本發(fā)明涉及智能控制及裝船機(jī)，具體涉及基于三維點(diǎn)云的裝船機(jī)物料裝載調(diào)度規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、裝船機(jī)是用于散料碼頭裝船時(shí)使用的大型散料機(jī)械，它通常由多個(gè)部分組成，包括臂架皮帶機(jī)、過渡皮帶機(jī)、伸縮溜筒、尾車、走行裝置、門架、塔架、俯仰裝置、回轉(zhuǎn)裝置等。這些部分協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了散裝物料的高效裝載。

2、在物料裝載過程中，裝船機(jī)通過其臂架或抓斗等裝置抓取物料，并將其運(yùn)送到貨船的貨艙中。具體來說，裝船機(jī)的工作流程大致如下：1)散裝物料從儲(chǔ)存區(qū)域通過輸送帶系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)窖b船機(jī)的工作區(qū)域。2)裝船機(jī)的抓取裝置(如抓斗或伸縮溜筒)將物料從輸送帶上抓取起來。3)抓取裝置通過旋轉(zhuǎn)裝置或移動(dòng)裝置將物料運(yùn)送到貨船的貨艙上方。4)物料被準(zhǔn)確地投放到船舶貨倉中，完成裝載過程。

3、然而，通過裝船機(jī)向船舶貨倉抓取和卸載物料時(shí)還存在一些問題，主要包括裝載不均勻和沒有合理規(guī)劃裝船機(jī)每次裝載位置兩個(gè)問題。一方面，裝船機(jī)在裝載物料時(shí)沒有進(jìn)行精確的分配和控制，會(huì)導(dǎo)致物料在貨船上的分布不均勻，不均勻分布不僅會(huì)影響貨船的航行穩(wěn)定性，還可能對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成長期損害。特別是在裝載重量較大的物料時(shí)，不均勻的裝載可能導(dǎo)致船體局部受力過大，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或損壞。另一方面，由于沒有合理規(guī)劃裝船機(jī)每次的裝載位置，會(huì)導(dǎo)致裝船機(jī)在裝載過程中頻繁移動(dòng)和調(diào)整，從而降低了裝載效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：如何提供一種基于三維點(diǎn)云的裝船機(jī)物料裝載調(diào)度規(guī)劃方法，通過生成船舶貨倉每一層物料的調(diào)度規(guī)劃方案來實(shí)現(xiàn)裝船機(jī)的物料抓取和卸載，從而提高裝船機(jī)物料裝載的均勻程度和裝載效率。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

3、基于三維點(diǎn)云的裝船機(jī)物料裝載調(diào)度規(guī)劃方法，包括：

4、s1：獲取待裝載物料堆的總體積，以及裝船機(jī)單次的抓取物料體積和卸料堆放面積；

5、s2：根據(jù)船舶貨倉的容量，結(jié)合待裝載物料堆的總體積以及裝船機(jī)單次的抓取物料體積和卸料堆放面積，計(jì)算生成第一層物料的裝載規(guī)劃方案；其中第一層物料的裝載規(guī)劃方案包括裝載船舶貨倉內(nèi)的第一層物料時(shí)裝船機(jī)每一次的卸料位置；

6、s3：通過第一層物料的裝載規(guī)劃方案調(diào)度裝船機(jī)完成船舶貨倉內(nèi)第一層物料的裝載；

7、s4：通過船舶貨倉內(nèi)已裝載物料的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定可裝載位置，結(jié)合待裝載物料堆的剩余體積和裝船機(jī)單次的抓取物料體積計(jì)算下一層物料的裝載規(guī)劃方案；其中下一層物料的裝載規(guī)劃方案包括裝載船舶貨倉內(nèi)的下一層物料時(shí)裝船機(jī)每一次的卸料位置；

8、s5：通過下一層物料的裝載規(guī)劃方案調(diào)度裝船機(jī)完成船舶貨倉下一層物料的裝載；

9、s6：重復(fù)步驟s4至s5，直至待裝載物料堆裝載完成或船舶貨倉容量達(dá)到上限。

10、優(yōu)選的，步驟s1中，通過待裝載物料堆的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定其總體積；

11、具體步驟如下：

12、s101：獲取待裝載物料堆在不同視角或不同位置下的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

13、s102：對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；

14、s103：將不同視角或不同位置預(yù)處理后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下；

15、s104：利用點(diǎn)云拼接算法將不同視角或不同位置的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，生成物料整體點(diǎn)云模型；

16、s105：根據(jù)待裝載物料堆與環(huán)境的差異，結(jié)合分割算法將待裝載物料堆從物料整體點(diǎn)云模型的背景中分割出來，得到物料堆點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

17、s107：對(duì)分割后的物料堆點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)處理，得到物料堆三維模型；

18、s108：基于重構(gòu)后的物料堆三維模型，結(jié)合體積計(jì)算方法計(jì)算待裝載物料堆的總體積。

19、優(yōu)選的，步驟s1中，對(duì)裝船機(jī)進(jìn)行多次物料抓取和卸載實(shí)驗(yàn)；測量每次實(shí)驗(yàn)中裝船機(jī)抓取的物料體積和卸料后的物料堆放面積；取多次測量的物料體積和物料堆放面積的平均值作為裝船機(jī)單次的抓取物料體積和卸料堆放面積。

20、優(yōu)選的，步驟s2中，通過如下步驟生成第一層物料的裝載規(guī)劃方案：

21、s201：根據(jù)裝船機(jī)的卸料堆放面積將船舶貨倉的底面劃分為網(wǎng)格；其中網(wǎng)格中每一個(gè)網(wǎng)格單元的面積尺寸均與裝船機(jī)單次的卸料堆放面積對(duì)應(yīng)；

22、s202：通過網(wǎng)格單元的數(shù)量結(jié)合裝船機(jī)單次的抓取物料體積計(jì)算船舶貨倉第一層物料的理論體積；判斷第一層物料的理論體積是否大于待裝載物料堆的總體積：若是，則執(zhí)行步驟s203；否則，執(zhí)行步驟s204；

23、s203：通過待裝載物料堆的總體積結(jié)合裝船機(jī)單次的抓取物料體積計(jì)算第一層的所需抓取次數(shù)；根據(jù)裝船機(jī)的所需抓取次數(shù)從船舶貨倉的網(wǎng)格中選取對(duì)應(yīng)數(shù)量的網(wǎng)格單元；生成以選取的所有網(wǎng)格單元作為裝載船舶貨倉內(nèi)第一層物料時(shí)裝船機(jī)的卸料位置的第一層物料的裝載規(guī)劃方案；

24、s204：生成將網(wǎng)格中所有網(wǎng)格單元作為裝載船舶貨倉內(nèi)第一層物料時(shí)裝船機(jī)的卸料位置的第一層物料的裝載規(guī)劃方案。

25、優(yōu)選的，步驟s202中，通過如下公式計(jì)算第一層物料的理論體積：

26、v1＝n×v；

27、式中：vm表示第一層物料的理論體積；n表示網(wǎng)格單元的數(shù)量；v表示裝船機(jī)的抓取物料體積。

28、優(yōu)選的，步驟s203中，通過如下公式計(jì)算第一層的所需抓取次數(shù)：

29、

30、式中：c表示第一層的所需抓取次數(shù)；vall表示待裝載物料堆的總體積；v表示裝船機(jī)的抓取物料體積。

31、優(yōu)選的，步驟s203中，若第一層物料的理論體積大于船舶貨倉的容量，則通過船舶貨倉的容量結(jié)合裝船機(jī)單次的抓取物料體積計(jì)算第一層的最大抓取次數(shù)；根據(jù)第一層的最大抓取次數(shù)從船舶貨倉的網(wǎng)格中選取對(duì)應(yīng)數(shù)量的網(wǎng)格單元；生成以選取的所有網(wǎng)格單元作為裝載船舶貨倉內(nèi)第一層物料時(shí)裝船機(jī)的卸料位置的第一層物料的裝載規(guī)劃方案。

32、優(yōu)選的，步驟s4中，通過如下步驟生成下一層物料的裝載規(guī)劃方案：

33、s401：獲取船舶貨倉已裝載物料的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

34、s402：根據(jù)船舶貨倉已裝載物料的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)識(shí)別出船舶貨倉下一層物料的可裝載位置；

35、s403：通過可裝載位置的數(shù)量結(jié)合裝船機(jī)的抓取物料體積計(jì)算船舶貨倉下一層物料的理論物料體積；判斷下一層物料的理論物料體積是否大于待裝載物料堆的剩余體積：若是，則執(zhí)行步驟s404；否則，執(zhí)行步驟s405；

36、s404：通過待裝載物料堆的剩余體積結(jié)合裝船機(jī)單次的抓取物料體積計(jì)算裝船機(jī)下一層物料的所需抓取次數(shù)；根據(jù)下一層物料的所需抓取次數(shù)選取對(duì)應(yīng)數(shù)量的可裝載位置；生成以選取的可裝載位置作為裝載船舶貨倉內(nèi)下一層物料時(shí)裝船機(jī)的卸料位置的下一層物料的裝載規(guī)劃方案；

37、s405：生成將所有可裝載位置作為裝載船舶貨倉內(nèi)下一層物料時(shí)裝船機(jī)的卸料位置下一層物料的裝載規(guī)劃方案。

38、優(yōu)選的，步驟s402中，通過船舶貨倉已裝載物料的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)識(shí)別出船舶貨倉內(nèi)已裝載物料的低洼區(qū)域以及位置坐標(biāo)和面積；將面積大于設(shè)置的面積閾值的低洼區(qū)域作為下一層物料的可裝載位置。

39、優(yōu)選的，步驟s402中，通過如下步驟識(shí)別出船舶貨倉內(nèi)物料的低洼區(qū)域：

40、s4021：對(duì)船舶貨倉已裝載物料的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

41、s4022：對(duì)預(yù)處理后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，生成物料表面三維模型；

42、通過delaunay三角化算法生成物料表面三維模型，具體步驟如下：

43、s40221：選擇一個(gè)包含所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的超級(jí)三角形加入網(wǎng)格中；

44、s40222：遍歷三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，依次將其插入到當(dāng)前網(wǎng)格中；

45、s40223：對(duì)于每個(gè)新插入的數(shù)據(jù)點(diǎn)，找到其所在的三角形或超級(jí)三角形，并將該數(shù)據(jù)點(diǎn)與三角形的三個(gè)頂點(diǎn)相連形成三個(gè)新的邊；

46、s40224：檢查新的邊是否滿足delaunay條件，若存在不滿足delaunay條件的邊，則進(jìn)行邊翻轉(zhuǎn)操作，即用相鄰的兩個(gè)三角形替換當(dāng)前三角形，直到所有邊都滿足delaunay條件；

47、s40225：重復(fù)步驟s40222至s40224，直至所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都被插入到網(wǎng)格中，且所有邊都滿足delaunay條件；

48、s40226：移除最初添加的超級(jí)三角形及其相關(guān)的三角形，生成最終的delaunay三角化網(wǎng)格；

49、s40227：對(duì)delaunay三角化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格平滑和空洞填補(bǔ)，生成物料表面三維模型；

50、s4023：對(duì)物料表面三維模型進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析，識(shí)別出物料表面的低洼區(qū)域；

51、識(shí)別低洼區(qū)域的具體步驟如下：

52、s40231：選擇一個(gè)投影平面，遍歷物料表面三維模型中的每個(gè)頂點(diǎn)，計(jì)算其在投影平面上的坐標(biāo)，同時(shí)記錄每個(gè)頂點(diǎn)的高度信息；

53、s40232：通過插值算法填充頂點(diǎn)之間的空白區(qū)域，生成高度圖；

54、s40233：對(duì)高度圖進(jìn)行預(yù)處理和形態(tài)學(xué)操作；形態(tài)學(xué)操作包括腐蝕操作、膨脹操作以及開運(yùn)算和閉運(yùn)算；

55、s40234：應(yīng)用閾值分割技術(shù)將預(yù)處理和形態(tài)學(xué)操作后的高度圖劃分為低洼區(qū)域和非低洼區(qū)域；

56、s4024：計(jì)算低洼區(qū)域的位置坐標(biāo)和面積；

57、計(jì)算低洼區(qū)域位置坐標(biāo)和面積的具體步驟如下：

58、s40241：對(duì)低洼區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記；計(jì)算每個(gè)低洼區(qū)域質(zhì)心的坐標(biāo)作為其位置坐標(biāo)；

59、s40242：統(tǒng)計(jì)低洼區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)的數(shù)量，結(jié)合每個(gè)像素代表的實(shí)際面積計(jì)算得到低洼區(qū)域的面積。

60、本發(fā)明中基于三維點(diǎn)云的裝船機(jī)物料裝載調(diào)度規(guī)劃方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

61、本發(fā)明根據(jù)船舶貨倉的容量結(jié)合待裝載物料堆的總體積以及裝船機(jī)單次的抓取物料體積和卸料堆放面積計(jì)算生成第一層物料的裝載規(guī)劃方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶貨倉內(nèi)第一層物料的裝載。首先通過精確計(jì)算第一層物料的裝載規(guī)劃方案，可以確保第一層物料在船舶貨倉內(nèi)均勻分布，這種均勻分布可以有效避免貨倉因物料集中而產(chǎn)生的重心偏移，從而保證船舶在航行過程中的穩(wěn)定性，減少因貨物不均衡導(dǎo)致的船舶傾斜風(fēng)險(xiǎn)。其次根據(jù)船舶貨倉的容量和裝船機(jī)的抓取能力，精確規(guī)劃裝船機(jī)每一次的卸料位置，使得第一層物料在水平方向和垂直方向上都達(dá)到較高的均勻度，不僅有利于船舶的穩(wěn)定性，還能提高裝載空間的有效利用率。最后通過預(yù)先計(jì)算好的裝載規(guī)劃方案，裝船機(jī)可以直接按照既定路徑和位置進(jìn)行裝載，減少了裝載過程中的調(diào)整和等待時(shí)間，從而提高了整體裝載效率。

62、本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)船舶貨倉內(nèi)第一層物料裝載的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過船舶貨倉內(nèi)已裝載物料的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定可裝載位置結(jié)合待裝載物料堆的剩余體積和裝船機(jī)單次的抓取物料體積計(jì)算下一層物料的裝載規(guī)劃方案，最終實(shí)現(xiàn)各層物料的裝載。首先隨著裝載的進(jìn)行，船舶貨倉內(nèi)的物料分布會(huì)發(fā)生變化，通過三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測貨倉內(nèi)的物料狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整后續(xù)層的裝載規(guī)劃方案，確保每層物料均能夠船舶貨倉內(nèi)均勻分布，且各層物料之間實(shí)現(xiàn)均衡分布，從而持續(xù)保證船舶物料的裝載的均勻性和穩(wěn)定性。其次基于載物料的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以精確計(jì)算出剩余裝載空間與待裝載物料的匹配度，從而規(guī)劃出更加貼合貨倉形狀和容量的裝載方案，進(jìn)一步提升物料裝載的均勻程度。最后通過精確控制每一層物料的裝載位置和形狀，可以有效減少物料之間的空隙，提高貨倉的空間利用率和裝載密度。同時(shí)對(duì)于形狀不規(guī)則或體積變化大的物料堆，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)能提供更準(zhǔn)確的物料形態(tài)信息，幫助規(guī)劃方案更好地適應(yīng)復(fù)雜情況，避免裝載過程中出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題。