貨櫃碼頭岸橋下的船舶輪廓識別和吊具防撞系統及方法與流程
2023-05-31 09:33:41
本發明涉及一種貨櫃碼頭岸橋下的船舶輪廓識別和吊具防撞系統及方法。
背景技術：
岸邊橋式起重機是貨櫃碼頭作業的重要機械，其效率、安全、作業正確性對碼頭作業有著重要影響。岸邊橋式起重機具有吊具鋼索長、起升和小車速度快的特點。在船舶上方作業時，由於司機看不清下方情況，可能會出現著箱過快導致箱損，甚至與船上結構發生碰撞造成損失。同時，由於岸邊橋式起重機作業時追求效率，司機連續作業，有時會因為人為失誤導致貨櫃裝錯位置，由此引發倒箱作業影響效率，甚至導致貨櫃發往錯誤目的地，造成經濟、時間損失。同時，由於船舶作業時受到潮汐漲落、纜繩鬆弛、配重變化等影響，會發生晃動、漂離岸邊(離幫)等現象，對作業產生安全影響。目前市場上針對堆場內的貨櫃堆碼輪廓掃描系統，利用雷射掃描儀對堆場內碼垛的貨櫃輪廓進行掃描，建立了堆碼貨櫃輪廓，可以實現堆場內龍門起重機的防撞和排位識別，防止撞箱或堆碼錯誤的發生，但該系統針對堆場內龍門起重機，不適用於岸邊橋式起重機。國外的船舶輪廓掃描系統，利用雷射掃描儀對船舶輪廓進行掃描，實現防撞功能，但功能較為單一，且成本較高。
技術實現要素：
為了克服現有技術的缺點，本發明提供了一種貨櫃碼頭岸橋下的船舶輪廓識別和吊具防撞系統及方法，利用雷射掃描、自動控制領域的最新技術，結合船舶作業計劃，旨在解決以下問題:(1)防止岸邊橋式起重機作業過程中吊具及其吊掛貨櫃與船體、船上建築和貨物碰撞；(2)通過識別船上排位和吊具位置，防止由於指揮手或司機人為失誤引起的裝船位置錯誤；(3)對船舶晃動、離幫等危險情況進行監測報警。本發明所採用的技術方案是：一種貨櫃碼頭岸橋下的船舶輪廓識別和吊具防撞系統，包括控制器和分別與控制器連接的岸橋PLC控制系統、雷射掃描儀和顯示器或報警裝置；所述雷射掃描儀用於接收控制器發出的掃描控制指令，對船舶輪廓和貨櫃的堆碼輪廓進行連續掃描，並交將掃描數據傳送給控制器；所述岸橋PLC控制系統用於將編碼器信息和吊具的開閉鎖狀態數據發送給控制器，並接收控制器發送的控制指令；所述控制器用於對接收到的掃描數據和狀態數據進行運算和處理，得到船舶輪廓信息和運算結果，並將運算結果發送給顯示器進行顯示或發送給報警裝置進行報警提示。本發明還提供了一種貨櫃碼頭岸橋下的船舶輪廓識別方法，包括如下步驟：步驟一、初始化雷射掃描儀安裝參數和岸橋結構參數：雷射掃描儀安裝參數包括安裝高度、安裝傾角、雷射到吊具距離；岸橋結構參數包括鞍梁高度、鞍梁寬度、鞍梁距離、大梁前端高度、大梁到前鞍梁距離；步驟二、利用雷射掃描儀安裝參數，以雷射掃描儀的安裝位置為原點，將雷射掃描極坐標數據轉換到雷射直角坐標系；步驟三、以岸橋前鞍梁中點在雷射直角坐標系x軸上的投影為原點，將雷射直角坐標數據轉換到大車直角坐標系：(1)確定前鞍梁在雷射直角坐標系內的位置：1)區域內尋找特徵：首先在鞍梁高度上下50cm內尋找特徵為水平線段且長度固定的鞍梁特徵；然後在大梁高度上下50cm內尋找特徵為豎直線段且高度固定大梁前端特徵；最後在吊具後方尋找特徵為邊沿雷射射線長度突變的吊具特徵；2)特徵匹配校核：a)若利用上一時刻計算出的有效的雷射掃描儀位置推算出的前鞍梁位置附近50cm內存在鞍梁特徵線段，則該線段為前鞍梁；b)若利用上一時刻計算出的有效的雷射掃描儀位置推算出的後鞍梁位置附近50cm內存在鞍梁特徵線段，則此線段為後鞍梁；c)若利用上一時刻計算出的有效的雷射掃描儀位置推算出的大梁前端位置附近50cm內存在大梁前端特徵線段，則此線段為大梁前端；d)如果a)、b)、c)都不滿足，若存在兩個鞍梁特徵線段間距接近鞍梁間距，則該兩個鞍梁特徵線段為兩側鞍梁；(2)將前鞍梁在雷射直角坐標系下的位置取反得到雷射掃描儀在大車直角坐標系中的位置OffsetX；(3)將雷射直角坐標通過平移變換成大車直角坐標，平移距離為OffsetX；步驟四、將雷射當前幀數據加入到歷史幀數組中進行數據拼接，得到船舶輪廓：(1)將岸橋下空間劃分為5cm見方的格子，將不同時刻雷射掃描幀內的雷射點落在格子內形成的格點圖進行累加拼接；(2)利用編碼器信息結合掃描到的岸橋的輪廓，對數據進行劃分得到船上點，對所有船上點進行統計，找出其在格點圖中對應的位置，即為船舶輪廓。本發明進一步提供了一種利用船舶輪廓識別方法進行吊具排位識別的方法，求出所有船上點中x坐標最大的點和x坐標最小的點，從而得到船的兩側邊緣位置，兩側邊緣位置取中點即得到船體中心位置；根據碼頭作業系統TOS獲取的船型信息，即可求得知船艙的總排數和排位分布；根據吊具的位置求得當前吊具所在的排位，若當前吊具所在的排位與TOS給出的當前作業的目標排不一致，則發出當前作業排位不正確的報警提示。本發明還進一步提供了一種利用船舶輪廓識別方法實現吊具防撞的方法，對尋找到的吊具特徵進行匹配校核識別出吊具位置，結合編碼器位置確定的吊具高度，若二者相減差距小於50cm即認為吊具位置識別正確；然後對雷射數據建立的障礙物地圖進行遍歷，如果障礙物與吊具之間的距離小於設定的安全距離，則進行減速控制。本發明還進一步提供了一種利用船舶輪廓識別方法實現船舶傾斜角度報警的方法，其特徵在於：對船上結構的上平面進行直線擬合，求得直線斜率，對斜率求正切即得到船舶傾斜角度，當傾斜角度大於設定的安全角度時，則進行船艙傾斜報警提示。本發明還進一步提供了一種利用船舶輪廓識別方法實現船舶離幫報警的方法，對船兩側邊沿進行水平位置跟蹤，計算出當前船舶中心到岸邊距離，當距離發生明顯變化，大於設定的偏離值時，則進行船艙離幫報警提示。與現有技術相比，本發明的積極效果是：通過對現有的船舶輪廓掃描系統進行改進，應用最新的雷射掃描輪廓識別技術，通過識別船上排位和吊具位置，防止由於指揮手或司機人為失誤引起的裝船位置錯誤；同時能對船舶晃動、離幫等危險情況進行監測報警；並通過應用最新雷射掃描儀產品降低了成本。具體表現如下：1.採用雷射掃描儀對船舶輪廓進行完整掃描；2.對船舶輪廓進行分析，求得排位分布；結合碼頭作業系統給出的信息，判斷當前作業排位是否正確；3.對船舶位置和形狀特徵持續監測，檢測傾斜和離幫。附圖說明本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中：圖1是本發明的結構示意圖；圖2是本發明的坐標系定義示意圖；圖3為船舶和吊具等的輪廓圖。具體實施方式一種貨櫃碼頭岸橋下的船舶輪廓識別和吊具防撞系統，如圖1所示，包括岸橋(岸邊橋式起重機)1、大臂2、小車駕駛室3、吊具4、小車5、鞍梁6、貨櫃船體7、船上建築8、船上貨櫃9、岸邊10、雷射掃描儀11、雷射掃描光束12等。所述小車5設置在岸橋1的大臂2上，在小車駕駛室3內裝有控制器及其所需電源、岸橋PLC控制系統和顯示器，所述控制器分別與顯示器和岸橋PLC控制系統連接；所述雷射掃描儀11安裝在小車5前部，並通過數據和電源電纜與小車駕駛室3內的控制器連接，雷射掃描儀11接受控制器發出的信號對吊具和船舶輪廓進行掃描，並將掃描數據傳送給控制器進行數據處理。控制器的功能是實現雷射掃描儀的控制和數據採集、船型輪廓的識別和防碰撞運算等功能，並通過與PLC接口實現信息的獲取和控制命令的下發。PLC為岸橋的核心電氣控制設備，負責將小車編碼器、起升編碼器、吊具的開閉鎖狀態等信息發送給控制器，並接收控制器的指令實現控制的執行。雷射掃描儀11對其正下方進行連續掃描，可以獲取船上貨櫃9的堆碼輪廓和貨櫃船體7的船型輪廓等掃描數據。掃描數據經過控制器處理後，形成可靠的船型輪廓信息。雷射掃描儀包括但不限於二維雷射掃描儀/雷射雷達和三維雷射掃描儀/雷射雷達。由於輪船位置和輪廓不會突變，因此利用歷史信息對雷射盲區進行補全，並能檢測輪船晃動。一、船舶輪廓識別方法如下：步驟一、初始化安裝和結構參數雷射安裝參數包括安裝高度、安裝傾角、雷射到吊具距離；結構參數包括鞍梁高度、鞍梁寬度、鞍梁距離、大梁前端高度、大梁到前鞍梁距離等。步驟二、將雷射掃描極坐標數據轉換到雷射直角坐標系：首先利用雷射掃描儀的安裝參數，以雷射掃描儀的安裝位置為坐標系原點，將雷射掃描極坐標數據轉換到笛卡爾坐標系(直角坐標系)：x＝radial*cos(angle-AngleOffset)；y＝radial*sin(angle-AngleOffset)；其中，x、y表示笛卡爾坐標系中雷射掃描點位置，radial、angle表示極坐標下掃描點到雷射掃描儀距離和角度，AngleOffset表示雷射安裝角度補償值。步驟三、將雷射直角坐標數據轉換到岸橋直角坐標系：本系統主要用到兩個坐標系，雷射坐標系和岸橋坐標系(即大車坐標系)，如圖2所示：其中，雷射坐標系O1以雷射掃描儀為原點，水平方向朝向大臂前端為x軸正方向，豎直向上為y軸正方向。上述步驟二坐標轉換出來的雷射數據點坐標為此坐標系下數值。由於雷射安裝在小車上，隨小車移動，而船舶輪廓與岸橋本體之間相對不動，因此為了後續計算，需要將雷射點坐標轉換到與岸橋固定不動的坐標系O2下。岸橋坐標系x軸和y軸的方向與雷射坐標系平行，原點選取為前鞍梁中點在雷射坐標系x軸上的投影。因此，從雷射坐標繫到岸橋坐標系的轉換，只需要平移一個雷射到前鞍梁的水平距離，此距離定義為OffsetX。(1)確定前鞍梁在雷射坐標系內位置：直接尋找明顯的前鞍梁特徵；或者找到後鞍梁、利用前、後鞍梁的固定距離得到；或者尋找大梁前端，利用大梁前端到前鞍梁的固定距離得到前鞍梁位置；或者找到間距接近鞍梁間距的兩個鞍梁得到。具體的方法如下：1)區域內尋找特徵首先在鞍梁高度附近(上下50cm內)尋找鞍梁特徵，其特徵為水平線段，長度固定；然後在大梁高度範圍附近(上下50cm內)尋找大梁前端，其特徵為豎直線段，高度固定；最後在吊具後方尋找吊具特徵，其特徵為邊沿雷射射線長度突變。2)特徵匹配校核由於岸橋結構固定不變，因此鞍梁、大梁前端之間位置相對固定。選取前鞍梁為坐標原點，結合上一次計算出的雷射掃描儀位置OffsetX，對找到的特徵進行匹配和多餘特徵的剔除。具體來說，如果上一時刻計算出過有效的雷射掃描儀位置OffsetX(與PLC位置核對誤差小於50cm為有效)，且利用此雷射位置推算出的前鞍梁位置附近50cm內存在鞍梁線段，則此線段為前鞍梁；如果上一時刻計算出過有效的雷射掃描儀位置OffsetX(與PLC位置核對誤差小於50cm為有效)，且利用此雷射位置推算出的後鞍梁位置附近50cm內存在鞍梁線段，則此線段為後鞍梁；如果上一時刻計算出過有效的雷射掃描儀位置OffsetX(與PLC位置核對誤差小於50cm為有效)，且利用此雷射位置推算出的大梁前端位置附近50cm內存在大梁前端線段，則此線段為大梁前端；如果以上都不滿足，若有兩個鞍梁線段間距接近鞍梁間距(即：誤差不超過50cm)，則其為兩側鞍梁。(2)雷射掃描儀與前鞍梁相對位置計算(作用是為了對吊具和船舶輪廓進行區分，以排除吊具點對輪廓的影響)匹配完成後，根據前鞍梁位置，計算雷射掃描儀在岸橋坐標系x軸方向的位置。雷射掃描儀位置即等於前鞍梁在雷射直角坐標系下的位置取反。(3)將雷射直角坐標通過平移變換成大車直角坐標：每個雷射點相對岸橋坐標系的位置也可以求出，計算方法為：雷射點在岸橋坐標系下的x＝雷射點在雷射坐標系下的x-雷射到前鞍梁距離OffsetX；步驟四、通過雷射數據拼接得到船舶輪廓：由於不同時刻雷射視野不同，下方障礙物會被遮擋。因此要對雷射數據進行拼接，組成完整輪廓信息。當前幀數據轉換到岸橋坐標系後，將當前幀數據加入到雷射數據歷史幀數組中，因此可以針對輪廓圖中的格點進行坐標點累加拼接。具體拼接方法為，首先將岸橋下空間劃分為格點圖，每個小格子寬度為5cm。每個格子有佔用或不佔用兩種狀態。如果當前雷射掃描幀內有雷射點落在格子內，則格子置為佔用狀態。這樣，不同時刻的雷射數據在格點圖內形成累加拼接，補全了單幀數據的視野殘缺。由於開閉鎖導致提放箱，會引起船舶輪廓變化，因此當檢測到吊具開閉鎖，則對此時吊具所在位置附近(吊具中心點x前後150CM)的格點清零，重新累計雷射點。利用編碼器信息結合掃描到的岸邊橋式起重機的輪廓，可以對數據進行分割，劃分為船上點和地面點。劃分方法為，從鞍梁位置開始，向海測方向查找第一個高度超過鞍梁的點，此點往前所有點劃分為船上點。對船上點進行統計，求x坐標的最大最小值，可以得到船的兩側邊緣位置。兩側邊緣位置取中點，即為船舶中心。對所有船上點進行統計，找出其在格點圖中對應的位置，即為船舶輪廓，如圖3所示。二、吊具排位識別方法：利用第一部分識別出的船舶兩側邊緣位置即能得到船體(即兩側邊緣之間的部分)，從而求得船體中心位置。由於船上排位劃分依據的是距離船體中心的距離，因此可以根據預先通過碼頭作業系統TOS獲取的船型信息，得知此船總排數和排位分布。根據排位分布，可以知道每排距離船中心的位置，因此當知道吊具位置，就可以求得當前吊具所在的排位。TOS中還可以獲得當前作業的目標排，與當前吊具所在排比較，如果所在排位不正確，系統可以通過聲光提示或控制吊具旋鎖的方式防止將貨櫃放在錯誤排位。排位計算公式為：P＝floor(|D|/Dis)*2(雙數側)和P＝floor(|D|/Dis)*2+1(單數側)。其中，P代表排號，floor代表向下取整，D代表吊具到船中心位置，Dis代表排間距。其中雙單數由船舶方向決定，需要提前輸入。三、防撞實現方法如下：1、結合編碼器位置，對雷射識別出的吊具特徵進行匹配校核。前述已經根據吊具特徵(與雷射的x方向距離一定，切邊沿雷射射線長度突變)識別出了吊具位置，通過編碼器可以得出吊具鋼纜長度即吊具高度，兩者相減差距小於50cm即認為吊具位置識別正確。2、對雷射數據建立的障礙物地圖進行遍歷，如果有障礙物離吊具s位置太近(小於用戶指定的安全距離)，則進行減速控制。四、船舶傾斜角度報警實現方法：對船上結構的上平面(如貨櫃頂面、船艙頂面)進行直線擬合，可得直線斜率，對斜率求正切可以求出其傾斜角度，如果角度過大(大於用戶指定的安全範圍)，則進行聲光報警。上平面的識別方法為，判斷每個掃描點到其左右兩側兩個點的x、y位置差，如果x差小於15cm、y差小於5cm則認為該點及其左右兩側兩個點屬於一個平面上的直線，y差大於5cm的位置為該直線的端點。首先對直線段進行切分，排除、斷點，只對足夠長(大於4m)的直線段進行擬合。直線擬合採用最小二乘方法，給定數據點pi(xi,yi)，其中i＝1,2,…,m。求近似直線y＝φ(x)。並且使得近似直線與y＝f(x)的偏差平方和最小。近似直線在點pi處的偏差δi＝φ(xi)-y，i＝1,2,...,m。五、船舶離幫報警實現方法：對船上結構的角點，特別是船兩側邊沿進行水平位置跟蹤，可以求出當前船舶中心到岸邊距離。其識別方法見輪廓識別部分的步驟四。當距離發生明顯變化(例如偏離了100cm，具體值可以配置設定)，說明發生離幫情形，即進行聲光報警。報警提示動作包括但不限於聲光報警，也可通過文字提示、震動、減速停車、網絡報警等方式。本發明的工作原理是：系統包括核心器件為控制器、雷射掃描儀，及顯示器、電源適配器、交換機、線纜等附件。系統硬體核心設備是雷射掃描儀和控制器，其與PLC、小車編碼器、起升編碼器、指示燈和控制開關等設備共同實現防碰撞控制。該系統利用長距離雷射掃描儀，通過掃描岸橋鞍梁和大臂前端橫梁，建立固定坐標系；結合岸橋PLC控制系統提供的編碼器信息和雷射掃描輪廓，對船舶輪廓進行掃描識別和歷史信息補全；同時利用船舶排位對稱和船舶寬度、艙深度等信息，構建船舶箱位圖，可與箱號識別系統和碼頭作業系統交互，實現作業指令的自動下發和校核。