CN117773909B - 一种具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统及方法，包括船闸套缆机械臂、摄像头、图像处理单元、控制单元和通信单元，该方法包括：摄像头采集过闸船舶的图像信息；图像处理单元对图像信息进行处理，提取过闸船舶的特征信息，并根据特征信息识别出过闸船舶的类型、位置、规模和系缆点；控制单元根据识别结果，计算出机械臂的运动参数，并控制机械臂按照运动参数自主套缆；通信单元与过闸船舶的通信设备进行通信，发送或接收相关信息；本发明能够实现机械臂的自主套缆，提高过闸效率和安全性，降低人力成本和误操作风险。
Description
技术领域
本发明涉及船舶通航快速过闸技术领域，具体地指一种具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统及方法。
背景技术
船闸是水运工程中重要的设施之一，它能够使船舶在不同水位之间顺利通行。在过闸过程中，为了保证过闸船舶的稳定性和安全性，需要对过闸船舶进行系缆操作。系缆操作是指将过闸船舶与固定在闸墙上的系缆柱或浮式系缆环等设施连接起来，以防止过闸船舶在灌泄水时受到水流冲击而发生移动或碰撞。传统的系缆操作主要依靠人工进行，即由工作人员利用钩子将过闸船舶上的缆绳套在系缆柱或浮式系缆环上，或者将系缆柱或浮式系缆环上的缆绳抛向过闸船舶，由船员接住并固定在船上。这种人工系缆操作存在以下不足：
1、效率低。人工系缆操作需要工作人员和船员之间进行协调和配合，同时还要考虑过闸船舶的大小、类型、位置、速度等因素，因此耗时较长，影响过闸效率。同时，人工操作难以适应不同类型和规模的船舶，尤其是大型或成组过闸的船舶。
2、安全性差。人工系缆操作存在一定的危险性，如工作人员或船员在系缆过程中可能发生滑倒、摔落、被缆绳绞伤等事故。同时，由于人工操作的误差和不稳定性，过闸船舶可能在灌泄水时发生移动或碰撞，造成船体损坏或人员伤亡。
3、成本高。人工系缆操作需要投入较多的人力资源，增加了过闸的运营成本。
为了解决上述问题，目前已有一些自动化或智能化的船闸运行系统出现，例如江苏首套自动化船闸运行系统，该系统通过布设智能传感网、三维仿真数字孪生系统、船闸辅助自动控制指挥系统等技术手段，实现了船闸少人值守、无人操作、远程监控、自主运行等功能。然而，该系统并没有涉及到套缆环节，仍然需要人工完成套缆操作。同时，为了提高三峡-葛洲坝XTD施工期间船闸稳定的通过能力，针对三峡船型(130大长宽比船型)快速安全实现船队整体同步进闸，采用智能电动推轮置于四艘船舶中间，连接前两艘船舶尾部，连接后两艘船舶头部，组成过闸船队(成组过闸船舶单元)。船队过闸期间船舶不提供动力，依靠智能推轮的动力源控制进出闸速度，实现船队整体同步进闸，以此缩短进出闸所需时间，缩短闸次间隔时间；而进一步提高三峡船型通过三峡船闸和葛洲坝船闸的效率，则需要一种与智能推轮以及阻拦保护装置配合的机械臂，主要用于自动识别并抓取阻拦索套索。在成组过闸船舶的带缆桩(也即智能推轮的带缆桩)到达预定位置时，机械臂固定套索至成组过闸船舶的带缆桩上。然而，由于成组过闸船舶单元的位置、型号、方向等信息可能存在变化，如果采用人工或者固定程序控制机械臂进行套缆作业，可能会导致套缆不准确、不及时或者不安全的问题。
因此，在现有技术水平下，仍然需要一种能够根据成组过闸船舶单元的位置、型号、方向等信息，能够实现自主套缆的机械臂自动识别系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统及方法，能够实现对过闸船舶的类型、位置、规模和过闸船舶成组单元系缆点进行自动识别，并根据识别结果控制机械臂进行自主套缆，以提高过闸效率和安全性，降低人力成本和误操作风险。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统，它包括：
机械臂，设置在闸墙上，机械臂包括机械臂本体、夹持式机械手和旋转装置，其中机械手与机械臂本体连接，用于抓取阻拦索套索；旋转装置与机械臂本体连接，用于控制机械臂本体的旋转角度；
摄像头，设置在闸墙上，用于采集并传输成组过闸船舶的图像信息；
图像处理单元，分别与摄像头和控制单元连接，用于对摄像头采集的图像信息进行分析，识别出成组过闸船舶的位置、类型、规模和系缆点；
控制单元，与机械臂和摄像头连接，用于接收图像处理单元处理好的成组过闸船舶的位置、类型、规模和系缆点，计算并发送控制信号给机械臂，使机械臂能够自动识别并抓取阻拦索套索，并将其固定在成组过闸船舶带缆桩上；
通信单元，与过闸船舶的通信设备进行通信，发送或接收与阻拦索套索相关的信息。
优选地，所述图像处理单元还包括：
图像处理模块，用于对摄像头传输的成组过闸船舶图像信息进行预处理、分割和特征提取操作；
船舶识别模块，用于对图像处理模块输出的成组过闸船舶特征进行匹配和分类，确定成组过闸船舶的位置、类型和规模。
优选地，所述控制单元还包括：
路径规划模块，用于根据船舶识别模块输出的结果，计算机械臂的运动参数和路径；
信号输出模块，用于根据路径规划模块输出的结果，生成并发送控制信号给机械臂。
优选地，所述控制单元还与存储器和显示器连接，存储器用于存储各种类型和规模的成组过闸船舶特征数据和对应的运动参数和路径数据，显示器用于显示系统的工作状态和过程。
优选地，所述通信单元采用无线电或光纤或声波通信方式，与过闸船舶调度指挥的通信设备进行双向或单向的数据传输，以实现信息的同步或反馈；通信单元发送或接收的信息包括套缆开始、结束、暂停、恢复指令，以及成组过闸船舶的状态、意图、需求信息。
优选地，所述机械臂和摄像头的数量均为两台，并分别设置在闸墙的两侧；所述机械臂本体为六自由度的工业机械臂，机械手为夹持式机械手，具有两个可开合的夹爪，能够牢固地抓取阻拦索套索；所述旋转装置为电动旋转装置，能够实现机械臂本体的水平旋转，使其能够在闸墙内外切换位置。
优选地，所述机械臂在非作业状态时，机械臂本体在闸墙以内待机，旋转装置将机械臂本体旋转至垂直于闸墙的方向；机械臂在作业状态时，旋转装置将机械臂本体旋转90度，伸出至闸室内，并通过机械手自动识别并抓取阻拦索套索，并将其固定在成组过闸船舶带缆桩上。
另外，本发明还公开上述具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统的船闸自主套缆方法，它包括以下步骤：
S100：当有成组过闸船舶进入闸室时，启动摄像头拍摄并传输成组过闸船舶的图像信息给图像处理单元；
S200：图像处理单元对图像信息进行处理，提取成组过闸船舶的特征信息，并根据特征信息识别出过成组过闸船舶的类型、位置、规模和系缆点；
S300：控制单元根据图像处里单元的识别结果，计算出机械臂的运动参数，并发送控制信号给机械臂，使其按照运动参数自主套缆；
S400：机械臂根据控制单元发送的控制信号，通过旋转装置将机械臂本体旋转至闸室内，并通过机械手自动识别并抓取阻拦索套索；
S500：当本闸室水位与相邻闸室水位齐平后或者本闸室水位与上下游水位齐平时，闸门开终时，此时满足船舶移泊条件，机械臂再次通过旋转装置将机械臂本体旋转至闸室内，并通过机械手自动释放阻拦索套索；
S600：通信单元与过闸船舶调度指挥的通信设备进行通信，发送或接收相关信息，成组过闸船舶开始在智能推轮的推动下自动移泊至下一个闸室或者完成过闸。
S700：当成组过闸船舶移泊完毕或者过闸完成后，机械臂再次通过旋转装置将机械臂本体旋转至闸室内，并通过机械手自动释放阻拦索套索，随后机械臂将阻拦索套索收回，并将机械臂本体旋转回闸墙内，等待下一次过闸操作。
进一步地，所述步骤S200中，图像处理单元对图像信息进行处理，提取机械臂和过闸船舶的特征信息，并根据特征信息识别出过闸船舶的类型、位置、规模和成组过闸船舶的系缆点；该单元还能够根据图像信息计算出成组过闸船舶的运动速度和方向，采用以下公式：
式中，v是成组过闸船舶的运动速度，Δx是成组过闸船舶在水平方向上的位移，Δx是成组过闸船舶的运动时间，θ是成组过闸船舶的运动方向，Δy是成组过闸船舶在垂直方向上的位移。
进一步地，所述步骤S400中，控制单元还能够根据成组过闸船舶的运动速度和方向以及机械臂的旋转角度和位置，预测出成组过闸船舶带缆桩到达预定位置的时间，并根据该时间发讯启动机械臂，该控制单元采用以下公式进行预测和计算：
式中，t是成组过闸船舶带缆桩到达预定位置的时间，d是成组过闸船舶带缆桩与机械臂之间的距离，v是成组过闸船舶的运动速度，α是机械臂需要旋转的角度，r是机械臂本体的长度。
本发明的有益效果：
1.本发明利用摄像头和图像处理单元实现了对过闸船舶的类型、位置和系缆点的自动识别，无需事先输入过闸船舶的相关信息，并能根据不同类型的过闸船舶进行参数调整，提高了套缆的准确性和灵活性；
2.本发明利用控制单元和通信单元实现了与过闸船舶调度指挥的通信设备交互，能够实时获取或发送与套缆相关的信息，如过闸船舶的状态、意图、需求等，增强了套缆的协调性和安全性；
3.本发明利用自主套缆机械臂实现了对过闸船舶的自主套缆，提高了套缆效率和安全性，降低了人力成本和误操作风险。
附图说明
图1是本发明的具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统的结构示意图；
图2是本发明的船闸自主套缆方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1：如图1所示，一种具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统，它包括：
机械臂1，设置在闸墙上，机械臂1包括机械臂本体、夹持式机械手和旋转装置，其中机械手与机械臂本体连接，用于抓取阻拦索套索2；旋转装置与机械臂本体连接，用于控制机械臂本体的旋转角度；通过上述机械臂的联动来实现对成组过闸船舶进行套缆操作；
摄像头3，设置在闸墙上，用于采集并传输成组过闸船舶的图像信息；
图像处理单元4，分别与摄像头3和控制单元5连接，用于对摄像头3采集的图像信息进行分析，识别出成组过闸船舶的位置、类型、规模和系缆点；图像处理单元4可以采用深度学习、机器视觉、模式识别等技术，对图像信息进行分析、分类、匹配等操作，以提高识别的准确性和效率；
控制单元5，与机械臂1和摄像头3连接，用于接收图像处理单元4处理好的成组过闸船舶的位置、类型、规模和系缆点，计算并发送控制信号给机械臂1，使机械臂1能够自动识别并抓取阻拦索套索2，并将其固定在成组过闸船舶带缆桩9上；
通信单元6，与过闸船舶的通信设备进行通信，发送或接收与阻拦索套索2相关的信息。
优选地，所述图像处理单元4还包括：
图像处理模块41，用于对摄像头3传输的成组过闸船舶图像信息进行预处理、分割和特征提取操作；
船舶识别模块42，用于对图像处理模块41输出的成组过闸船舶特征进行匹配和分类，确定成组过闸船舶的位置、类型和规模。
优选地，所述控制单元5还包括：
路径规划模块51，用于根据船舶识别模块42输出的结果，计算机械臂1的运动参数和路径；
信号输出模块52，用于根据路径规划模块51输出的结果，生成并发送控制信号给机械臂1。
优选地，所述控制单元5还与存储器7和显示器8连接，存储器7用于存储各种类型和规模的成组过闸船舶特征数据和对应的运动参数和路径数据，显示器8用于显示系统的工作状态和过程。
优选地，所述通信单元6采用无线电或光纤或声波通信方式，与过闸船舶调度指挥的通信设备10进行双向或单向的数据传输，以实现信息的同步或反馈；通信单元6发送或接收的信息包括套缆开始、结束、暂停、恢复指令，以及成组过闸船舶的状态、意图、需求信息。
优选地，所述机械臂1和摄像头3的数量均为两台，并分别设置在闸墙的两侧；所述机械臂本体为六自由度的工业机械臂，机械手为夹持式机械手，具有两个可开合的夹爪，能够牢固地抓取阻拦索套索2；所述旋转装置为电动旋转装置，能够实现机械臂本体的水平旋转，使其能够在闸墙内外切换位置。
优选地，所述机械臂1在非作业状态时，机械臂本体在闸墙以内待机，旋转装置将机械臂本体旋转至垂直于闸墙的方向；机械臂1在作业状态时，旋转装置将机械臂本体旋转90度，伸出至闸室内，并通过机械手自动识别并抓取阻拦索套索2，并将其固定在成组过闸船舶带缆桩9上。
实施例2：如图2所示，本发明还公开上述具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统的船闸自主套缆方法，它包括以下步骤：
S100：当有成组过闸船舶进入闸室时，启动摄像头3拍摄并传输成组过闸船舶的图像信息给图像处理单元4；
S200：图像处理单元4对图像信息进行处理，提取成组过闸船舶的特征信息，并根据特征信息识别出过成组过闸船舶的类型、位置、规模和系缆点；
S300：控制单元5根据图像处里单元4的识别结果，计算出机械臂1的运动参数，并发送控制信号给机械臂1，使其按照运动参数自主套缆；在本实施例中，运动参数包括船闸套缆机械臂的旋转角度、伸缩长度、抓取力度等，可以根据过闸船舶的类型、位置和系缆点，以及机械臂的初始状态，采用运动学、动力学、优化算法等技术，进行计算和优化，以实现最佳的套缆效果。
S400：机械臂1根据控制单元5发送的控制信号，通过旋转装置将机械臂本体旋转至闸室内，并通过机械手自动识别并抓取阻拦索套索2；
S500：当本闸室水位与相邻闸室水位齐平后或者本闸室水位与上下游水位齐平时，闸门开终时，此时满足船舶移泊条件，机械臂1再次通过旋转装置将机械臂本体旋转至闸室内，并通过机械手自动释放阻拦索套索2；
S600：通信单元6与过闸船舶调度指挥的通信设备10进行通信，发送或接收相关信息，成组过闸船舶开始在智能推轮的推动下自动移泊至下一个闸室或者完成过闸。
S700：当成组过闸船舶移泊完毕或者过闸完成后，机械臂1再次通过旋转装置将机械臂本体旋转至闸室内，并通过机械手自动释放阻拦索套索2，随后机械臂1将阻拦索套索2收回，并将机械臂本体旋转回闸墙内，等待下一次过闸操作。该步骤中，本实施例的机械手可采用视觉传感器和力传感器进行阻拦索套索的识别和释放。视觉传感器用于检测阻拦索套索的位置和形状，力传感器用于控制机械手的释放力度和稳定性。
进一步地，所述步骤S200中，图像处理单元4对图像信息进行处理，提取机械臂1和过闸船舶的特征信息，并根据特征信息识别出过闸船舶的类型、位置、规模和成组过闸船舶的系缆点；该单元还能够根据图像信息计算出成组过闸船舶的运动速度和方向，采用以下公式：
式中，v是成组过闸船舶的运动速度，Δx是成组过闸船舶在水平方向上的位移，Δt是成组过闸船舶的运动时间，θ是成组过闸船舶的运动方向，Δy是成组过闸船舶在垂直方向上的位移。
进一步地，所述步骤S400中，控制单元5还能够根据成组过闸船舶的运动速度和方向以及机械臂的旋转角度和位置，预测出成组过闸船舶带缆桩9到达预定位置的时间，并根据该时间发讯启动机械臂，该控制单元5采用以下公式进行预测和计算：
式中，t是成组过闸船舶带缆桩9到达预定位置的时间，d是成组过闸船舶带缆桩9与机械臂之间的距离，v是成组过闸船舶的运动速度，α是机械臂需要旋转的角度，r是机械臂本体的长度。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统的船闸自主套缆方法，所述具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统包括：
机械臂（1），设置在闸墙上，机械臂（1）包括机械臂本体、夹持式机械手和旋转装置，其中机械手与机械臂本体连接，用于抓取阻拦索套索（2）；旋转装置与机械臂本体连接，用于控制机械臂本体的旋转角度；
摄像头（3），设置在闸墙上，用于采集并传输成组过闸船舶的图像信息；
图像处理单元（4），分别与摄像头（3）和控制单元（5）连接，用于对摄像头（3）采集的图像信息进行分析，识别出成组过闸船舶的位置、类型、规模和系缆点；
控制单元（5），与机械臂（1）和摄像头（3）连接，用于接收图像处理单元（4）处理好的成组过闸船舶的位置、类型、规模和系缆点，计算并发送控制信号给机械臂（1），使机械臂（1）能够自动识别并抓取阻拦索套索（2），并将其固定在成组过闸船舶的带缆桩（9）上；
通信单元（6），与过闸船舶的通信设备进行通信，发送或接收与阻拦索套索（2）相关的信息；
所述图像处理单元（4）包括：
图像处理模块（41），用于对摄像头（3）传输的成组过闸船舶图像信息进行预处理、分割和特征提取操作；
船舶识别模块（42），用于对图像处理模块（41）输出的成组过闸船舶特征进行匹配和分类，确定成组过闸船舶的位置、类型和规模；
其特征在于：它包括以下步骤：
S100：当有成组过闸船舶进入闸室时，启动摄像头（3）拍摄并传输成组过闸船舶的图像信息给图像处理单元（4）；
S200：图像处理单元（4）对图像信息进行处理，提取成组过闸船舶的特征信息，并根据特征信息识别出过成组过闸船舶的类型、位置、规模和系缆点；
S300：控制单元（5）根据图像处里单元（4）的识别结果，计算出机械臂（1）的运动参数，并发送控制信号给机械臂（1），使其按照运动参数自主套缆；
S400：机械臂（1）根据控制单元（5）发送的控制信号，通过旋转装置将机械臂本体旋转至闸室内，并通过机械手自动识别并抓取阻拦索套索（2）；
S500：当本闸室水位与相邻闸室水位齐平后或者本闸室水位与上下游水位齐平时，闸门开终时，此时满足船舶移泊条件，机械臂（1）再次通过旋转装置将机械臂本体旋转至闸室内，并通过机械手自动释放阻拦索套索（2）；
S600：通信单元（6）与过闸船舶调度指挥的通信设备（10）进行通信，发送或接收相关信息，成组过闸船舶开始在智能推轮的推动下自动移泊至下一个闸室或者完成过闸；
S700：当成组过闸船舶移泊完毕或者过闸完成后，机械臂（1）再次通过旋转装置将机械臂本体旋转至闸室内，并通过机械手自动释放阻拦索套索（2），随后机械臂（1）将阻拦索套索（2）收回，并将机械臂本体旋转回闸墙内，等待下一次过闸操作。
2.根据权利要求1所述具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统的船闸自主套缆方法，其特征在于：所述控制单元（5）还包括：
路径规划模块（51），用于根据船舶识别模块（42）输出的结果，计算机械臂（1）的运动参数和路径；
信号输出模块（52），用于根据路径规划模块（51）输出的结果，生成并发送控制信号给机械臂（1）。
3.根据权利要求1所述具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统的船闸自主套缆方法，其特征在于：所述控制单元（5）还与存储器（7）和显示器（8）连接，存储器（7）用于存储各种类型和规模的成组过闸船舶特征数据和对应的运动参数和路径数据，显示器（8）用于显示系统的工作状态和过程。
4.根据权利要求1所述具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统的船闸自主套缆方法，其特征在于：所述通信单元（6）采用无线电或光纤或声波通信方式，与过闸船舶调度指挥的通信设备（10）进行双向或单向的数据传输，以实现信息的同步或反馈；通信单元（6）发送或接收的信息包括套缆开始、结束、暂停、恢复指令，以及成组过闸船舶的状态、意图、需求信息。
5.根据权利要求1所述具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统的船闸自主套缆方法，其特征在于：所述机械臂（1）和摄像头（3）的数量均为两台，并分别设置在闸墙的两侧；所述机械臂本体为六自由度的工业机械臂，机械手为夹持式机械手，具有两个可开合的夹爪，能够牢固地抓取阻拦索套索（2）；所述旋转装置为电动旋转装置，能够实现机械臂本体的水平旋转，使其能够在闸墙内外切换位置。
6.根据权利要求1所述具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统的船闸自主套缆方法，其特征在于：所述机械臂（1）在非作业状态时，机械臂本体在闸墙以内待机，旋转装置将机械臂本体旋转至垂直于闸墙的方向；机械臂（1）在作业状态时，旋转装置将机械臂本体旋转90度，伸出至闸室内，并通过机械手自动识别并抓取阻拦索套索（2），并将其固定在成组过闸船舶的带缆桩（9）上。
7.根据权利要求1所述具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统的船闸自主套缆方法，其特征在于：所述步骤S200中，图像处理单元（4）对图像信息进行处理，提取机械臂（1）和过闸船舶的特征信息，并根据特征信息识别出过闸船舶的类型、位置、规模和成组过闸船舶的系缆点；该单元还能够根据图像信息计算出成组过闸船舶的运动速度和方向，采用以下公式：
式中，是成组过闸船舶的运动速度，/>是成组过闸船舶在水平方向上的位移，/>是成组过闸船舶的运动时间，/>是成组过闸船舶的运动方向，/>是成组过闸船舶在垂直方向上的位移。
8.根据权利要求1所述具备自动识别功能的船闸自主套缆机械臂系统的船闸自主套缆方法，其特征在于：所述步骤S400中，控制单元（5）还能够根据过闸船舶的运动速度和方向以及机械臂的旋转角度和位置，预测出成组过闸船舶的带缆桩（9）到达预定位置的时间，并根据该时间发讯启动机械臂，该控制单元（5）采用以下公式进行预测和计算：
式中，是成组过闸船舶的带缆桩（9）到达预定位置的时间，/>是成组过闸船舶的带缆桩（9）与机械臂之间的距离，/>是成组过闸船舶的运动速度，/>是机械臂需要旋转的角度，/>是机械臂本体的长度。
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| Publication number | Publication date |
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