CN206915592U - 基于集装箱箱区轮廓三维识别的吊具安全防撞系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于集装箱箱区轮廓三维识别的吊具安全防撞系统，包括3D激光单元和2D激光扫描仪，3D激光单元包括嵌入式控制器和分别与嵌入式控制器连接的激光扫描仪、电机驱动器和双DGPS差分定位系统，嵌入式控制器与RTG/RMG电控系统进行双向通信。本实用新型利用带有定位定姿功能的实时3D激光单元，结合2D激光扫描仪，通过对3D激光点云数据的计算、箱区轮廓三维识别、小车定位和2D激光平面数据的快速反馈实时识别本贝位的箱区轮廓及吊具的空间位置，有效解决了集装箱码头RTG/RMG在场区进行抓卸箱作业时，吊具与作业区域内本贝位以及邻贝位集装箱堆的实时位置检测，全面避免吊具碰撞事故的发生。

Description

基于集装箱箱区轮廓三维识别的吊具安全防撞系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于集装箱箱区轮廓三维识别的吊具安全防撞系统，应用在集装箱码头的轮胎式集装箱起重机(下简称RTG)和轨道式集装箱起重机(下简称RMG)，通过对集装箱码头箱区轮廓三维识别结合RTG(或RMG)工况状态判断和吊具位置识别，最终实现吊具相对于整个集装箱区的在三维空间的实时安全防撞功能。

背景技术

当前国内集装箱码头在发展自动化的过程中都遇到需要对堆场中的集装箱进行高精度地识别和定位。而采用2D激光扫描仪或现有的3D激光装置虽然能在一定程度上描绘出扫描面内的箱区轮廓，但是无法实现邻近位置的集装箱位置和姿态信息的检测。

在使用2D激光扫描仪进行目标物体识别和位置检测过程中，由于2D激光只能在一个扫描面内实现激光扫描，所以只能对扫描目标物的某一个截面进行检测。而通常情况下，扫描目标物体表面并非规则形状，如果只对某一个截面进行扫描和识别，无法得到完整表面信息。而且现有的3D激光产品都为国外公司生产的利用多线激光或双棱镜反射技术实现的整套性的产品，如果应用这些3D激光产品来对集装箱进行识别和定位，获取的数据稀疏，对目标物体扫描和识别存在较大的误差，无法满足应用的需要。抑或采取长时间静止扫描的方式，获取准确的轮廓信息，又无法满足码头作业高效率，高实时性的吊具保护需求。

发明内容

本实用新型克服了现有技术中的缺点，提供了一种基于集装箱箱区轮廓三维识别的吊具安全防撞系统。

本实用新型的技术方案是：一种基于集装箱箱区轮廓三维识别的吊具安全防撞系统，包括设置在小车平台下方的3D激光单元和2D激光扫描仪，所述3D激光单元包括嵌入式控制器和分别与嵌入式控制器连接的激光扫描仪、电机驱动器和双DGPS差分定位系统，所述电机驱动器与伺服电机连接，所述激光扫描仪设置在转动云台上，转动云台通过联轴器与伺服电机的减速器连接；激光扫描仪通过数据线与嵌入式控制器连接，用于接受嵌入式控制器发出的指令进行扫描，并将扫描的数据实时传输给嵌入式控制器；所述电机驱动器通过信号线与嵌入式控制器连接，用于接受嵌入式控制器发出的指令控制伺服电机带动云台转动；所述双DGPS差分定位系统通过数据线与嵌入式控制器连接，用于将检测到的3D激光单元整体的位置变化信息和姿态变化信息传送给嵌入式控制器；

所述2D激光扫描仪通过数据线与3D激光单元的嵌入式控制器连接，用于对RTG/RMG下方进行轮廓扫描，并将扫描的数据实时传输给嵌入式控制器；

所述3D激光单元的嵌入式控制器与RTG/RMG电控系统进行双向通信，获得RTG/RMG的工作状态信息，并向RTG/RMG电控系统发送吊具在集装箱区的保护命令。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：利用带有定位定姿功能的实时3D激光单元，结合2D激光扫描仪，通过对3D激光点云数据的计算、箱区轮廓三维识别、小车定位和2D激光平面数据的快速反馈实时识别本贝位的箱区轮廓及RTG/RMG吊具的空间位置，有效地解决了集装箱码头RTG/RMG在场区进行抓卸箱作业时，吊具与作业区域内本贝位以及邻贝位集装箱堆的实时位置检测，从而全面避免吊具的碰撞事故的发生。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本吊具安全防撞系统的逻辑框图；

图2为场桥作业时系统各个扫描面俯视图；

图3为3D追踪扫描示意图；

图4为2D激光扫描仪的扫描数据示意图；

图5为3D激光单元的扫描数据示意图。

具体实施方式

一种基于集装箱箱区轮廓三维识别的吊具安全防撞系统，如图1所示，包括：2D激光扫描仪、3D激光单元、RTG/RMG电控系统PLC，其中：

3D激光单元包括嵌入式控制器和分别与嵌入式控制器连接的激光扫描仪、电机驱动器、双DGPS差分定位系统等；所述电机驱动器与伺服电机连接，所述激光扫描仪设置在转动云台上，转动云台通过联轴器与伺服电机的减速器连接；激光扫描仪通过数据线与嵌入式控制器连接，用于将实时扫描的集装箱的二维数据传输给嵌入式控制器，同时按嵌入式控制器发出的控制命令进行三维扫描；所述电机驱动器通过信号线与嵌入式控制器连接，用于接受嵌入式控制器发出的指令控制伺服电机带动云台在垂直方向上转动；所述双DGPS差分定位系统通过数据线与嵌入式控制器连接，用于将检测到的3D激光单元整体的位置变化信息和姿态变化信息传送给嵌入式控制器。

2D激光扫描仪负责以25hz的频率，对RTG/RMG下方进行轮廓扫描，通过3D激光单元的网络交换机将扫描数据传送到3D激光单元的嵌入式控制器。

RTG/RMG电控系统PLC以不低于2hz的频率和3D激光单元的嵌入式控制器进行双向通信，接收当前吊具的防撞信息及减速停止信息，同时向3D激光单元的嵌入式控制器发送当前RTG/RMG的大车编码器、小车编码器、吊具尺寸及旋锁状态等信息。

所述3D激光单元和2D激光扫描仪均安装于RTG/RMG小车平台下方，3D激光单元安装于吊具中线位置正前方离吊具边沿20CM处，使3D激光单元的激光扫描面与小车方向垂直，2D激光扫描仪安装于吊具中线偏2米左右位置，并使2D激光扫描面平行小车方向且与地面垂直，且2D激光能够最大范围扫描到下方集装箱与吊具，而不受司机室平台的遮挡，如图2所示。

2D激光扫描仪与3D激光单元的激光扫描仪扫描得到的所有激光数据通过3D激光单元内置的网络交换机汇集到3D激光单元的嵌入式控制器中。嵌入式控制器通过对3D激光内的激光扫描仪扫描得到的点数据进行实时处理，获取堆码集装箱的轮廓，同时通过对外部的2D激光扫描仪的激光数据进行处理获取实时的吊具位置与堆码箱在小车方向激光扫描面投影的相对位置关系，从而可进行防撞的预判；3D激光单元的嵌入式控制器与RTG/RMG电控系统PLC系统通过网络或者其他通信手段进行数据交换，获得RTG/RMG当前的工作状态，并向其PLC发送吊具在集装箱区的保护命令，由PLC最终向执行机构(RTG/RMG大车变频器、小车变频器、起升变频器等)发送控制指令。

本实用新型的工作原理是：

一、在大车运动过程中，当大车运动到一个新的贝位后，还未完成当前贝位的全面扫描轮廓前，或者吊具闭锁吊起一个集装箱时，3D激光单元的激光扫描仪对RTG/RMG附近的3个40尺贝位的所有集装箱(激光两侧各18米)进行3D快速扫描，其1秒钟的时间内可完成平行于大车方向的扫描角度最大可达180度，其小车方向的扫描角度最大可达60度。并且以每40毫秒的时间(25Hz)处理一次扫描数据(包括大车下方集装箱轮廓、吊具及所吊箱轮廓的点云数据)。

在小车运动过程中，3D激光单元的嵌入式控制器根据吊具高度对激光扫描仪进行实时扫描位置调整，对吊具当前高度上小车行进方向的保护距离位置进行3D追踪扫描，实时观测在吊具行进方向上，其所在高度作业箱区3个相邻的贝位(当前贝位与左、右相邻贝位)是否有集装箱对吊具的行进路线形成干涉：

3D追踪扫描是指在当前贝位轮廓及相邻贝位的轮廓都已在快速扫描过程中获取后，只要当前贝位不变，3D激光单元的激光扫描仪就不再持续摆动扫描，而是使扫描面倾斜一个前置角度θ对向吊具前方，对吊具前方的集装箱轮廓进行防撞保护检测。

如图3所示，在小车运动过程中，3D激光单元以3D追踪扫描方式工作，可根据吊具的高度Δh，计算出3D激光单元的云台转动角度θ：

使激光保持对吊具防撞距离D进行扫描，获得小车行进方向，防撞保护区域的本贝位和邻贝位的激光扫描点。

在3D激光单元进行3D数据采集的过程中，3D激光单元的姿态扭转及位置变化始终由其集成的双DGPS差分定位系统完成。

二、2D激光扫描仪以25hz的频率，沿小车运动方向进行扫描，获得2D激光扫描仪和小车相对于大车和集装箱的实时位置，计算获得本贝位箱区截面轮廓信息和吊具空间位置信息；

三、3D激光单元的嵌入式控制器控制3D激光单元的激光扫描仪以每1秒钟的时间完成一次对3D激光单元纵向(即平行于小车行驶方向)0°～60°，横向(即大车行驶方向)-5°～185°范围的三维扫描。

其原始数据为3D激光单元在不同的转动平面的二维激光扫描测距数据。如果以激光扫描角度分辨率为0.1667度，那么在一次3D激光单元扫描周期，将得到激光扫描范围-5°～185°内，共1141个激光点，其获得形式为：

{d₀，d₁，d₂…d₁₁₄₁} (2)

根据极坐标与直角坐标系转换原理，每一个扫描点在本次激光扫描平面中的坐标为：

x’_n＝d_n×cos(n×0.1667-5) (3)

y’_n＝d_n×sin(n×0.1667-5) (4)

如果此时，3D激光转动云台相对于初始位置旋转了θ°，则融合3D激光编码器数据后，可获得原点为激光中心，大车行驶方向为x轴，小车行驶方向为y轴，吊具起升方向z轴的3D数据：

x”_n＝x’_n； (5)

y”_n＝y’_n×sinθ； (6)

z”_n＝y’_n×cosθ； (7)

集成于3D激光单元的双DGPS差分定位系统，通过两个安装于小车顶部的GPS天线，获得两个GPS天线在大地坐标系中的空间坐标{x_g1，y_g1，z_g1}和{x_g2，y_g2，z_g2}。在空间中，其中一个天线用于定位，另一个用于测向。定位天线在每两个GPS数据周期(100ms)，获取移动位移差，依据定位天线与3D激光单元初始安装位移，可换算为3D激光单元位移差{Δx,Δy,Δz}。而测向天线坐标与定位天线坐标在空间中的与各个轴向的夹角，依据定位天线到测向天线连接的直线与3D激光单元的初始安装角度差，换算为{Δα，Δβ，Δγ}。

在RTG实际作业过程中，由于大车和小车方向的运动，激光始终处于运动状态。为了解决激光原点移动问题，通过3D激光扫描仪内部集成的双DGPS差分定位系统，实现对3D激光单元的高精度定位定姿，在每100ms时间内获得3D激光单元的三轴位移{Δx,Δy,Δz}以及三轴转动角度{Δα，Δβ，Δγ}。获得3D激光单元随小车运动时的动态原点的3D点云数据：

x_n＝(x”_n+Δx)cosΔα (8)

y_n＝(y”_n+Δy)cosΔβ (9)

z_n＝(z”_n+Δz)cosΔγ (10)

2D激光扫描仪沿小车运动方向进行扫描，获得集装箱区截面的2D扫描数据，并根据公式(2)至(4)，换算直角坐标系下坐标。通过PLC的小车编码器，对其进行定位，完成其动态坐标系平移和数据对齐。

PLC数据中：小车绝对值编码器的位置结合吊具起升绝对值编码器的位置以及吊具与3D激光单元的安装位置关系，计算吊具中心的实时空间坐标；小车速度编码器和吊具起升速度编码器，获得吊具在空间中两个轴向的运动趋势；通过吊具闭锁和着箱传感器，获得吊具当前的作业状态。

四、在本系统工作状态下，3D激光单元对箱区实时扫描过程中，获得箱区轮廓点云数据。首先对点云原始数据进行滤波算法，以清除杂乱点防止其对后续数据处理造成的影响，其具体步骤为：

第一步：计算输入点云(总点数N)的K(邻近点个数)均值，其中第i个点p_i的K均值d_i的计算公式为

第二步：计算输入点云的K均值标准差

第三步：根据设定的标准差系数μ和邻近点数K，判定检测点p_i是否为野点(离群点)，满足条件则为野点，进行滤除。

d_i>μσ (13)

之后再依据上一节中的步骤转换激光点云数据，以获得绝对坐标系下每一个激光点的{x_n，y_n，z_n}。

在此基础上，开始进行空间中的点云分割，依据随机采样一致性分割法，对点云数据中的直线和平面进行聚类。

分割平面方法：

第一步：从输入点云随机采样最小数据量(3个数据点)确定平面，并计算该平面的系数A、B、C、D；其中3个数据点分别为p₁(x₁,y₁,z₁)、p₂(x₂,y₂,z₂)、p₃(x₃,y₃,z₃)；则

Ax+By+Cy+D＝0

第二步：计算与第一步获得的平面对应的内部点集和外部点集，点p_i满足与平面的距离d_i小于设定阈值d即为内部点M；

第三步：迭代重复前两步，找到具有足够多内部点的平面；为提高精度，PCL库中添加了对寻找最优平面的误差评估参数，以及确定最优平面后，可再次用内部点对平面系数进行进一步的估计。

分割直线方法：

第一步：从输入点云中随机采样最小数据量(2个数据点)确定直线，并计算该直线的系数A、B、C、D、E、F；其中2个数据点分别为p₁(x₁,y₁,z₁)、p₂(x₂,y₂,z₂)；则

第二步：计算与第一步获得的直线对应的内部点集和外部点集，点p_i满足与直线的距离d_i小于设定阈值d即为内部点M；

第三步：迭代重复前两步，找到具有足够多内部点的直线；为提高精度，PCL库中添加了对寻找最优直线的误差评估参数，以及确定最优直线后，可再次用内部点对直线系数进行进一步的估计。

最终通过计算可以包围输入所有点的最小凸多边形，然后提取多边形的顶点即为点云的轮廓点。保存集装箱区的各个箱位轮廓点。

在3D激光进行计算的过程中，2D激光始终保持实时扫描状态，对当前作业贝位截面进行轮廓描述，弥补在集装箱堆放层数较高的状态下，3D激光单元无法及时获取完成贝位数据的情况，对3D激光单元的轮廓识别进行实时性补充。见图4。

通过PLC数据获取吊具中心的实时动态位置，在空间中，使用数学立方体对吊具进行建模，并结合吊具当前小车轴向及起升轴向的速度，判断吊具与集装箱区轮廓是否会发生碰撞。依据判断的结果，3D激光单元中的嵌入式控制器向RTG/RMG的PLC系统发送减速或停车命令，以达到吊具在箱区内防撞的功能。

Claims (4)

1.一种基于集装箱箱区轮廓三维识别的吊具安全防撞系统，其特征在于：包括设置在小车平台下方的3D激光单元和2D激光扫描仪，所述3D激光单元包括嵌入式控制器和分别与嵌入式控制器连接的激光扫描仪、电机驱动器和双DGPS差分定位系统，所述电机驱动器与伺服电机连接，所述激光扫描仪设置在转动云台上，转动云台通过联轴器与伺服电机的减速器连接；激光扫描仪通过数据线与嵌入式控制器连接，用于接受嵌入式控制器发出的指令进行扫描，并将扫描的数据实时传输给嵌入式控制器；所述电机驱动器通过信号线与嵌入式控制器连接，用于接受嵌入式控制器发出的指令控制伺服电机带动云台转动；所述双DGPS差分定位系统通过数据线与嵌入式控制器连接，用于将检测到的3D激光单元整体的位置变化信息和姿态变化信息传送给嵌入式控制器；

所述2D激光扫描仪通过数据线与3D激光单元的嵌入式控制器连接，用于对RTG/RMG下方进行轮廓扫描，并将扫描的数据实时传输给嵌入式控制器；

所述3D激光单元的嵌入式控制器与RTG/RMG电控系统进行双向通信，获得RTG/RMG的工作状态信息，并向RTG/RMG电控系统发送吊具在集装箱区的保护命令。

2.根据权利要求1所述的基于集装箱箱区轮廓三维识别的吊具安全防撞系统，其特征在于：所述3D激光单元安装于吊具中线位置正前方离吊具边沿20CM处，所述2D激光扫描仪安装于吊具中线偏2米位置。

3.根据权利要求1所述的基于集装箱箱区轮廓三维识别的吊具安全防撞系统，其特征在于：所述3D激光单元的激光扫描面与小车方向垂直；所述2D激光扫描仪的激光扫描面平行小车方向且与地面垂直。

4.根据权利要求1所述的基于集装箱箱区轮廓三维识别的吊具安全防撞系统，其特征在于：所述双DGPS差分定位系统包括两个安装于小车顶部的GPS天线，其中一个天线用于定位，另一个用于测向。