基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位系统及方法，其中，系统包括精确定位装置、对位计算机以及无人集卡控制器；精确定位装置，与无人集卡控制器连接，用于实时采集当前集卡的点云观测数据；对位计算机，与无人集卡控制器连接，用于基于预设的起重机特征模板和扩展卡尔曼滤波方法，得到集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差的对位结果；无人集卡控制器，用于根据对位结果中的集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差将集卡与起重机进行精确对位；本发明专利技术能够应用于无人集卡，实现无人集卡和起重机的精确对位，提高了港口的货物运输效率，减少港口运输的人为干预，提高安全性。

Accurate alignment system and method of port unmanned truck crane based on template matching

【技术实现步骤摘要】
基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位系统及方法
本专利技术涉及集卡定位
，尤其涉及一种基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位系统及方法。
技术介绍
随着国际物流业的高速发展，世界范围内集装箱港口的数量与吞吐量持续攀升，港口内的作业强度也不断增加并趋于饱和，传统技术中以有人驾驶的集卡为主的码头水平运输方式越来越难以满足当下对作业效率和强度的需求，港口无人集卡便在这种环境下应运而生。以无人驾驶技术为核心的港口无人集卡在与码头业务对接过程中，如何实现集卡与桥式起重机的精准对位，是保证其能否真正实用的关键条件，对无人集卡在码头实现规模化运营有着重要价值。现有码头的对位系统与对位策略均为面向有人驾驶的集卡，采用在起重机上加装摄像头、激光雷达的感知方式，通过感知集卡的位置，并将行驶过程中的偏差或集卡目标位置通过显示屏或扬声器告知集卡司机，实现对集卡的引导，再由司机控制集卡实现对位，而这类方式操作复杂且本身并不适用于无人集卡。授权公告号为CN103324198B的专利技术专利公开了一种基于计算机视觉技术的集卡定位自动引导系统，包括安装有图像处理软件的主控机、能够实时连接拍摄的摄像设备、用于储存和提供待操作箱信息的服务器以及用于提示司机操作的显示牌，主控机与服务器连接并根据指令从服务器获取信息，主控机由图像处理软件预先设定集卡车定位目标特征及其理论位置，摄像设备摄取现场图像获取目标特征及其实时位置并传输至主控机，由主控机中的图像处理软件对目标特征的实时位置与理论位置进行比较分析，比较结果通过显示牌显示，司机根据显示牌提示完成集卡车定位。该系统只能应用于有人驾驶的集卡，且在实际应用中，由于天气、环境光照等因素的不同，摄像头及图像软件受曝光、阴影、反射光等的影响，容易造成对位不稳定的情况，对全天候作业存在一定影响。授权公告号为CN104528531B的专利技术专利公开了一种集装箱码头RTG、RMG下集卡对位引导系统及方法，采用激光扫描测距仪、LED显示屏和扩音器、高速嵌入式控制器等部件，实现RTG/RMG下集卡对位的自动精确引导。高速嵌入式控制器将激光扫描测距仪沿平行于集装箱车道中心线对集卡车架或者车架上的集装箱进行二维扫描所测数据进行转换、计算、轮廓识别，并据此判断集卡的位置及离龙门吊基准起吊点的偏差距离，同时把集卡偏离起吊点方向、距离信息显示在LED显示屏上，提示集卡司机提前调整集卡停车位置。该系统只能应用于有人驾驶的集卡，且在实际应用过程中，由于系统测量频率、LED显示屏刷新率的问题，导致显示屏显示的提示信息有一定延迟，造成司机在控制集卡的过程中需要对对位提示信息有一定预判(例如在显示屏显示的数值接近目标数值时提前停车，以免因显示延迟造成晚停车的情况)，导致在实际使用时效率提升有限，并且需要司机具备一定经验后才能有迅速效地调整集卡位置。现有技术中的集卡定位均需要人为辅助完成，且定位准确性不高，难以应用于无人集卡，因此港口无人集卡和起重机精确对位方法是函待解决的问题。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种无需人员辅助完成的集卡定位，且定位准确性高，能够应用于无人集卡，实现无人集卡和起重机的精确对位的基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位系统及方法。一种基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位系统，所述系统包括安装在集卡上的精确定位装置、对位计算机以及无人集卡控制器；所述精确定位装置，与所述无人集卡控制器连接，用于实时采集当前集卡的点云观测数据；所述对位计算机，与所述无人集卡控制器连接，用于基于预设的起重机特征模板与所述点云观测数据进行匹配，得到对应的起重机特征模板；获取外部港口作业调度系统向目标作业集卡发送的目标作业信号，将所述目标作业信号转换为所述起重机特征模板下的集卡目标位置；通过扩展卡尔曼滤波方法对点云观测数据和集卡目标位置进行融合定位，得到集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差的对位结果；并将所述对位结果反馈给无人集卡控制器；所述无人集卡控制器，用于根据所述对位结果中的集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差将集卡与起重机进行精确对位。在其中一个实施例中，所述精确定位装置包括激光雷达、惯性测量装置以及里程表传感器；所述激光雷达，通过支架水平安装于集卡顶部的中间位置，与所述对位计算机连接，用于探测在当前集卡下起重机的位置点云，将所述位置点云传输至所述对位计算机；所述惯性测量装置，设置在集卡内部，与所述对位计算机连接，用于采集当前集卡的惯性信息，将所述惯性信息传输至所述对位计算机；所述里程表传感器，设置在集卡内部，与所述对位计算机连接，用于采集当前集卡的里程信息，将所述里程信息传输至所述对位计算机。在其中一个实施例中，所述系统还包括外部智能码头TOS系统；所述外部智能码头TOS系统，与每个所述对位计算机连接，用于通过TOS指令控制每个所述对位计算机运行。相应的，本专利技术还提供一种基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位方法，所述方法包括：通过精确定位装置实时采集当前集卡的点云观测数据；基于预设的起重机特征模板与所述点云观测数据进行匹配，得到对应的起重机特征模板和集卡在起重机特征模板下的虚拟位置；获取外部港口作业调度系统向目标作业集卡发送的目标作业信号，将所述目标作业信号转换为所述起重机特征模板下的集卡目标位置；通过扩展卡尔曼滤波方法对点云观测数据和集卡目标位置进行融合定位，得到集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差的对位结果；根据所述对位结果中的集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差将集卡与起重机进行精确对位。在其中一个实施例中，所述通过精确定位装置实时采集当前集卡的点云观测数据，包括：通过精确定位装置中的激光雷达、惯性测量装置以及里程表传感器实时采集当前集卡的点云观测数据。在其中一个实施例中，所述通过扩展卡尔曼滤波方法对点云观测数据和集卡目标位置进行融合定位，得到集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差的对位结果，包括：通过扩展卡尔曼滤波方法将虚拟位置与对点云观测数据中的惯性信息和里程信息进行融合，将点云匹配结果滤波器的观测值更新，将惯性信息与里程信息结合集卡的运动模型作为滤波器状态预测，融合得到滤波后的起重机坐标系下的集卡实际位置；将所述集卡实际位置转换为与集卡目标位置之间的误差的对位结果。在其中一个实施例中，还包括预先设置起重机特征模板；具体的包括：通过所述精确定位装置采集在集卡在沿预设作业路线运行过程中的起重机空间点云数据；利用迭代最近点算法对起重机空间点云数据进行离线配准，构建采集过程中集卡行径所涉及环境的全局点云地图信息；并对所述全局点云地图信息进行剔除，得到只包含起重机的起重机点云地图数据；通过对起重机点云地图数据进行旋转平移，构建起重机坐标系的相关关系；对所述起重机点云地图数据进行特征提取，并计算所述起重机点云地图数据空间正态分布特征，得到起重机特征模板。在其中一个实施例中，所述方法还包括；在得到起重机特征模板后，将所述起重机特征模板存储至对位计算机。在其中一个实施例中，所述利用迭代最近点算法对起重机空间点云数据进行离线配准，构建采集过程中集卡行径所涉及环境的全局点云地图信息，包括：a、以集卡的起始位置为坐标系原点，将所述精确定位装置中激光雷达采集的第一帧位置点云添加到当前坐标系内，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位系统，其特征在于，所述系统包括安装在集卡上的精确定位装置、对位计算机以及无人集卡控制器；所述精确定位装置，与所述无人集卡控制器连接，用于实时采集当前集卡的点云观测数据；所述对位计算机，与所述无人集卡控制器连接，用于基于预设的起重机特征模板与所述点云观测数据进行匹配，得到对应的起重机特征模板；获取外部港口作业调度系统向目标作业集卡发送的目标作业信号，将所述目标作业信号转换为所述起重机特征模板下的集卡目标位置；通过扩展卡尔曼滤波方法对点云观测数据和集卡目标位置进行融合定位，得到集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差的对位结果；并将所述对位结果反馈给无人集卡控制器；所述无人集卡控制器，用于根据所述对位结果中的集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差将集卡与起重机进行精确对位。

【技术特征摘要】
1.一种基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位系统，其特征在于，所述系统包括安装在集卡上的精确定位装置、对位计算机以及无人集卡控制器；所述精确定位装置，与所述无人集卡控制器连接，用于实时采集当前集卡的点云观测数据；所述对位计算机，与所述无人集卡控制器连接，用于基于预设的起重机特征模板与所述点云观测数据进行匹配，得到对应的起重机特征模板；获取外部港口作业调度系统向目标作业集卡发送的目标作业信号，将所述目标作业信号转换为所述起重机特征模板下的集卡目标位置；通过扩展卡尔曼滤波方法对点云观测数据和集卡目标位置进行融合定位，得到集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差的对位结果；并将所述对位结果反馈给无人集卡控制器；所述无人集卡控制器，用于根据所述对位结果中的集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差将集卡与起重机进行精确对位。2.如权利要求1所述的基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位系统，其特征在于，所述精确定位装置包括激光雷达、惯性测量装置以及里程表传感器；所述激光雷达，通过支架水平安装于集卡顶部的中间位置，与所述对位计算机连接，用于探测在当前集卡下起重机的位置点云，将所述位置点云传输至所述对位计算机；所述惯性测量装置，设置在集卡内部，与所述对位计算机连接，用于采集当前集卡的惯性信息，将所述惯性信息传输至所述对位计算机；所述里程表传感器，设置在集卡内部，与所述对位计算机连接，用于采集当前集卡的里程信息，将所述里程信息传输至所述对位计算机。3.如权利要求1所述的基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位系统，其特征在于，所述系统还包括外部智能码头TOS系统；所述外部智能码头TOS系统，与每个所述对位计算机连接，用于通过TOS指令控制每个所述对位计算机运行。4.一种基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位方法，其特征在于，所述方法包括：通过精确定位装置实时采集当前集卡的点云观测数据；基于预设的起重机特征模板与所述点云观测数据进行匹配，得到对应的起重机特征模板和集卡在起重机特征模板下的虚拟位置；获取外部港口作业调度系统向目标作业集卡发送的目标作业信号，将所述目标作业信号转换为所述起重机特征模板下的集卡目标位置；通过扩展卡尔曼滤波方法对点云观测数据和集卡目标位置进行融合定位，得到集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差的对位结果；根据所述对位结果中的集卡实际位置与集卡目标位置之间的误差将集卡与起重机进行精确对位。5.如权利要求4所述的基于模板匹配的港口无人集卡起重机精确对位方法，其特征在于，所述通过精确定位装置实时采集当前集卡的点云观测数据，包括：通过精确定位装置中...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭林栋，张天雷，何贝，郑思仪，
申请(专利权)人：北京主线科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11