[发明专利]基于物体轮廓跟踪的集装箱码头场桥防撞控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明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及方法。

背景技术

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truck lane)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。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明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及方法，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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：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。

本发明还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方法，包括如下步骤：

步骤一、初始化激光扫描仪安装参数和场桥结构参数：

激光扫描仪安装参数包括安装高度、安装倾角、激光到吊具中心距离；场桥结构参数包括场桥高度和场桥跨距；

步骤二、确定占用概率栅格图边界及激光初始位置：