基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制系统及方法，控制系统包括设置在大车上的小车，以及设置在小车上的3D激光和吊具，在小车的司机室中设置场桥PLC和控制器，在大车的联系梁上设置有电气房，其中：所述场桥PLC将吊具的起升编码器数据和小车的实时坐标数据发送给控制器，所述3D激光将采集的激光点云数据发送给控制器，所述控制器对3D激光和场桥PLC提供的数据进行融合，对小车进行实时定位、计算吊具的实时位置、实时速度和集装箱顶面的角点坐标值，并在发生碰撞危险时向场桥PLC发出控制指令，对当前贝位和相邻贝位的集装箱进行防碰撞保护。本发明专利技术不必使用特定的标识物，系统结构更为简洁。系统结构更为简洁。系统结构更为简洁。

【技术实现步骤摘要】
基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制系统及方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着我国智慧港口建设的持续推进，作为场桥中的重要机械：轮胎式集装箱门式起重机(RTG)和轨道式集装箱门式起重机(RMG)，其作业安全和效率也有了更高的要求。在场桥集装箱装卸作业时，由于司机室的位置相对较高，受照明条件的限制以及吊具及其负载集装箱对司机视野的遮挡影响，使得司机在作业过程中存在视野盲区，无法及时判断下方集装箱的堆码情况。特别是在吊具负载集装箱的情况下，当司机在没有及时观察到集装箱堆码的箱高的情况时，很容易出现吊具及其负载集装箱与堆场内当前作业贝位码放的集装箱以及左右相邻贝位码放的集装箱发生碰撞事故，导致更多集装箱的倾倒，进而造成货物的损失，同时给人身安全带来巨大的隐患。
[0003]目前，现有的集装箱码头RTG/RMG防碰撞控制系统及方法主要有：
[0004]1)基于GNSS定位和TOS作业指令信息的场桥防碰撞系统，该类系统主要是通过利用差分定位技术(RTK)对大车位置进行定位，根据大车位置从码头的TOS系统中获取当前堆场作业贝位的集装箱堆码信息，然后结合小车和吊具的编码器信息，判断吊具及其负载集装箱与当前作业贝位集装箱堆码轮廓的位置关系，进而通过控制RTG/RMG起升和小车的运行速度，实现防碰撞保护。该方法依赖的GNSS数据极易受堆场集装箱、岸桥及码头高大建筑物等物体的遮挡导致定位数据不准，系统无法工作；同时当码头TOS系统中的集装箱堆码信息与实际不符时，系统也无法正确防护；并且无法实现相邻贝位集装箱的防碰撞保护。
[0005]2)基于单个或者多个2D激光扫描仪的场桥防碰撞系统，该系统通过在RTG/RMG上装设标识物实现对2D激光扫描仪的定位，进而通过2D激光扫描仪扫描的本贝位集装箱轮廓数据实现对集装箱堆码信息的获取，然后结合RTG/RMG自身的小车和起升编码器数据判断吊具及其负载集装箱和本贝位集装箱堆码轮廓的位置关系，进而通过控制RTG/RMG起升和小车的运行速度，实现防碰撞保护。该方法需要在RTG/RMG自身机构上安装固定特征的标识物，不易实施的同时可能会对RTG/RMG设备自身机构运动产生影响；另该方法采用2D激光扫描仪无法获取邻贝位集装箱的堆码信息，进而也无法实现相邻贝位集装箱的防碰撞保护。
[0006]3)利用单个2D激光和单个或多个3D激光作为主要传感器的防撞系统，该类方法在利用2D激光的方案基础上增加3D激光用于对邻贝位集装箱轮廓信息进行扫描，进而再实现本贝位防撞保护的同时实现邻贝的防撞保护，但该方法在对小车进行定位时，仍需要在RTG/RMG自身机构上安装固定特征的标识物，同时该方法通过叠加传感器，极大增加了系统的成本。
[0007]基于以上情况，本专利技术以3D激光作为主要传感器，充分利用3D激光感知范围大的优点，提出基于3D激光的LiDAR SLAM的方法，对RTG/RMG的小车进行实时定位，实现不依赖特征标识物的同时有效控制硬件成本，实现对RTG/RMG堆场本贝位和相邻贝位集装箱的防撞保护。

技术实现思路

[0008]为了克服现有技术的上述缺点，本专利技术提出了一种基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制系统及方法。
[0009]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制系统，包括设置在大车上的小车，以及设置在小车上的3D激光和吊具，在小车的司机室中设置场桥PLC和控制器，在大车的联系梁上设置有电气房，其中：所述场桥PLC将吊具的起升编码器数据和小车的实时坐标数据发送给控制器，所述3D激光将采集的激光点云数据发送给控制器，所述控制器对3D激光和场桥PLC提供的数据进行融合，对小车进行实时定位、计算吊具的实时位置、实时速度和集装箱顶面的角点坐标值，并在发生碰撞危险时向场桥PLC发出控制指令，对当前贝位和相邻贝位的集装箱进行防碰撞保护。
[0010]本专利技术还提供了一种基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制方法，包括如下步骤：
[0011]步骤一、3D激光的参数标定；
[0012]步骤二、集装箱堆场RTG/RMG小车的实时定位；
[0013]步骤三、集装箱顶面角点的提取；
[0014]步骤四、根据实时定位的小车位置信息和场桥PLC发送的吊具起升编码器的值计算吊具的实时位置和实时速度，利用提取出的集装箱顶面角点的坐标值进行判断，在发生碰撞危险时向场桥PLC发出控制指令，对当前贝位和相邻贝位的集装箱进行防碰撞保护。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的积极效果是：
[0016]本专利技术在对于RTG/RMG的小车实时定位时不再使用GNSS技术以及具有特定特征的标识物，而是采用改进的LOAM算法实现对小车的实时定位，同时实现本贝和邻贝的防碰撞保护。本专利技术的系统结构更为简洁，没有使用特定的标识物，避免了额外的成本开销。
附图说明
[0017]本专利技术将通过实例并参照附图的方式说明，其中：
[0018]图1是本专利技术系统的整体安装结构主视框图；
[0019]图2是本专利技术中RTG/RMG小车运动结构侧视框图；
[0020]图3是本专利技术的基于标靶球的激光外参标定；
[0021]图4是本专利技术中基于激光LiDAR SLAM小车定位算法流程图；
[0022]图5是本专利技术中点云数据处理算法主要流程图。
具体实施方式
[0023]本专利技术提出了一种基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制系统及方法，所用到的3D激光个数至少为一台，可安装在小车的底部。两台为最佳，可安装在小车底部的左、右两侧，一前、一后安装。多台时，可根据现场实际情况进行安装。本专利技术解决上述系统问题所采用的技术方案是：首先，利用标靶球检测的方法配准两台3D激光获得外参数据：旋转矩阵R3×3和平移矩阵T3×1。将两台3D激光数据配准到同一个坐标系下，并将所有点云数据偏移到小车中心。其次，根据配准和偏移之后的点云数据，利用改进的LOAM(Lidar Odometry and Mapping in Real
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time.)算法对小车进行实时定位，计算得到小车实时位置。再次，对点云
数据进行处理，利用平面检测的方法提取集装箱的顶面数据并计算顶面的四个角点信息，利用集装箱的长度、宽度等信息剔除掉干扰的面数据。最后，根据实时计算的集装箱顶面的角点坐标值、小车的位置信息、场桥PLC发送的吊具起升编码器的值，对当前贝位和相邻贝位的集装箱进行防碰撞保护。
[0024]下面将结合本专利技术中的附图对本专利技术中的系统进行具体的描述，本实例以两台3D激光进行实验说明：
[0025]图1、图2为本专利技术的基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制系统的整体安装结构框图，包括：大车1、小车2、第一台3D激光3、集装箱4、司机室5、场桥PLC 6、吊具7、控制器8、第二台3D激光9、电气房10、联系梁11等，其中：第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制系统，其特征在于：包括设置在大车上的小车，以及设置在小车上的3D激光和吊具，在小车的司机室中设置场桥PLC和控制器，在大车的联系梁上设置有电气房，其中：所述场桥PLC将吊具的起升编码器数据和小车的实时坐标数据发送给控制器，所述3D激光将采集的激光点云数据发送给控制器，所述控制器对3D激光和场桥PLC提供的数据进行融合，对小车进行实时定位、计算吊具的实时位置、实时速度和集装箱顶面的角点坐标值，并在发生碰撞危险时向场桥PLC发出控制指令，对当前贝位和相邻贝位的集装箱进行防碰撞保护。2.根据权利要求1所述的基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制系统，其特征在于：所述3D激光安装在小车的底部。3.根据权利要求1所述的基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制系统，其特征在于：所述3D激光为两台，以吊具为中心成对角线安装在小车的底部。4.一种基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、3D激光的参数标定；步骤二、集装箱堆场RTG/RMG小车的实时定位；步骤三、集装箱顶面角点的提取；步骤四、根据实时定位的小车位置信息和场桥PLC发送的吊具起升编码器的值计算吊具的实时位置和实时速度，利用提取出的集装箱顶面角点的坐标值进行判断，在发生碰撞危险时向场桥PLC发出控制指令，对当前贝位和相邻贝位的集装箱进行防碰撞保护。5.根据权利要求4所述的基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制方法，其特征在于：步骤一中对3D激光的内参的标定方法为：对采集的无集装箱堆场的地面点云数据进行平面拟合，得到拟合平面的法线，再根据法线计算俯仰角和翻滚角；对3D激光的外参的标定方法为：在堆场内设置四个标靶球，3D激光通过激光扫描线获得堆场内的标靶球点云数据，以一台3D激光作为基准，另一台3D激光作为被配准对象，通过两两计算旋转、平移矩阵，得到堆场中统一的坐标数据。6.根据权利要求4所述的基于3D激光的集装箱码头场桥防碰撞控制方法，其特征在于：步骤二中对小车的实时定位方法包括：第一步、对两台激光获取的点云数据进行配准，并将配准之后的点云数据偏移到小车中心点处；第二步、对配准和偏移之后的点云数据进行滤波处理，得到可用点云数据；第三步、对可用点云数据进行特征提取，获得电气房、联系梁的平面点和边缘...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，
申请(专利权)人：北京国泰星云科技有限公司，
类型：发明
国别省市：