保抓斗在每次取料时都覆盖了足够的区域，从而提高取料的效率；

g、判断当前层是否抓取完毕，如果否，控制大车移动抓取下一列，并返回步骤d，如果是，结束当前层抓取；当大车行进方向上直到船船两端任何一列都抓取完毕则认为当前层抓取完毕。

步骤四，结合当前层最优抓取算法流程和卸船整体路径进行抓斗连续抓取取料，直至卸船完毕为止。

本发明未详述部分为现有技术，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将上述实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求内容。

Claims (7)

1.一种卸船机的连续取料控制方法，其特征是：包含以下步骤：

S1、对整个料堆进行扫描，建立初始料堆三维结构；

S2、根据初始料堆三维结构、卸料船体平衡要求和抓斗抓取要素，进行料堆分层，并规划按层抓取的卸船整体路径，设置卸船完毕条件；

S3、建立当前层最优抓取算法流程，包含以下步骤：

a、选取料堆当前列最优抓取点；

b、输出目标抓取点坐标；

c、控制卸船机抓斗完成取料；

d、扫描当前列；

e、对料堆三维结构进行局部表面恢复；

f、判断当前列是否抓取完毕，如果否，返回步骤a，否则执行下一步；

g、判断当前层是否抓取完毕，如果否，控制大车移动抓取下一列，并返回步骤d，如果是，结束当前层抓取；

S4、结合当前层最优抓取算法流程和卸船整体路径进行抓斗连续抓取取料，直至卸船完毕为止。

2.根据权利要求1所述的卸船机的连续取料控制方法，其特征是：将三维扫描装置与抓斗并排安装于卸船机小车，即能够跟随小车移动完成当前列的扫描，也能够配合卸船机大车完成全局扫描。

3.根据权利要求1所述的卸船机的连续取料控制方法，其特征是：在S2中，从初始料堆三维结构中得到料堆总高度R，卸料船体平衡要求是指保证卸船过程中，舱内料堆重心保持位于船体纵轴附近，用以确定料堆分层层数系数k；抓斗抓取要素包含抓斗满斗深度r、抓斗投影面积，以及避免抓斗底部碰撞船体而定义的盲区距离d；则料堆每层厚度为L=max((R-d)/k，r)；若所有层都抓取完毕或者剩余部分平均高度已经小于抓斗盲区距离d，则认为卸船完成。

4.根据权利要求1所述的卸船机的连续取料控制方法，其特征是：在S2中，卸船整体路径是指，卸船机大车首先位于起始点，然后小车通过扫描料堆，判断当前列是否抓取完毕，抓取完毕后，计算大车移动距离并移动大车至下一列，直到当前层都抓取完毕后，此时大车又从当前位置变成起始位置，重复上述抓取过程，直至每层都抓取完毕。

5.根据权利要求1所述的卸船机的连续取料控制方法，其特征是：在S3中第f小步，能够先通过三维图像门限处理获取剥离区域，然后判断剥离区域面积是否小于1/3抓斗投影面积，如果小于，返回步骤a，否则执行下一步。

6.根据权利要求1所述的卸船机的连续取料控制方法，其特征是：在S3中第a小步，最优抓取点从当前列料堆的峰值区域进行选择，选取最高的峰值区域。

7.根据权利要求6所述的卸船机的连续取料控制方法，其特征是：当抓斗铰接结构具有中央顶部横梁时，会对抓斗下沉产生额外阻力，需要修正峰值区域的抓取点，以达到最大浸入深度。