吊具－集卡對箱的雙雷射雷達定位方法
2023-07-20 08:25:31 1
專利名稱：吊具－集卡對箱的雙雷射雷達定位方法
技術領域：
本發明涉及一種貨櫃自動化技術領域的方法，具體是一種吊具—集卡對箱的雙雷射雷達定位方法。
背景技術：
貨櫃碼頭生產的自動化是未來港口裝卸的發展趨勢，受到世界各大港口的重視。當今已經建成的全自動化貨櫃碼頭中，採用AGV(全自動無人駕駛自動導向搬運車)實現碼頭內貨櫃的水平運輸，這樣當AGV運行到RMG下後，只需通過定位傳感器，便可方便準確的實現AGV的定位。但是在自動化堆場建設初期，由於財力和技術上的不成熟，一般只會在港口部分區域的堆場採用自動化裝卸技術，進行試驗性生產，局部實現貨櫃生產的自動化，因而不可能對堆場內的貨櫃運輸採用AGV；而且，由於國內的貨櫃陸路運輸主要為集卡，碼頭貨櫃運輸表現為內集卡與外集卡並存的一種模式，因而，即使將內集卡採用AGV替代，也無法避免RMG(軌道式龍門起重機)對外集卡的裝卸，從而需要實現RMG對集卡的準確對箱定位。
為適應現有的貨櫃碼頭的生產條件和貨櫃自動化裝卸的發展需要，目前一般多採用單個3D雷射雷達(簡稱LR)對物體進行非接觸式掃描測量，來進行設定目標位置與姿態的精確測量與定位。但是單個雷射雷達在只能從一個視角進行掃描測量，對於被遮擋部分地輪廓和形貌只能通過模型進行猜測判斷。而且雷射雷達的掃描精度與速度直接受到稜鏡轉動精度及旋轉電機速度的制約，加上軟體處理算法和硬體控制技術限制，掃描識別能力非常局限。因此，迫切需要一種能夠快速準確的實現RMG吊具一集卡對箱的新定位方法，並提供一定的冗餘容錯能力。
經對現有技術的文獻檢索發現，鄭德華等在《測繪工程》[(2005)14(2)32-34，56]上發表的「三維雷射掃描儀及其測量誤差影響因素分析」，該文將三維雷射掃描技術分為徑向三維雷射掃描儀、相位幹涉法掃描系統和三角法掃描系統三種類型。並且從儀器誤差、與目標物體反射面有關的誤差和外界環境條件影響三個方面分析了三維雷射掃描系統誤差影響。對徑向三維雷射掃描儀器的測量誤差影響因素進行了較為全面地理論分析，並指出了測距誤差和掃描角誤差是三維雷射掃描誤差的主要誤差源。但是文獻所分析的是單雷射掃描儀工作誤差，對於雙雷射雷達定位系統的方法，以及雙雷射雷達定位系統掃描時間、性能冗餘備份等基本性能沒有描述。
發明內容
本發明的目的是針對現有雷射掃描技術中的不足，提供一種吊具—集卡對箱的雙雷射雷達定位方法。本發明採用雙雷射雷達(DLR)系統對貨櫃卡車鎖頭及貨櫃鎖孔的快速識別定位，使RMG在大車運行方向的運動受到限制的情況下，完成吊具對集卡的精確對箱定位，從而實現RMG對集卡的貨櫃自動化裝卸。
本發明是通過以下技術方案實現的，具體包括如下步驟(1)將兩個3D雷射雷達(LR)安裝在RMG的低架橫梁上，安裝視角為貨櫃對角位置；(2)在集卡進入車道粗定位結束後，DLR系統對集卡或箱體輪廓進行掃描識別，判別出掃描對象是裝箱過程的集卡車型還是卸箱過程的貨櫃箱型；(3)DLR系統分別同步地從就近視點掃描集卡或者箱體的不同表面，直至有部分表面重疊。重疊部分的多少可以由掃描控制軟體通過設置每一個雷射雷達的掃描起始角度來實現，識別出裝箱過程集卡的鎖頭或卸箱過程箱體鎖孔的精確位置。對於集卡或貨櫃每一個表面的掃描任務可以分解為兩類箱體頂面和四個側面。對於頂面的處理方法是通過集卡的粗定位，使得集卡或貨櫃的頂面處於兩個LR的視野之內。每個LR分別從距離自身安裝位置最近的邊逐漸掃向另一邊，在頂面中心區域各自對其進行不完全掃描，掃描區域為矩形、直角三角形或扇形，用兩個LR採集的數據進行重疊部分的補償運算得出比各自掃描精度更高的坐標值。對於側面的處理方法是每個側面處於單個LR的視野之內。每個LR分別從距離自身安裝位置最近的邊逐漸掃向另一邊，每個LR負責對該側面進行完全掃描。
(4)系統根據掃描數據通過軟體處理，獲得貨櫃的位置與姿態信息，根據目標位置與姿態與實際位置與姿態之間的差值生成輸出控制指令來控制RMG大車的移動(或集卡移動)使吊具與集卡(或待卸貨櫃)精定位。
(5)RMG吊具快速下降，當下降到距離集卡頂端較低高度時，DLR利用各個掃描表面的數據，通過數據分析識別出每一條掃描線中的邊界點數據。對每一個表面的所有邊界點數據，利用貨櫃形狀為矩形的先驗知識，採用最小二乘方法，擬合所有邊界點數據通過對貨櫃頂面邊界點數據，精確確定出貨櫃邊界的平面位置坐標和偏轉姿態；通過側面邊界點數據，精確確定出貨櫃的高度坐標；從而獲取吊具的精確姿態和位置，實時控制RMG吊具機構的微動平移調整以及扭轉調整，實現對集卡的精確對箱定位，完成對貨櫃的裝卸。
正常工作時，DLR系統中兩個雷射雷達構成冗餘系統，互相構成備份。如果DLR系統工作中某一個雷射雷達發生故障，此時掃描任務只能由另外一個LR承擔，DLR系統自動實施故障模式下的任務重分配，系統退化成單雷射雷達(SLR)掃描系統，無法實現冗餘，也無法對所得的頂面數據進行補償。可以用較低速度和精度完成任務，對被遮擋面數據利用對箱體(或集卡)的預先模式識別結果進行預測性重構。
本發明中DLR系統，首先獲取裝箱過程的集卡車型或卸箱過程的貨櫃箱型；然後獲取裝箱過程的集卡鎖頭或卸箱過程箱體鎖孔的精確位置與姿態；最後獲取吊具的精確姿態和位置，根據裝箱過程集卡鎖頭或卸箱過程箱體鎖孔與吊具精確位置與姿態之間的差值，通過吊具的位置與姿態調整油缸的實時調整，實現吊具與集卡的精確對箱定位。本發明創新性的應用了分塊同時掃描並相互補償誤差的方法，以及軟體處理和硬體控制技術，大幅的提高了識別精度和速度，並使系統具有冗餘容錯能力。滿足自動化堆場內RMG對集卡裝卸貨櫃的高精度對箱定位要求，有效提高了裝卸效率。
圖1為本發明方法實現的系統布局示意圖。
圖2為本發明中雙雷射雷達系統在RMG橫梁上的安裝布局圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的實施方式作進一步詳細的說明。
附圖中示出了本發明的一種典型實施方式，該實施方式用於實現一種高低架軌道龍門起重機裝卸工藝中，低架軌道龍門起重機下集卡的對箱定位。
圖1為吊具—集卡對箱定位系統構成示意圖。如圖1所示，1-RMG大車，2-RMG小車，3-3D雷射雷達，4-RMG橫梁，5-RMG吊具，6-貨櫃，7-集卡對位指示裝置，8-集卡，9-RMG小車運行方向。
雙向箭頭9示出了RMG小車2的運行方向，RMG大車1的運行方向與該方向垂直。3D雷射雷達3安裝在RMG橫梁上4。
圖2為3D雷射雷達在RMG橫梁上的安裝示意圖。如圖2所示，1-RMG大車，2-RMG小車，3-3D雷射雷達，4-RMG小車運行方向，5-RMG吊具，6-貨櫃，7-集卡運動方向。兩個3D雷射雷達3對角安裝在RMG大車橫梁上4。
本發明對吊具—集卡對箱定位的實現方法如下(1)將兩個3D雷射雷達(LR)安裝在RMG的低架橫梁4上(如圖1)，安裝視角為貨櫃對角位置(如圖2)；(2)在集卡8進入車道粗定位結束後，DLR對集卡(或箱體)輪廓進行掃描識別，判別出集卡車型(裝箱過程)或貨櫃箱型(卸箱過程)；(3)DLR分別同步地從就近視點掃描集卡(箱體)的不同部分直至有部分重疊(軟體設置其範圍)，識別出集卡鎖頭(裝箱過程)或箱體鎖孔(卸箱過程)的精確位置。
(4)系統根據掃描數據進行一系列軟體處理，輸出控制指令來控制RMG大車的移動(或集卡移動)使吊具5與集卡(或待卸貨櫃)精定位。
(5)RMG吊具5快速下降，當下降到距離集卡8頂端較低高度(約600mm)時，DLR 3用與定位過程類似的算法，獲取吊具的精確姿態和位置，實時控制RMG吊具機構的微動平移調整以及扭轉調整，實現對集卡的精確對箱定位，完成對貨櫃的裝卸。
所述的DLR系統為在RMG橫梁4上的雙雷射雷達系統(主要由對角布置的兩個3D雷射雷達組成)，結合相應的處理軟體獲取集卡相對與RMG大車和吊具的位置誤差(空間三維直角坐標)。雙雷射雷達協同工作並可屏蔽故障，當單個雷射雷達出現故障時，仍能夠保證裝卸工作的完成。
通過本發明方案在上海外高橋某港口碼頭的實施，實現了掃描定位時間的縮短，平均縮短時間達到50％以上，同時定位精度也得到提高，平均提高一倍以上。系統中兩個雷射雷達互相冗餘備份，系統可靠性提高一倍以上。
權利要求
1.一種吊具-集卡對箱的雙雷射雷達定位方法，其特徵在於，具體包括如下步驟(1)將兩個3D雷射雷達安裝在RMG的低架橫梁上，安裝視角為貨櫃對角位置；(2)在集卡進入車道粗定位結束後，DLR系統對集卡或箱體輪廓進行掃描識別，判別出掃描對象是裝箱過程的集卡車型還是卸箱過程的貨櫃箱型；(3)DLR系統分別同步地從就近視點掃描集卡或者箱體的不同表面，直至有部分表面重疊，重疊部分的多少由掃描控制軟體通過設置每一個雷射雷達的掃描起始角度來實現，識別出裝箱過程集卡的鎖頭或卸箱過程箱體鎖孔的位置；(4)系統根據掃描數據通過軟體處理，獲得貨櫃的位置與姿態信息，根據目標位置與姿態與實際位置與姿態之間的差值生成輸出控制指令來控制RMG大車的移動或集卡移動使吊具與集卡或待卸貨櫃精定位；(5)RMG吊具快速下降，當下降到距離集卡頂端較低高度時，DLR利用各個掃描表面的數據，通過數據分析識別出每一條掃描線中的邊界點數據，對每一個表面的所有邊界點數據，利用貨櫃形狀為矩形的先驗知識，採用最小二乘方法，擬合所有邊界點數據通過對貨櫃頂面邊界點數據，確定出貨櫃邊界的平面位置坐標和偏轉姿態；通過側面邊界點數據，確定出貨櫃的高度坐標；從而獲取吊具的精確姿態和位置，實時控制RMG吊具機構的微動平移調整以及扭轉調整，實現對集卡的精確對箱定位，完成對貨櫃的裝卸。
2.根據權利要求1所述的吊具-集卡對箱的雙雷射雷達定位方法，其特徵是所述的步驟(3)，對於集卡或貨櫃每一個表面的掃描任務分解為兩類箱體頂面和四個側面，對於頂面的處理方法是通過集卡的粗定位，使得集卡或貨櫃的頂面處於兩個LR的視野之內，每個LR分別從距離自身安裝位置最近的邊逐漸掃向另一邊，在頂面中心區域各自對其進行不完全掃描，掃描區域為矩形、直角三角形或扇形，用兩個LR採集的數據進行重疊部分的補償運算得出比各自掃描精度更高的坐標值；對於側面的處理方法是每個側面處於單個LR的視野之內，每個LR分別從距離自身安裝位置最近的邊逐漸掃向另一邊，每個LR負責對該側面進行完全掃描。
3.根據權利要求1所述的吊具-集卡對箱的雙雷射雷達定位方法，其特徵是DLR系統中兩個雷射雷達構成冗餘系統，互相構成備份，如果DLR系統工作中某一個雷射雷達發生故障，此時掃描任務只能由另外一個LR承擔，DLR系統自動實施故障模式下的任務重分配，系統退化成單雷射雷達掃描系統，這時用較低速度和精度完成任務，對被遮擋面數據利用對箱體或集卡的預先模式識別結果進行預測性重構。
全文摘要
一種貨櫃自動化技術領域的吊具—集卡對箱的雙雷射雷達定位方法。本發明首先獲取裝箱過程的集卡車型或卸箱過程的貨櫃箱型；然後獲取裝箱過程的集卡鎖頭或卸箱過程箱體鎖孔的精確位置與姿態；最後獲取吊具的精確姿態和位置，根據裝箱過程集卡鎖頭或卸箱過程箱體鎖孔與吊具精確位置與姿態之間的差值，通過吊具的位置與姿態調整油缸的實時調整，實現吊具與集卡的精確對箱定位。本發明創新性的應用了分塊同時掃描並相互補償誤差的方法，以及先進的軟體處理和硬體控制技術，大幅的提高了識別精度和速度，並使系統具有冗餘容錯能力。滿足自動化堆場內RMG對集卡裝卸貨櫃的高精度對箱定位要求，有效提高了裝卸效率。
文檔編號B66C13/16GK1884034SQ200610028640
公開日2006年12月27日 申請日期2006年7月6日 優先權日2006年7月6日
發明者杜正春, 王建, 呂潮峰 申請人:上海交通大學