基于物体轮廓跟踪的集装箱码头场桥防撞控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于物体轮廓跟踪的集装箱码头场桥防撞控制系统，包括激光扫描仪、控制器和场桥PLC系统，所述激光扫描仪接受控制器发出的信号对场桥吊具及场桥下方物体轮廓进行扫描，并将扫描数据传送给控制器；所述场桥PLC系统负责将吊具状态信息发送给控制器，并接收控制器的指令实现保护控制的执行；所述控制器对场桥吊具和场桥下方物体轮廓进行识别和防碰撞运算，并根据识别和防碰撞运算结果向场桥PLC系统下发控制命令。本实用新型专利技术的优点是：通过对现有的RTG/RMG吊具防碰箱系统进行改进，应用最新的激光扫描轮廓识别技术，消除系统对外部反光板、传感器的依赖，并扩展可识别物体轮廓种类，提高识别精度。

Anti collision control system of container terminal Bridge Based on object contour tracking

The utility model discloses a container terminal field bridge object contour tracking based on collision avoidance control system, including laser scanner, field controller and bridge PLC system, the laser scanner is scanned to accept RTG and a bridge below the object contour signal issued by the controller, and the scanning data is transmitted to the controller; a bridge PLC system is responsible for the spreader status information sent to the controller, and the controller receives instructions to achieve protection and control execution; the controller identification and anti-collision calculation of RTG and field bridge below the object contour, and according to the identification and anti-collision calculation results to the field bridge under the PLC system to send control commands. The utility model has the advantages that the RTG/RMG sling existing anti-collision box system is improved, the application of laser scanning contour recognition technology, eliminating the dependence of the system on the external reflector, the sensor, and can be extended to identify objects contour types, improve recognition accuracy.

【技术实现步骤摘要】
基于物体轮廓跟踪的集装箱码头场桥防撞控制系统
本技术涉及一种基于物体轮廓跟踪的集装箱码头场桥防撞控制系统。
技术介绍
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)(统称场桥)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。场桥主要承担集装箱堆场内堆码的集装箱和集装箱水平运输设备(集装箱卡车或自动引导运输车AGV，运行于trucklane)之间的集装箱转移作业，其特点是作业环境复杂，危险系数大，司机视野不佳，且对司机依赖性高。场桥作业时，由于司机室位置较高，下方照明条件不理想，且存在吊具遮挡视野盲区，因此司机有时无法及时、完整观察到下方堆码集装箱的情况。当码头作业繁忙，司机连续作业或夜间作业时，此种情况尤甚。由于小车和起升机构运动速度较快，且吊具所带载荷往往重达数吨到数十吨，一旦因为没有正确观察到堆码集装箱及卡车高度，不能及时减速停车，轻则着箱过快或碰箱，引起箱损；重则可能引发“打保龄”事故，导致堆码集装箱倾倒、货物损伤，甚至砸死、砸伤相关人员。目前市场上的场桥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。但是，现有的场桥堆码轮廓扫描系统往往具有以下缺点：1、系统依赖于反光标记。现有轮廓扫描系统通常采用在场桥拉杆和/或吊具上安装3～4个经特殊设计、易于利用模式识别等算法进行识别定位的反光板，用于对激光扫描仪与场桥主体、吊具之间的相对运动进行追踪。这种方式有三个显著缺点：第一，额外安装反光板导致系统整体成本增加，且安装位置往往无保护措施，安装作业危险性较大。第二，依赖反光板的特殊外形进行识别，由于灰尘遮挡干扰、其它场桥影响等因素，常导致识别失败或识别错误。第三，为保证扫描到反光板，激光扫描仪安装位置受到限制，往往导致安装和后期维护困难。2、系统往往依赖于外部传感器对小车和起升位置进行检测由于算法性能和精度限制，现有系统需要依赖小车和起升编码器对当前吊具位置进行判断，从而进行防撞判断。一旦编码器损坏，将导致系统无法正常工作。3、系统受遮挡、灰尘影响较大在小车和吊具运行的过程中，激光扫描仪视野往往受到遮挡。同时，环境中的灰尘会积累在激光扫描仪镜头上，遮挡部分扫描区域。由于现有系统往往采用较为原始的轮廓记忆算法，如折线或直方图方法，因此当系统受遮挡影响时，导致精度下降甚至误识别。4、系统对不规则物体识别不理想。现有系统往往采用折线轮廓或直方图对下方堆码物轮廓进行表征，因此当下方出现不规则物体如罐箱、集卡托板、开顶箱等物体时，系统可能存在识别不准确的情况。
技术实现思路
本技术克服了现有技术中的缺点，提供了一种基于物体轮廓跟踪的集装箱码头场桥防撞控制系统，利用激光扫描数据处理算法、自动控制领域的最新技术，结合码头作业流程，旨在解决以下问题：(1)防止RTG/RMG作业过程中吊具及其吊挂集装箱与场地内堆码集装箱及集卡发生碰撞；(2)利用激光扫描数据处理算法领域最新进展，提高系统运行的独立性，减少对外部反光板标记、额外传感器信息的依赖；(3)利用激光扫描数据处理算法领域最新进展，提高系统运行的可靠性与精度，减少误报、漏报、停车距离过远等问题。本技术的技术方案是：一种基于物体轮廓跟踪的集装箱码头场桥防撞控制系统，包括激光扫描仪、控制器和场桥PLC系统，所述激光扫描仪安装在设置在场桥主体上的小车司机室侧部或前部，并通过数据电缆和电源电缆与设置在小车司机室内的控制器连接，所述激光扫描仪接受控制器发出的信号对场桥吊具及场桥下方物体轮廓进行扫描，并将扫描数据传送给控制器；所述场桥PLC系统通过PLC接口与控制器连接，负责将吊具状态信息发送给控制器，并接收控制器的指令实现保护控制的执行；所述控制器根据接收的扫描数据和吊具状态信息对场桥吊具和场桥下方物体轮廓进行识别和防碰撞运算，并根据识别和防碰撞运算结果向场桥PLC系统下发控制命令。与现有技术相比，本技术的优点是：通过对现有的RTG/RMG吊具防碰箱系统进行改进，应用最新的激光扫描轮廓识别技术，消除系统对外部反光板、传感器的依赖，并扩展可识别物体轮廓种类，提高识别精度。具体表现如下：1、完全采用激光扫描仪对RMG/RTG下方物体轮廓进行完整扫描，采用最新轮廓跟踪与定位原理，不依赖于外部特定标记及小车编码器；2、对吊具轮廓及位置进行实时跟踪，不依赖于起升编码器；3、采用基于格点占用概率的障碍物轮廓表征方法，实现对不规则轮廓的高精度建模与跟踪；4、对下方物体轮廓进行持续跟踪、实现基于统计学原理的历史记忆及更新，实现盲区记忆及自动初始化。附图说明本技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1为系统结构及作业环境示意图；图2是显示激光传播路径的格点地图与平面坐标示意图；图3是本技术的坐标系定义示意图；图4为激光扫描数据的占用概率栅格图；图5为激光扫描点组成的轮廓示意图；图6为激光扫描数据与扫描轮廓进行匹配的示意图。具体实施方式系统结构及作业环境如图1所示，包括场桥主体M-1，拉杆M-2，主驱动轮M-3，小车T1，起升卷扬机构T-2，司机室T-3，钢缆R-1，吊具S-1，激光扫描仪L-1，激光扫描光束L-2，堆码集装箱Y-1、Y-2。基于物体轮廓跟踪的集装箱码头场桥防撞控制系统包括激光扫描仪L-1、控制器及场桥的PLC系统。小车T1设置在场桥主体M-1上，在小车驾驶室T-3内安装所述控制器及其所需电源，所述控制器与场桥PLC控制系统相连接；所述激光扫描仪L-1安装在小车司机室T-3侧部或前部视野良好区域，并通过数据和电源电缆与小车司机室T-3内的控制器连接。激光扫描仪L-1接受控制器发出的信号对吊具和下方物体轮廓进行扫描，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、下方物体及吊具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RMG/RTG的核心电气控制系统，负责将吊具的开闭锁状态、着箱状态、运行等信息发送给控制器，并接收控制器的指令实现保护控制的执行。激光扫描仪对其正下方进行连续扫描，可以获取堆场内集装箱的堆码轮廓和集装箱卡车轮廓等扫描数据。扫描数据经过控制器处理后，形成可靠的下方物体轮廓信息。激光扫描仪包括但不限于二维激光扫描仪/激光雷达和三维激光扫描仪/激光雷达。一、占用概率栅格图及其更新方法1.占用概率栅格图定义占用概率栅格图是本系统的重要概念。因此首先对其进行定义。占用概率栅格图是一种描述传感器周围环境中障碍物位置分布及存在概率的方式。“栅格”是指将二维平面xoy采用平行于纵横坐标的格线分成的格子。每个栅格对应平面中的一部分区域。栅格在计算机程序中表示为二维数组。每个栅格有纵横下标m,n，与格点中心的平面坐标具有一一对应关系。栅格总数为mmax*nmax。起始栅格下标为(0，0)，对应平面的左上方，终止栅格下标为(mmax-1，nmax-1)，对应平面右下方。在本系统中，为了满足算法需要、减少内存需求量，坐标原点位于栅格区域中心偏上位置，约(0.3*mmax,0.5*nmax)处，这样可以保证栅格区域覆盖整个场桥下方区域，同时兼顾小车、拉杆等区域。每个栅格中有一个数字，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于物体轮廓跟踪的集装箱码头场桥防撞控制系统，其特征在于：包括激光扫描仪、控制器和场桥PLC系统，所述激光扫描仪安装在设置在场桥主体上的小车司机室侧部或前部，所述激光扫描仪具有内部编码器；并通过数据电缆和电源电缆与设置在小车司机室内的控制器连接，所述激光扫描仪接受控制器发出的信号对场桥吊具及场桥下方物体轮廓进行扫描，并将堆场内集装箱的堆码轮廓和集装箱卡车轮廓扫描数据传送给控制器；所述场桥PLC系统通过PLC接口与控制器连接，负责将吊具状态信息发送给控制器，并接收控制器的指令实现保护控制的执行；所述控制器根据接收的扫描数据和吊具状态信息对场桥吊具和场桥下方物体轮廓进行识别和防碰撞运算，并根据识别和防碰撞运算结果向场桥PLC系统下发控制命令。

【技术特征摘要】
1.一种基于物体轮廓跟踪的集装箱码头场桥防撞控制系统，其特征在于：包括激光扫描仪、控制器和场桥PLC系统，所述激光扫描仪安装在设置在场桥主体上的小车司机室侧部或前部，所述激光扫描仪具有内部编码器；并通过数据电缆和电源电缆与设置在小车司机室内的控制器连接，所述激光扫描仪接受控制器发出的信号对场桥吊具及场桥下方物体轮廓进行扫描，并将堆场内集装箱的堆码轮廓和集装箱卡车轮廓扫描数据传送给控制器；所述场桥PLC系统通过PLC接口与控制器连接，负责将吊具状态信息发送给控制器，并接收控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑英美，臧雪聪，林凡雨，陈福兴，
申请(专利权)人：北京国泰星云科技有限公司，
类型：新型
国别省市：北京,11