貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制系統和方法

2023-12-09 17:59:31 2

貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制系統和方法
【專利摘要】本發明公開了一種貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制系統和方法，通過轉動雲臺、雷射掃描儀、系統運算控制器和LED顯示屏，實現集卡位置及離岸橋基準起吊點的偏差距離的準確識別，同時把集卡偏離岸橋起吊點方向、距離信息顯示在LED顯示屏上，提示集卡司機調整集卡停車位置；同時，運算控制器通過與PLC接口，獲取當前作業的貨櫃類型信息，實現集卡停靠位置的引導，PLC的控制系統通過接口獲取集卡是否已準確到位，在集卡還未對位完成時，控制吊具保持安全高度，禁止橋吊司機的下放動作，從而避免出現吊具對集卡的傷害事故。
【專利說明】貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制系統和方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及貨櫃碼頭岸邊機械的裝卸【技術領域】，特別是涉及一種貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制系統和方法。

【背景技術】
[0002]岸邊作業的橋吊是專業化貨櫃碼頭的核心作業機械，其作業效率和安全生產直接影響船舶裝卸速度。在橋吊實際的生產作業過程中，當吊具從集卡上吊運貨櫃或者將貨櫃放置在集卡上時，傳統方法需要依靠集卡司機通過個人的目測，前後反覆移動集卡，完成集卡與吊具的對位。該對位過程降低了貨櫃的裝卸速度，增加了司機的操作疲勞，同時難以完全避免吊具、貨櫃和集卡之間的碰撞，造成設備損壞，帶來了諸多安全隱患。
[0003]目前，現有技術中有採用在橋吊下安裝雲臺、雷射掃描測距儀、與控制器，利用控制器設定指定的車道，利用雲臺控制雷射掃描儀對指定車道進行掃描，提醒集卡司機對位的偏差；但是，實際運用中發現:由於針對空車狀態時無法獲取橋吊實際要放箱的尺寸，就無法判知集卡的應停位置，造成系統的功能缺失，另外，對於集卡車道的選取只能一次性設定，不能靈活進行調整，造成實際應用的不方便，還有目前的系統僅對集卡進行了對位檢測，在安全保護上也有功能缺失，如此造成了目前的橋吊下集卡對位應用難以達到實用效果O


【發明內容】

[0004]為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供了一種貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制系統和方法。
[0005]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:一種貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制系統，包括系統運算控制器以及分別與系統運算控制器連接的轉動雲臺、雷射掃描儀和LED顯示屏，所述雷射掃描儀設置在轉動雲臺上；所述系統運算控制器與橋吊的PLC系統連接。
[0006]本發明還提供了一種貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制方法，包括如下步驟:
[0007]步驟一、橋吊的PLC系統將裝卸車作業類型、作業貨櫃尺寸、停放在集卡上的位置、集卡的駛入方向、以及待掃描的車道號發送給系統運算控制器，系統運算控制器根據車道號輸出相應的1控制信號令轉動雲臺轉動使雷射掃描儀面向待掃描的車道；同時，系統運算控制器輸出相應的車道號顯示在LED顯示屏上；
[0008]步驟二、雷射掃描儀沿平行於貨櫃車道中心線對集卡車架或者車架上的貨櫃進行二維掃描測距，得到一個極坐標的點集數組ScanDistance □，並將該數組發送到系統運算控制器；
[0009]步驟三、將點集數組ScanDistance []轉換到以吊具中心的大地垂線為Y軸，車道地面為X軸的平面坐標系下的點集ProfilePoint []:
[0010]ProfilePoint[i].X = ScanDistance[i]*cos(angle[i])+deltXO
[0011]ProfilePoint[i].Y = LaserHeigh -
[0012]ScanDistance[i]*sin(angle[i])*cos(aO)
[0013]其中:ProfilePoint [i].X為轉換後的第i個輪廓點的X坐標，ProfilePoint [i].Y為轉換後的第i個輪廓點的Y坐標，LaserHeigh為雷射掃描儀安裝的高度，ScanDistance[i]為雷射掃描儀提取的第i個點的測距距離，angle[i]為第i條測距光線與水平面的夾角，deltXO是雷射掃描儀中心對水平車道線的投影與吊具中心投影的初始偏差參數，aO為雷射掃描儀掃描面與地面垂線的夾角；
[0014]步驟四、對轉換後的點集ProfilePoint[]進行輪廓識別:
[0015](I)貨櫃的輪廓:將平行於地面的、高度大於3米的連續點識別為貨櫃的輪廓，各連續點連線形成的線段長度為貨櫃的長度，取各點的X坐標的中值作為貨櫃的中心坐標，記為 ContainerCenter.X ；
[0016](2)拖架的輪廓:將平行於地面的、高度在I米一 1.7米範圍內的間斷點集識別為拖架的輪廓，根據拖架輪廓得到拖架前後端、拖架的長度，並進一步得到拖架尾點的X坐標ChassisTail.X、前20尺箱中心偏差Dev20Front、後20尺箱中心偏差Dev20Back、40尺箱中心偏差Dev40、45尺箱中心偏差Dev45 ；
[0017]步驟五、根據作業類型計算對位偏離值WorkingPoint.X:
[0018](I)對於卸箱作業，WorkingPoint.X = ContainerCenter.X ；
[0019](2)對於裝車作業:
[0020]I)若裝 20 尺箱到拖架的前端，則 WorkingPoint.X = ChassisTail.X+Dev20Front ；
[0021]2)若裝 20 尺箱到拖架的後端，則 WorkingPoint.X = ChassisTail.X+Dev20Back ；
[0022]3)若裝 40 尺箱，則 WorkingPoint.X = ChassisTail.X+Dev40 ；
[0023]4)若裝 45 尺箱，則 WorkingPoint.X = ChassisTail.X+Dev45 ；
[0024]步驟六、判斷對位偏離值WorkingPoint.X是否在設定的誤差範圍Sis內，並將判別結果發送到LED顯示屏，通過顯示屏進行顯示:
[0025](I)當WorkingPoint.X>S設時，系統運算控制器輸出信號，LED屏顯示提示「向後WorkingPoint.X 米」；
[0026](2)當WorkingPoint.X〈-S設時，系統運算控制器輸出信號，LED屏顯示提示「向前WorkingPoint.X 米」；
[0027](3)當 IWorkingPoint.X|〈 = S設時，LED 屏顯示「已對位準確」；
[0028]步驟七、系統運算控制器將對位偏離值WorkingPoint.X實時向PLC系統發送，當
I WorkingPoint.X | >Sa時，PLC系統實時檢測吊具的高度，當吊具高度低於設定的危險高度時，PLC系統發出控制信號給吊具的起升裝置，使吊具起升或禁止吊具下放，同時PLC系統將提示信息發送給觸控螢幕。
[0029]與現有技術相比，本發明的積極效果是:
[0030]本發明採用雷射掃描測距原理、模式識別和自動控制技術，實現對集卡的精確掃描，並且增加了 PLC系統的對接以及橋吊司機的人機互動應用，可以根據司機的實時設定、根據作業類型不同及時提示集卡司機調整停靠位置，同時系統實時檢測橋吊的吊具操作，在集卡司機未準確對位前，控制吊具的下落，保護集卡司機避免吊具及帶箱的碰撞安全事故，提高貨櫃的裝卸效率的同時也有效提高了作業的安全。
[0031]本發明增強了橋吊司機對集卡對位的交互控制，彌補了現有相關技術的應用不足，可以準確應對各類作業工況，滿足了集卡對位系統實際應用要求。並且，本發明提供了橋吊作業的自動安全保障控制，大大提升了現場作業的安全性，提高了碼頭的安全生產水平。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中:
[0033]圖1是本系統的結構示意圖；
[0034]圖2是本系統的原理框圖。

【具體實施方式】
[0035]一種貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制系統，如圖1和圖2所示，包括:橋吊1、觸控螢幕2、吊具3、雷射掃描儀4、轉動雲臺5、系統運算控制器6、LED顯示屏7、貨櫃8、集卡車9等，其中:
[0036]所述雷射掃描儀4為2D的雷射掃描儀，固定在可控轉動雲臺5上，所述轉動雲臺5安裝在橋吊I的第二橫梁上。所述轉動雲臺5由伺服電機驅動，與系統運算控制器6的1接口連接，轉動雲臺5在系統運算控制器6的控制下轉動，從而可以使雷射掃描儀掃描到每條車道上。
[0037]在橋吊的第二橫梁上還安裝有系統運算控制器6，所述系統運算控制器6通過485接口線纜連接分別設置在橋吊的四個腿部位置的4個LED顯示屏7，所述系統運算控制器6通過RS232接口連接岸橋上的PLC系統，所述系統運算控制器6通過網絡接口連接雷射掃描儀4。
[0038]所述LED顯示屏7安裝在橋吊的四個腿部，向內顯示，顯示向前向後的方向指示、掃描車道信息(I位數字)以及調整的距離提示(2位數字，單位CM)。
[0039]所述觸控螢幕2設置在司機室內，集成在PLC系統中，提供給司機，提醒當前集卡在下方是否已準確對位，並且司機可以設定對位的參數，設定作業的類型以及作業車道等。
[0040]PLC系統實現系統運算控制器與司機觸控螢幕的相關信息傳輸，PLC系統同時還執行安全保護控制，在集卡未完成對位時，控制吊具保持在安全高度，防止對集卡的傷害事故。
[0041]本發明還提供了一種貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制方法，包括如下步驟:
[0042]步驟一、由橋吊司機通過觸控螢幕2設定要掃描的車道號，車道號信息通過PLC系統的通訊接口(RS232)發送給系統運算控制器6，系統運算控制器根據車道號輸出相應的1控制信號給轉動雲臺5，雲臺受控轉動使雷射掃描儀4面向設定的車道，掃描儀沿平行於集卡車道中心線對貨櫃及集卡進行掃描測距進行掃描測距；同時，系統運算控制器也輸出車道號顯示在LED顯示屏上。
[0043]同時，橋吊司機通過觸控螢幕設定裝卸車作業類型、作業貨櫃尺寸、停放在集卡上的位置、集卡的駛入方向等信息，該信息通過PLC系統的通訊接口(RS232)發送到系統運算控制器；
[0044]步驟二、雷射掃描儀4沿平行於貨櫃車道中心線對集卡車架或者車架上的貨櫃進行二維掃描測距，得到一個極坐標的點集數組ScanDistance □，並將該數組發送到系統運算控制器:
[0045]系統運算控制器與掃描儀通過乙太網接口連接，通過掃描儀設備提供的接口協議，建立TCP的連接，發送讀取命令，獲取到掃描儀實時的掃描數據，2D掃描儀的掃描數據結構為一個周期內每個掃描角度上(0.125或0.25度間隔)，雷射掃描測得的反射點的距離，其形成的是一個極坐標的點集數組ScanDistance []；
[0046]步驟三、將一個極坐標的點集數組ScanDistance []轉換到以吊具中心的大地垂線為Y軸，車道地面為X軸的平面坐標系下的點集ProfilePoint []:
[0047]ProfilePoint[i].X = ScanDistance[i]*cos(angle[i])+deltXO
[0048]ProfilePoint[i].Y = LaserHeigh -
[0049]ScanDistance[i]*sin(angle[i])*cos(aO)
[0050]ProfilePoint [i].X為轉換後的第i個輪廓點的X坐標，Prof iIePoint [i].Y為轉換後的第i個輪廓點的Y坐標，LaserHeigh為雷射掃描儀安裝的高度，ScanDistance [i]為雷射掃描儀提取的第i個點的測距距離，angle[i]為第i條測距光線與水平面的夾角，這個是已補償了安裝偏差後的角度值，deltXO是雷射掃描儀中心對水平車道線的投影與吊具中心投影的初始偏差參數，aO為雷射掃描儀掃描面與地面垂線的夾角。
[0051]步驟四、對轉換後的點集ProfilePoint[]進行輪廓識別:
[0052]轉換完的平面坐標系以吊具中心的大地垂線為Y軸，車道地面為X軸，掃描點集基本上就反饋出了集卡車的輪廓。對應此點集的輪廓識別，主要是針對車頭位置、貨櫃輪廓、車架輪廓的識別，本發明利用了模型擬合方法，將散點根據識別物體的固有特性擬合為輪廓線，識別出關鍵點信息:
[0053](I)貨櫃的輪廓:表現為一段平行於地面的、高度大於3米的連續點，各連續點連線形成的線段長度為貨櫃的長度，取各點的X坐標的中值作為貨櫃的中心坐標，記為 ContainerCenter.X ；
[0054](2)拖架的輪廓:表現為一組平行於地面的，高度在I米一 1.7米範圍內的間斷點集，系統識別得到拖架前後端，獲得拖架的長度，並得到拖架尾點的X坐標，記為ChassisTail.X，根據拖架長度特徵判斷其拖車作業箱中心與拖架尾的參數關係即得:前20尺箱中心偏差Dev20Front，後20尺箱中心偏差Dev20Back，40尺箱中心偏差Dev40，45尺箱中心偏差Dev45 ；
[0055](3)集卡車首的位置:表現為高於拖架的一組不連續的不規則的點集。系統識別及處理其特徵值為集卡車首的後端坐標，如拖架的前端識別不明確，可以此值進行補償替代。
[0056]通過模式識別，系統獲取了如下的信息:車首位置，集卡上貨櫃(如果車已帶箱)的尺寸與中心位置，空拖架的後端點坐標，拖架的長度以及拖架對應各尺寸作業箱的中心偏離參數。
[0057]步驟五、根據作業類型計算對位偏離值(WorkingPoint.X):
[0058]根據計算獲得的貨櫃的位置坐標或拖架的坐標，再參考作業的類型信息，從而可以對應坐標點進行計算對位偏離值(WorkingPoint.X)。
[0059](I)對於卸箱作業，由於WorkingPoint.X = ContainerCenter.X，所以作業箱的中心距離在對位準確後X坐標為零，即對位的過程就是要使WorkingPoint.X趨向於O (小於5CM)；
[0060](2)對於裝車作業，如裝20尺箱到拖架的前端，則WorkingPoint.X =ChassisTail.X+Dev20Front ；
[0061](3)對於裝車作業，如裝20尺箱到拖架的後端，則WorkingPoint.X =ChassisTail.X+Dev20Back ；
[0062](4)對於裝車作業，如 40 尺箱，則 WorkingPoint.X = ChassisTail.X+Dev40 ；
[0063](5)對於裝車作業，如 4δ 尺箱，則 WorkingPoint.X = ChassisTail.X+Dev45 ；
[0064]步驟六、判斷對位偏離值(WorkingPoint.X)是否在設定的誤差範圍(S設，S設〉0，以下以Sis = 5舉例說明)內，並將判別結果發送到LED顯示屏，通過顯示屏進行顯示，便於集卡司機及時調整集卡的停車位置:
[0065](I)當WorkingPoint.X>5時，說明車過於向右(前)了，系統運算控制器就輸出信號，LED 屏顯示提示「向後 S 米(S = WorkingPoint.X|)，，;
[0066](2)當WorkingPoint.X〈-5時，說明車過於向左(後)了，系統運算控制器就輸出信號，LED屏顯示提示「向前S米(S = WorkingPoint.X|)，，;
[0067](3)當 I WorkingPoint.X | < = 5 時，LED 屏顯示「已對位準確」；
[0068]步驟七、系統運算控制器將對位偏離值(WorkingPoint.X)實時向PLC系統發送，當集卡未準確對位時(即I WorkingPoint.Xl >5時)，PLC系統實時檢測吊具的高度，當吊具高度低於設定的危險高度(比如5米)時，PLC系統發出控制信號給吊具的起升裝置，使吊具起升或禁止吊具下放，同時PLC系統將提示信息發送給觸控螢幕，以便提醒橋吊司機保護集卡避免吊具的碰撞事故。
[0069]本發明的工作原理是:在貨櫃車道上方岸橋的二橫梁中央安裝一個伺服電機控制的雲臺，該雲臺受系統運算控制器的控制，可在岸橋橫梁下垂直於集卡車道的平面內旋轉，從而使安裝固定在雲臺上的雷射掃描儀沿平行於集卡車道中心線對貨櫃及集卡進行掃描測距，雷射掃描儀跟隨雲臺轉動能實現對岸橋下各貨櫃車道掃描測距。
[0070]雷射掃描儀將數據發送系統運算控制器，系統運算控制器識別集卡的位置及離岸橋基準起吊點的偏差距離，同時把集卡偏離岸橋起吊點方向、距離信息顯示在LED顯示屏上，提示集卡司機調整集卡停車位置。
[0071]由於集卡作業時，進入岸橋下部的行駛有兩個方向，同時雙吊具作業時為了集卡司機便於觀看LED顯示屏上提示信息，因此岸橋立柱下的大梁上共安裝四臺LED顯示屏。
[0072]橋吊司機通過司機室觸控螢幕實現對系統的設置。設置信息主要包括岸橋作業下貨櫃起吊的工作車道、作業類型等信息。
[0073]運算控制器通過與PLC接口，獲取當前作業的貨櫃類型信息，實現集卡停靠位置的引導，PLC的控制系統通過接口獲取集卡是否已準確到位，在集卡還未對位完成時，控制吊具保持安全高度，禁止橋吊司機的下放動作，從而避免出現吊具對集卡的傷害事故。
【權利要求】
1.一種貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制系統，其特徵在於:包括系統運算控制器以及分別與系統運算控制器連接的轉動雲臺、雷射掃描儀和LED顯示屏，所述雷射掃描儀設置在轉動雲臺上；所述系統運算控制器與橋吊的PLC系統連接。
2.根據權利要求1所述的貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制系統，其特徵在於:所述LED顯示屏為4個，分別設置在橋吊的四個腿部位置。
3.根據權利要求1所述的貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制系統，其特徵在於:所述轉動雲臺安裝在橋吊的第二橫梁上。
4.根據權利要求1所述的貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制系統，其特徵在於:所述系統運算控制器安裝在橋吊的第二橫梁上。
5.一種貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制方法，其特徵在於:包括如下步驟: 步驟一、橋吊的PLC系統將裝卸車作業類型、作業貨櫃尺寸、停放在集卡上的位置、集卡的駛入方向、以及待掃描的車道號發送給系統運算控制器，系統運算控制器根據車道號輸出相應的1控制信號令轉動雲臺轉動使雷射掃描儀面向待掃描的車道；同時，系統運算控制器輸出相應的車道號顯示在LED顯示屏上； 步驟二、雷射掃描儀沿平行於貨櫃車道中心線對集卡車架或者車架上的貨櫃進行二維掃描測距，得到一個極坐標的點集數組ScanDistance□，並將該數組發送到系統運算控制器； 步驟三、將點集數組ScanDistance[]轉換到以吊具中心的大地垂線為Y軸，車道地面為X軸的平面坐標系下的點集ProfilePoint []:
ProfilePoint[i].X=ScanDistance[i]*cos(angle[i])+deltXO
ProfilePoint[i].Y=LaserHeigh -
ScanDistance[i]*sin(angle[i])*cos(aO) 其中:ProfilePoint[i].X為轉換後的第i個輪廓點的X坐標，ProfilePoint[i].Y為轉換後的第i個輪廓點的Y坐標，LaserHeigh為雷射掃描儀安裝的高度，ScanDistance [i]為雷射掃描儀提取的第i個點的測距距離，angle[i]為第i條測距光線與水平面的夾角，deltXO是雷射掃描儀中心對水平車道線的投影與吊具中心投影的初始偏差參數，aO為雷射掃描儀掃描面與地面垂線的夾角； 步驟四、對轉換後的點集ProfilePoint[]進行輪廓識別: (1)貨櫃的輪廓:將平行於地面的、高度大於3米的連續點識別為貨櫃的輪廓，各連續點連線形成的線段長度為貨櫃的長度，取各點的X坐標的中值作為貨櫃的中心坐標，記為 ContainerCenter.X ； (2)拖架的輪廓:將平行於地面的、高度在I米一1.7米範圍內的間斷點集識別為拖架的輪廓，根據拖架輪廓得到拖架前後端、拖架的長度，並進一步得到拖架尾點的X坐標ChassisTail.X、前20尺箱中心偏差Dev20Front、後20尺箱中心偏差Dev20Back、40尺箱中心偏差Dev40、45尺箱中心偏差Dev45 ； 步驟五、根據作業類型計算對位偏離值WorkingPoint.X: (1)對於卸箱作業，WorkingPoint.X = ContainerCenter.X ； (2)對於裝車作業: I)若裝 20 尺箱到拖架的前端，則 WorkingPoint.X = ChassisTail.X+Dev20Front ；2)若裝20 尺箱到拖架的後端，則 WorkingPoint.X = ChassisTail.X+Dev20Back ；
3)若裝40 尺箱，則 WorkingPoint.X = ChassisTail.X+Dev40 ；
4)若裝45 尺箱，則 WorkingPoint.X = ChassisTail.X+Dev45 ； 步驟六、判斷對位偏離值WorkingPoint.X是否在設定的誤差範圍S設內，並將判別結果發送到LED顯示屏，通過顯示屏進行顯示: (1)當WorkingPoint.X>S設時，系統運算控制器輸出信號，LED屏顯示提示「向後IWorkingPoint.X I 米」； (2)當WorkingPoint.X〈-S設時，系統運算控制器輸出信號，LED屏顯示提示「向前IWorkingPoint.X I 米」； (3)當IWorkingPoint.X I SiS時，PLC系統實時檢測吊具的高度，當吊具高度低於設定的危險高度時，PLC系統發出控制信號給吊具的起升裝置，使吊具起升或禁止吊具下放，同時PLC系統將提示信息發送給觸控螢幕。
6.根據權利要求5所述的貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制方法，其特徵在於:所述雷射掃描儀的掃描角度間隔為0.125度或0.25度。
7.根據權利要求5所述的貨櫃碼頭橋吊下集卡的對位及安全控制方法，其特徵在於:將點集ProfilePoint []中的高於拖架的一組不連續的不規則點集識別為集卡車首的位置，將集卡車首的後端坐標作為拖架輪廓的前端。
【文檔編號】B66C15/00GK104477779SQ201410851613
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月31日 優先權日:2014年12月31日
【發明者】曹敏, 陳福興, 高永 , 沈延鵬 申請人:曹敏