本發(fā)明涉及一種集裝箱碼頭岸橋下的船舶輪廓識別和吊具防撞系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：
岸邊橋式起重機(jī)是集裝箱碼頭作業(yè)的重要機(jī)械，其效率、安全、作業(yè)正確性對碼頭作業(yè)有著重要影響。岸邊橋式起重機(jī)具有吊具鋼索長、起升和小車速度快的特點(diǎn)。在船舶上方作業(yè)時，由于司機(jī)看不清下方情況，可能會出現(xiàn)著箱過快導(dǎo)致箱損，甚至與船上結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞造成損失。同時，由于岸邊橋式起重機(jī)作業(yè)時追求效率，司機(jī)連續(xù)作業(yè)，有時會因?yàn)槿藶槭д`導(dǎo)致集裝箱裝錯位置，由此引發(fā)倒箱作業(yè)影響效率，甚至導(dǎo)致集裝箱發(fā)往錯誤目的地，造成經(jīng)濟(jì)、時間損失。同時，由于船舶作業(yè)時受到潮汐漲落、纜繩松弛、配重變化等影響，會發(fā)生晃動、漂離岸邊(離幫)等現(xiàn)象，對作業(yè)產(chǎn)生安全影響。目前市場上針對堆場內(nèi)的集裝箱堆碼輪廓掃描系統(tǒng)，利用激光掃描儀對堆場內(nèi)碼垛的集裝箱輪廓進(jìn)行掃描，建立了堆碼集裝箱輪廓，可以實(shí)現(xiàn)堆場內(nèi)龍門起重機(jī)的防撞和排位識別，防止撞箱或堆碼錯誤的發(fā)生，但該系統(tǒng)針對堆場內(nèi)龍門起重機(jī)，不適用于岸邊橋式起重機(jī)。國外的船舶輪廓掃描系統(tǒng)，利用激光掃描儀對船舶輪廓進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)防撞功能，但功能較為單一，且成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種集裝箱碼頭岸橋下的船舶輪廓識別和吊具防撞系統(tǒng)及方法，利用激光掃描、自動控制領(lǐng)域的最新技術(shù)，結(jié)合船舶作業(yè)計(jì)劃，旨在解決以下問題:(1)防止岸邊橋式起重機(jī)作業(yè)過程中吊具及其吊掛集裝箱與船體、船上建筑和貨物碰撞；(2)通過識別船上排位和吊具位置，防止由于指揮手或司機(jī)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(jìn)行監(jiān)測報警。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種集裝箱碼頭岸橋下的船舶輪廓識別和吊具防撞系統(tǒng)，包括控制器和分別與控制器連接的岸橋PLC控制系統(tǒng)、激光掃描儀和顯示器或報警裝置；所述激光掃描儀用于接收控制器發(fā)出的掃描控制指令，對船舶輪廓和集裝箱的堆碼輪廓進(jìn)行連續(xù)掃描，并交將掃描數(shù)據(jù)傳送給控制器；所述岸橋PLC控制系統(tǒng)用于將編碼器信息和吊具的開閉鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，并接收控制器發(fā)送的控制指令；所述控制器用于對接收到的掃描數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，得到船舶輪廓信息和運(yùn)算結(jié)果，并將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送給顯示器進(jìn)行顯示或發(fā)送給報警裝置進(jìn)行報警提示。本發(fā)明還提供了一種集裝箱碼頭岸橋下的船舶輪廓識別方法，包括如下步驟：步驟一、初始化激光掃描儀安裝參數(shù)和岸橋結(jié)構(gòu)參數(shù)：激光掃描儀安裝參數(shù)包括安裝高度、安裝傾角、激光到吊具距離；岸橋結(jié)構(gòu)參數(shù)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、利用激光掃描儀安裝參數(shù)，以激光掃描儀的安裝位置為原點(diǎn)，將激光掃描極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到激光直角坐標(biāo)系；步驟三、以岸橋前鞍梁中點(diǎn)在激光直角坐標(biāo)系x軸上的投影為原點(diǎn)，將激光直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大車直角坐標(biāo)系：(1)確定前鞍梁在激光直角坐標(biāo)系內(nèi)的位置：1)區(qū)域內(nèi)尋找特征：首先在鞍梁高度上下50cm內(nèi)尋找特征為水平線段且長度固定的鞍梁特征；然后在大梁高度上下50cm內(nèi)尋找特征為豎直線段且高度固定大梁前端特征；最后在吊具后方尋找特征為邊沿激光射線長度突變的吊具特征；2)特征匹配校核：a)若利用上一時刻計(jì)算出的有效的激光掃描儀位置推算出的前鞍梁位置附近50cm內(nèi)存在鞍梁特征線段，則該線段為前鞍梁；b)若利用上一時刻計(jì)算出的有效的激光掃描儀位置推算出的后鞍梁位置附近50cm內(nèi)存在鞍梁特征線段，則此線段為后鞍梁；c)若利用上一時刻計(jì)算出的有效的激光掃描儀位置推算出的大梁前端位置附近50cm內(nèi)存在大梁前端特征線段，則此線段為大梁前端；d)如果a)、b)、c)都不滿足，若存在兩個鞍梁特征線段間距接近鞍梁間距，則該兩個鞍梁特征線段為兩側(cè)鞍梁；(2)將前鞍梁在激光直角坐標(biāo)系下的位置取反得到激光掃描儀在大車直角坐標(biāo)系中的位置OffsetX；(3)將激光直角坐標(biāo)通過平移變換成大車直角坐標(biāo)，平移距離為OffsetX；步驟四、將激光當(dāng)前幀數(shù)據(jù)加入到歷史幀數(shù)組中進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，得到船舶輪廓：(1)將岸橋下空間劃分為5cm見方的格子，將不同時刻激光掃描幀內(nèi)的激光點(diǎn)落在格子內(nèi)形成的格點(diǎn)圖進(jìn)行累加拼接；(2)利用編碼器信息結(jié)合掃描到的岸橋的輪廓，對數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分得到船上點(diǎn)，對所有船上點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，找出其在格點(diǎn)圖中對應(yīng)的位置，即為船舶輪廓。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種利用船舶輪廓識別方法進(jìn)行吊具排位識別的方法，求出所有船上點(diǎn)中x坐標(biāo)最大的點(diǎn)和x坐標(biāo)最小的點(diǎn)，從而得到船的兩側(cè)邊緣位置，兩側(cè)邊緣位置取中點(diǎn)即得到船體中心位置；根據(jù)碼頭作業(yè)系統(tǒng)TOS獲取的船型信息，即可求得知船艙的總排數(shù)和排位分布；根據(jù)吊具的位置求得當(dāng)前吊具所在的排位，若當(dāng)前吊具所在的排位與TOS給出的當(dāng)前作業(yè)的目標(biāo)排不一致，則發(fā)出當(dāng)前作業(yè)排位不正確的報警提示。本發(fā)明還進(jìn)一步提供了一種利用船舶輪廓識別方法實(shí)現(xiàn)吊具防撞的方法，對尋找到的吊具特征進(jìn)行匹配校核識別出吊具位置，結(jié)合編碼器位置確定的吊具高度，若二者相減差距小于50cm即認(rèn)為吊具位置識別正確；然后對激光數(shù)據(jù)建立的障礙物地圖進(jìn)行遍歷，如果障礙物與吊具之間的距離小于設(shè)定的安全距離，則進(jìn)行減速控制。本發(fā)明還進(jìn)一步提供了一種利用船舶輪廓識別方法實(shí)現(xiàn)船舶傾斜角度報警的方法，其特征在于：對船上結(jié)構(gòu)的上平面進(jìn)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(dāng)傾斜角度大于設(shè)定的安全角度時，則進(jìn)行船艙傾斜報警提示。本發(fā)明還進(jìn)一步提供了一種利用船舶輪廓識別方法實(shí)現(xiàn)船舶離幫報警的方法，對船兩側(cè)邊沿進(jìn)行水平位置跟蹤，計(jì)算出當(dāng)前船舶中心到岸邊距離，當(dāng)距離發(fā)生明顯變化，大于設(shè)定的偏離值時，則進(jìn)行船艙離幫報警提示。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：通過對現(xiàn)有的船舶輪廓掃描系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用最新的激光掃描輪廓識別技術(shù)，通過識別船上排位和吊具位置，防止由于指揮手或司機(jī)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(jìn)行監(jiān)測報警；并通過應(yīng)用最新激光掃描儀產(chǎn)品降低了成本。具體表現(xiàn)如下：1.采用激光掃描儀對船舶輪廓進(jìn)行完整掃描；2.對船舶輪廓進(jìn)行分析，求得排位分布；結(jié)合碼頭作業(yè)系統(tǒng)給出的信息，判斷當(dāng)前作業(yè)排位是否正確；3.對船舶位置和形狀特征持續(xù)監(jiān)測，檢測傾斜和離幫。附圖說明本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的坐標(biāo)系定義示意圖；圖3為船舶和吊具等的輪廓圖。具體實(shí)施方式一種集裝箱碼頭岸橋下的船舶輪廓識別和吊具防撞系統(tǒng)，如圖1所示，包括岸橋(岸邊橋式起重機(jī))1、大臂2、小車駕駛室3、吊具4、小車5、鞍梁6、集裝箱船體7、船上建筑8、船上集裝箱9、岸邊10、激光掃描儀11、激光掃描光束12等。所述小車5設(shè)置在岸橋1的大臂2上，在小車駕駛室3內(nèi)裝有控制器及其所需電源、岸橋PLC控制系統(tǒng)和顯示器，所述控制器分別與顯示器和岸橋PLC控制系統(tǒng)連接；所述激光掃描儀11安裝在小車5前部，并通過數(shù)據(jù)和電源電纜與小車駕駛室3內(nèi)的控制器連接，激光掃描儀11接受控制器發(fā)出的信號對吊具和船舶輪廓進(jìn)行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)傳送給控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?？刂破鞯墓δ苁菍?shí)現(xiàn)激光掃描儀的控制和數(shù)據(jù)采集、船型輪廓的識別和防碰撞運(yùn)算等功能，并通過與PLC接口實(shí)現(xiàn)信息的獲取和控制命令的下發(fā)。PLC為岸橋的核心電氣控制設(shè)備，負(fù)責(zé)將小車編碼器、起升編碼器、吊具的開閉鎖狀態(tài)等信息發(fā)送給控制器，并接收控制器的指令實(shí)現(xiàn)控制的執(zhí)行。激光掃描儀11對其正下方進(jìn)行連續(xù)掃描，可以獲取船上集裝箱9的堆碼輪廓和集裝箱船體7的船型輪廓等掃描數(shù)據(jù)。掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過控制器處理后，形成可靠的船型輪廓信息。激光掃描儀包括但不限于二維激光掃描儀/激光雷達(dá)和三維激光掃描儀/激光雷達(dá)。由于輪船位置和輪廓不會突變，因此利用歷史信息對激光盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)全，并能檢測輪船晃動。一、船舶輪廓識別方法如下：步驟一、初始化安裝和結(jié)構(gòu)參數(shù)激光安裝參數(shù)包括安裝高度、安裝傾角、激光到吊具距離；結(jié)構(gòu)參數(shù)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、將激光掃描極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到激光直角坐標(biāo)系：首先利用激光掃描儀的安裝參數(shù)，以激光掃描儀的安裝位置為坐標(biāo)系原點(diǎn)，將激光掃描極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標(biāo)系(直角坐標(biāo)系)：x＝radial*cos(angle-AngleOffset)；y＝radial*sin(angle-AngleOffset)；其中，x、y表示笛卡爾坐標(biāo)系中激光掃描點(diǎn)位置，radial、angle表示極坐標(biāo)下掃描點(diǎn)到激光掃描儀距離和角度，AngleOffset表示激光安裝角度補(bǔ)償值。步驟三、將激光直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到岸橋直角坐標(biāo)系：本系統(tǒng)主要用到兩個坐標(biāo)系，激光坐標(biāo)系和岸橋坐標(biāo)系(即大車坐標(biāo)系)，如圖2所示：其中，激光坐標(biāo)系O1以激光掃描儀為原點(diǎn)，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(biāo)轉(zhuǎn)換出來的激光數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)為此坐標(biāo)系下數(shù)值。由于激光安裝在小車上，隨小車移動，而船舶輪廓與岸橋本體之間相對不動，因此為了后續(xù)計(jì)算，需要將激光點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到與岸橋固定不動的坐標(biāo)系O2下。岸橋坐標(biāo)系x軸和y軸的方向與激光坐標(biāo)系平行，原點(diǎn)選取為前鞍梁中點(diǎn)在激光坐標(biāo)系x軸上的投影。因此，從激光坐標(biāo)系到岸橋坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，只需要平移一個激光到前鞍梁的水平距離，此距離定義為OffsetX。(1)確定前鞍梁在激光坐標(biāo)系內(nèi)位置：直接尋找明顯的前鞍梁特征；或者找到后鞍梁、利用前、后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(qū)域內(nèi)尋找特征首先在鞍梁高度附近(上下50cm內(nèi))尋找鞍梁特征，其特征為水平線段，長度固定；然后在大梁高度范圍附近(上下50cm內(nèi))尋找大梁前端，其特征為豎直線段，高度固定；最后在吊具后方尋找吊具特征，其特征為邊沿激光射線長度突變。2)特征匹配校核由于岸橋結(jié)構(gòu)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(biāo)原點(diǎn)，結(jié)合上一次計(jì)算出的激光掃描儀位置OffsetX，對找到的特征進(jìn)行匹配和多余特征的剔除。具體來說，如果上一時刻計(jì)算出過有效的激光掃描儀位置OffsetX(與PLC位置核對誤差小于50cm為有效)，且利用此激光位置推算出的前鞍梁位置附近50cm內(nèi)存在鞍梁線段，則此線段為前鞍梁；如果上一時刻計(jì)算出過有效的激光掃描儀位置OffsetX(與PLC位置核對誤差小于50cm為有效)，且利用此激光位置推算出的后鞍梁位置附近50cm內(nèi)存在鞍梁線段，則此線段為后鞍梁；如果上一時刻計(jì)算出過有效的激光掃描儀位置OffsetX(與PLC位置核對誤差小于50cm為有效)，且利用此激光位置推算出的大梁前端位置附近50cm內(nèi)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(cè)鞍梁。(2)激光掃描儀與前鞍梁相對位置計(jì)算(作用是為了對吊具和船舶輪廓進(jìn)行區(qū)分，以排除吊具點(diǎn)對輪廓的影響)匹配完成后，根據(jù)前鞍梁位置，計(jì)算激光掃描儀在岸橋坐標(biāo)系x軸方向的位置。激光掃描儀位置即等于前鞍梁在激光直角坐標(biāo)系下的位置取反。(3)將激光直角坐標(biāo)通過平移變換成大車直角坐標(biāo)：每個激光點(diǎn)相對岸橋坐標(biāo)系的位置也可以求出，計(jì)算方法為：激光點(diǎn)在岸橋坐標(biāo)系下的x＝激光點(diǎn)在激光坐標(biāo)系下的x-激光到前鞍梁距離OffsetX；步驟四、通過激光數(shù)據(jù)拼接得到船舶輪廓：由于不同時刻激光視野不同，下方障礙物會被遮擋。因此要對激光數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，組成完整輪廓信息。當(dāng)前幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到岸橋坐標(biāo)系后，將當(dāng)前幀數(shù)據(jù)加入到激光數(shù)據(jù)歷史幀數(shù)組中，因此可以針對輪廓圖中的格點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)累加拼接。具體拼接方法為，首先將岸橋下空間劃分為格點(diǎn)圖，每個小格子寬度為5cm。每個格子有占用或不占用兩種狀態(tài)。如果當(dāng)前激光掃描幀內(nèi)有激光點(diǎn)落在格子內(nèi)，則格子置為占用狀態(tài)。這樣，不同時刻的激光數(shù)據(jù)在格點(diǎn)圖內(nèi)形成累加拼接，補(bǔ)全了單幀數(shù)據(jù)的視野殘缺。由于開閉鎖導(dǎo)致提放箱，會引起船舶輪廓變化，因此當(dāng)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(diǎn)x前后150CM)的格點(diǎn)清零，重新累計(jì)激光點(diǎn)。利用編碼器信息結(jié)合掃描到的岸邊橋式起重機(jī)的輪廓，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，劃分為船上點(diǎn)和地面點(diǎn)。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(diǎn)，此點(diǎn)往前所有點(diǎn)劃分為船上點(diǎn)。對船上點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求x坐標(biāo)的最大最小值，可以得到船的兩側(cè)邊緣位置。兩側(cè)邊緣位置取中點(diǎn)，即為船舶中心。對所有船上點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，找出其在格點(diǎn)圖中對應(yīng)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(cè)邊緣位置即能得到船體(即兩側(cè)邊緣之間的部分)，從而求得船體中心位置。由于船上排位劃分依據(jù)的是距離船體中心的距離，因此可以根據(jù)預(yù)先通過碼頭作業(yè)系統(tǒng)TOS獲取的船型信息，得知此船總排數(shù)和排位分布。根據(jù)排位分布，可以知道每排距離船中心的位置，因此當(dāng)知道吊具位置，就可以求得當(dāng)前吊具所在的排位。TOS中還可以獲得當(dāng)前作業(yè)的目標(biāo)排，與當(dāng)前吊具所在排比較，如果所在排位不正確，系統(tǒng)可以通過聲光提示或控制吊具旋鎖的方式防止將集裝箱放在錯誤排位。排位計(jì)算公式為：P＝floor(|D|/Dis)*2(雙數(shù)側(cè))和P＝floor(|D|/Dis)*2+1(單數(shù)側(cè))。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(shù)由船舶方向決定，需要提前輸入。三、防撞實(shí)現(xiàn)方法如下：1、結(jié)合編碼器位置，對激光識別出的吊具特征進(jìn)行匹配校核。前述已經(jīng)根據(jù)吊具特征(與激光的x方向距離一定，切邊沿激光射線長度突變)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，兩者相減差距小于50cm即認(rèn)為吊具位置識別正確。2、對激光數(shù)據(jù)建立的障礙物地圖進(jìn)行遍歷，如果有障礙物離吊具s位置太近(小于用戶指定的安全距離)，則進(jìn)行減速控制。四、船舶傾斜角度報警實(shí)現(xiàn)方法：對船上結(jié)構(gòu)的上平面(如集裝箱頂面、船艙頂面)進(jìn)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(大于用戶指定的安全范圍)，則進(jìn)行聲光報警。上平面的識別方法為，判斷每個掃描點(diǎn)到其左右兩側(cè)兩個點(diǎn)的x、y位置差，如果x差小于15cm、y差小于5cm則認(rèn)為該點(diǎn)及其左右兩側(cè)兩個點(diǎn)屬于一個平面上的直線，y差大于5cm的位置為該直線的端點(diǎn)。首先對直線段進(jìn)行切分，排除、斷點(diǎn)，只對足夠長(大于4m)的直線段進(jìn)行擬合。直線擬合采用最小二乘方法，給定數(shù)據(jù)點(diǎn)pi(xi,yi)，其中i＝1,2,…,m。求近似直線y＝φ(x)。并且使得近似直線與y＝f(x)的偏差平方和最小。近似直線在點(diǎn)pi處的偏差δi＝φ(xi)-y，i＝1,2,...,m。五、船舶離幫報警實(shí)現(xiàn)方法：對船上結(jié)構(gòu)的角點(diǎn)，特別是船兩側(cè)邊沿進(jìn)行水平位置跟蹤，可以求出當(dāng)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(dāng)距離發(fā)生明顯變化(例如偏離了100cm，具體值可以配置設(shè)定)，說明發(fā)生離幫情形，即進(jìn)行聲光報警。報警提示動作包括但不限于聲光報警，也可通過文字提示、震動、減速停車、網(wǎng)絡(luò)報警等方式。本發(fā)明的工作原理是：系統(tǒng)包括核心器件為控制器、激光掃描儀，及顯示器、電源適配器、交換機(jī)、線纜等附件。系統(tǒng)硬件核心設(shè)備是激光掃描儀和控制器，其與PLC、小車編碼器、起升編碼器、指示燈和控制開關(guān)等設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)防碰撞控制。該系統(tǒng)利用長距離激光掃描儀，通過掃描岸橋鞍梁和大臂前端橫梁，建立固定坐標(biāo)系；結(jié)合岸橋PLC控制系統(tǒng)提供的編碼器信息和激光掃描輪廓，對船舶輪廓進(jìn)行掃描識別和歷史信息補(bǔ)全；同時利用船舶排位對稱和船舶寬度、艙深度等信息，構(gòu)建船舶箱位圖，可與箱號識別系統(tǒng)和碼頭作業(yè)系統(tǒng)交互，實(shí)現(xiàn)作業(yè)指令的自動下發(fā)和校核。