集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统及方法，系统包括控制器和分别与控制器连接的岸桥PLC控制系统、激光扫描仪和显示器或报警装置。与现有技术相比，本发明专利技术的积极效果是：通过对现有的船舶轮廓扫描系统进行改进，采用激光扫描仪对船舶轮廓进行完整扫描，通过识别船上排位和吊具位置，防止由于指挥手或司机人为失误引起的装船位置错误；同时能对船舶晃动、离帮等危险情况进行监测报警；并通过应用最新激光扫描仪产品降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统及方法
本专利技术涉及一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统及方法。
技术介绍
岸边桥式起重机是集装箱码头作业的重要机械，其效率、安全、作业正确性对码头作业有着重要影响。岸边桥式起重机具有吊具钢索长、起升和小车速度快的特点。在船舶上方作业时，由于司机看不清下方情况，可能会出现着箱过快导致箱损，甚至与船上结构发生碰撞造成损失。同时，由于岸边桥式起重机作业时追求效率，司机连续作业，有时会因为人为失误导致集装箱装错位置，由此引发倒箱作业影响效率，甚至导致集装箱发往错误目的地，造成经济、时间损失。同时，由于船舶作业时受到潮汐涨落、缆绳松弛、配重变化等影响，会发生晃动、漂离岸边(离帮)等现象，对作业产生安全影响。目前市场上针对堆场内的集装箱堆码轮廓扫描系统，利用激光扫描仪对堆场内码垛的集装箱轮廓进行扫描，建立了堆码集装箱轮廓，可以实现堆场内龙门起重机的防撞和排位识别，防止撞箱或堆码错误的发生，但该系统针对堆场内龙门起重机，不适用于岸边桥式起重机。国外的船舶轮廓扫描系统，利用激光扫描仪对船舶轮廓进行扫描，实现防撞功能，但功能较为单一，且成本较高。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点，本专利技术提供了一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统及方法，利用激光扫描、自动控制领域的最新技术，结合船舶作业计划，旨在解决以下问题:(1)防止岸边桥式起重机作业过程中吊具及其吊挂集装箱与船体、船上建筑和货物碰撞；(2)通过识别船上排位和吊具位置，防止由于指挥手或司机人为失误引起的装船位置错误；(3)对船舶晃动、离帮等危险情况进行监测报警。本专利技术所采用的技术方案是：一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统，包括控制器和分别与控制器连接的岸桥PLC控制系统、激光扫描仪和显示器或报警装置；所述激光扫描仪用于接收控制器发出的扫描控制指令，对船舶轮廓和集装箱的堆码轮廓进行连续扫描，并交将扫描数据传送给控制器；所述岸桥PLC控制系统用于将编码器信息和吊具的开闭锁状态数据发送给控制器，并接收控制器发送的控制指令；所述控制器用于对接收到的扫描数据和状态数据进行运算和处理，得到船舶轮廓信息和运算结果，并将运算结果发送给显示器进行显示或发送给报警装置进行报警提示。本专利技术还提供了一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别方法，包括如下步骤：步骤一、初始化激光扫描仪安装参数和岸桥结构参数：激光扫描仪安装参数包括安装高度、安装倾角、激光到吊具距离；岸桥结构参数包括鞍梁高度、鞍梁宽度、鞍梁距离、大梁前端高度、大梁到前鞍梁距离；步骤二、利用激光扫描仪安装参数，以激光扫描仪的安装位置为原点，将激光扫描极坐标数据转换到激光直角坐标系；步骤三、以岸桥前鞍梁中点在激光直角坐标系x轴上的投影为原点，将激光直角坐标数据转换到大车直角坐标系：(1)确定前鞍梁在激光直角坐标系内的位置：1)区域内寻找特征：首先在鞍梁高度上下50cm内寻找特征为水平线段且长度固定的鞍梁特征；然后在大梁高度上下50cm内寻找特征为竖直线段且高度固定大梁前端特征；最后在吊具后方寻找特征为边沿激光射线长度突变的吊具特征；2)特征匹配校核：a)若利用上一时刻计算出的有效的激光扫描仪位置推算出的前鞍梁位置附近50cm内存在鞍梁特征线段，则该线段为前鞍梁；b)若利用上一时刻计算出的有效的激光扫描仪位置推算出的后鞍梁位置附近50cm内存在鞍梁特征线段，则此线段为后鞍梁；c)若利用上一时刻计算出的有效的激光扫描仪位置推算出的大梁前端位置附近50cm内存在大梁前端特征线段，则此线段为大梁前端；d)如果a)、b)、c)都不满足，若存在两个鞍梁特征线段间距接近鞍梁间距，则该两个鞍梁特征线段为两侧鞍梁；(2)将前鞍梁在激光直角坐标系下的位置取反得到激光扫描仪在大车直角坐标系中的位置OffsetX；(3)将激光直角坐标通过平移变换成大车直角坐标，平移距离为OffsetX；步骤四、将激光当前帧数据加入到历史帧数组中进行数据拼接，得到船舶轮廓：(1)将岸桥下空间划分为5cm见方的格子，将不同时刻激光扫描帧内的激光点落在格子内形成的格点图进行累加拼接；(2)利用编码器信息结合扫描到的岸桥的轮廓，对数据进行划分得到船上点，对所有船上点进行统计，找出其在格点图中对应的位置，即为船舶轮廓。本专利技术进一步提供了一种利用船舶轮廓识别方法进行吊具排位识别的方法，求出所有船上点中x坐标最大的点和x坐标最小的点，从而得到船的两侧边缘位置，两侧边缘位置取中点即得到船体中心位置；根据码头作业系统TOS获取的船型信息，即可求得知船舱的总排数和排位分布；根据吊具的位置求得当前吊具所在的排位，若当前吊具所在的排位与TOS给出的当前作业的目标排不一致，则发出当前作业排位不正确的报警提示。本专利技术还进一步提供了一种利用船舶轮廓识别方法实现吊具防撞的方法，对寻找到的吊具特征进行匹配校核识别出吊具位置，结合编码器位置确定的吊具高度，若二者相减差距小于50cm即认为吊具位置识别正确；然后对激光数据建立的障碍物地图进行遍历，如果障碍物与吊具之间的距离小于设定的安全距离，则进行减速控制。本专利技术还进一步提供了一种利用船舶轮廓识别方法实现船舶倾斜角度报警的方法，其特征在于：对船上结构的上平面进行直线拟合，求得直线斜率，对斜率求正切即得到船舶倾斜角度，当倾斜角度大于设定的安全角度时，则进行船舱倾斜报警提示。本专利技术还进一步提供了一种利用船舶轮廓识别方法实现船舶离帮报警的方法，对船两侧边沿进行水平位置跟踪，计算出当前船舶中心到岸边距离，当距离发生明显变化，大于设定的偏离值时，则进行船舱离帮报警提示。与现有技术相比，本专利技术的积极效果是：通过对现有的船舶轮廓扫描系统进行改进，应用最新的激光扫描轮廓识别技术，通过识别船上排位和吊具位置，防止由于指挥手或司机人为失误引起的装船位置错误；同时能对船舶晃动、离帮等危险情况进行监测报警；并通过应用最新激光扫描仪产品降低了成本。具体表现如下：1.采用激光扫描仪对船舶轮廓进行完整扫描；2.对船舶轮廓进行分析，求得排位分布；结合码头作业系统给出的信息，判断当前作业排位是否正确；3.对船舶位置和形状特征持续监测，检测倾斜和离帮。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术的坐标系定义示意图；图3为船舶和吊具等的轮廓图。具体实施方式一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统，如图1所示，包括岸桥(岸边桥式起重机)1、大臂2、小车驾驶室3、吊具4、小车5、鞍梁6、集装箱船体7、船上建筑8、船上集装箱9、岸边10、激光扫描仪11、激光扫描光束12等。所述小车5设置在岸桥1的大臂2上，在小车驾驶室3内装有控制器及其所需电源、岸桥PLC控制系统和显示器，所述控制器分别与显示器和岸桥PLC控制系统连接；所述激光扫描仪11安装在小车5前部，并通过数据和电源电缆与小车驾驶室3内的控制器连接，激光扫描仪11接受控制器发出的信号对吊具和船舶轮廓进行扫描，并将扫描数据传送给控制器进行数据处理。控制器的功能是实现激光扫描仪的控制和数据采集、船型轮廓的识别和防碰撞运算等功能，并通过与PLC接口实现信息的获取和控制命令的下发。PLC为岸桥的核心电气控制设备，负责本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统，其特征在于：包括控制器和分别与控制器连接的岸桥PLC控制系统、激光扫描仪和显示器或报警装置；所述激光扫描仪用于接收控制器发出的扫描控制指令，对船舶轮廓和集装箱的堆码轮廓进行连续扫描，并交将扫描数据传送给控制器；所述岸桥PLC控制系统用于将编码器信息和吊具的开闭锁状态数据发送给控制器，并接收控制器发送的控制指令；所述控制器用于对接收到的扫描数据和状态数据进行运算和处理，得到船舶轮廓信息和运算结果，并将运算结果发送给显示器进行显示或发送给报警装置进行报警提示。

【技术特征摘要】
1.一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别和吊具防撞系统，其特征在于：包括控制器和分别与控制器连接的岸桥PLC控制系统、激光扫描仪和显示器或报警装置；所述激光扫描仪用于接收控制器发出的扫描控制指令，对船舶轮廓和集装箱的堆码轮廓进行连续扫描，并交将扫描数据传送给控制器；所述岸桥PLC控制系统用于将编码器信息和吊具的开闭锁状态数据发送给控制器，并接收控制器发送的控制指令；所述控制器用于对接收到的扫描数据和状态数据进行运算和处理，得到船舶轮廓信息和运算结果，并将运算结果发送给显示器进行显示或发送给报警装置进行报警提示；所述控制器、岸桥PLC控制系统和显示器设置在岸桥大臂的小车驾驶室内，所述激光扫描仪设置在小车前部；所述编码器包括小车编码器和起升编码器。2.一种集装箱码头岸桥下的船舶轮廓识别方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、初始化激光扫描仪安装参数和岸桥结构参数：激光扫描仪安装参数包括安装高度、安装倾角、激光到吊具距离；岸桥结构参数包括鞍梁高度、鞍梁宽度、鞍梁距离、大梁前端高度、大梁到前鞍梁距离；步骤二、利用激光扫描仪安装参数，以激光扫描仪的安装位置为原点，将激光扫描极坐标数据转换到激光直角坐标系；步骤三、以岸桥前鞍梁中点在激光直角坐标系x轴上的投影为原点，将激光直角坐标数据转换到大车直角坐标系：（1）确定前鞍梁在激光直角坐标系内的位置：1）区域内寻找特征：首先在鞍梁高度上下50cm内寻找特征为水平线段且长度固定的鞍梁特征；然后在大梁高度上下50cm内寻找特征为竖直线段且高度固定大梁前端特征；最后在吊具后方寻找特征为边沿激光射线长度突变的吊具特征；2）特征匹配校核：a)若利用上一时刻计算出的有效的激光扫描仪位置推算出的前鞍梁位置附近50cm内存在鞍梁特征线段，则该线段为前鞍梁；b)若利用上一时刻计算出的有效的激光扫描仪位置推算出的后鞍梁位置附近50cm内存在鞍梁特征线段，则此线段为后鞍梁；c)若利用上一时刻计算出的有效的激光扫描仪位置推算出的大梁前端位置附近50cm内存在大梁前端特征线段，则此线段为大梁前端；d)如果a)、b)、c)都不满足，若存在两个鞍梁特征线段间距接近鞍梁间距，则该两个鞍梁特征线段为两侧鞍梁；（2）将前鞍梁在激光直角坐标系下的位置取反得到激光扫描仪在大车直角坐标系中的位置OffsetX；（3）将激光直角坐标通过平...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈福兴，孟朝辉，刘旭，臧雪聪，孙超，
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：北京;11