专利名称：装船机物位二维激光扫描雷达自动检测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种自动检测技术领域的系统及方法，具体是一种装船机物位 二维激光扫描雷达自动检测系统及方法。
背景技术：
全球贸易一体化的发展促进了全球范围内对散料运输的需求。据郝勇瑞在 《中国水运》[(2007) 3: 26-27]发表的"2007年国际干散货运输市场展望" 的介绍，2007年世界干散货船队总运力将达到约3.82亿吨，比2006年增 加4.99%，净增运力1817万吨。随之而来的是对大型、高效的散货自动装卸 船设备的需求。堆料机和取料机是港口作业中的两种主要设备。由于其工作部 位与驾驶室较远，司机视角有限，看不到作业部位的全部工作情况，容易造成 机械事故，影响装卸效率。装船机司机的视角更为有限，需根据舱口指挥人员 的口令进行操作；作业时司机看不到溜筒周围情况，容易出现与船舱舱壁碰撞 的事故。目前，解决这一问题的主要方法是采用摄像监视系统，即通过在适当 部位安装自动稳定摄像机，将图像信号传至司机室，使司机通过视频看到作业 部位的具体情况，从而做出相应的操作。但是这种方法仅仅适用于人工操作， 无法满足自动化发展要求。针对大型、高效的散货自动装卸船设备的需求，国
内外对装船自动化的研究开发一直没有停止过。
经对现有技术的文献检索发现，严兆基在《港口装卸》[(2006) 5(169):
14-15]上发表了 "散货装船机全自动控制方案研讨"，文中提出了一种全自动控
制方案，并指出其关键技术在于装船机上的物位自动检测系统。文中提出的检
测装置是微波雷达物位仪，但是并没有给出系统具体的实现方法。在物位自动
检测系统中，可选用的非接触式测量手段除了上述的微波雷达，还有超声波、
a射线等。但是微波雷达、超声波与二维激光扫描雷达相比，波长太大，在实
际应用中不容易形成漫反射，有很强的角度限制，这就限制了检测范围。同时，微波雷达、超声波还特别容易形成多次反射，导致返回信号的噪声干扰很多， 严重影响测量结果。而a射线精度较差，安装难度大，且对人体危害性极大， 一般不用于露天场合。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种装船机物位二维激光雷 达自动检测系统及方法。本发明采用二维激光雷达实时扫描，能对物料提供精 确的物位测量，受温度、湿度的影响较小，抗干扰性较好。
本发明是通过以下技术方案实现的
本发明所涉及的装船机物位二维激光扫描雷达自动检测系统，包括两套 激光扫描装置、工控主机和摄像装置。两套激光扫描装置对称的安装在装船机 的固定悬架底部中心线的两侧，工控主机和摄像装置安装于装船机的固定悬架 底部的中心线上。工控主机和摄像装置的数据线分别独立连接到装船机操作室。
所述激光扫描装置包括二维激光雷达、伺服电机、联轴器、旋转主轴、限 位及零点传感器、含轴承的轴承座、抱闸装置、激光雷达背部支架、L形安装底 板。二维激光雷达通过激光雷达背部支架固定在旋转主轴上，旋转主轴通过含 轴承的轴承座安装在L形安装底板上，伺服电机直接安装在L形安装底板上， 并通过联轴器与旋转主轴相连接，限位及零点传感器及抱闸装置均与旋转主轴 同心安装，L形安装底板固定在装船机悬臂的固定悬架末端底部，安装后二维激 光雷达的扫描平面与旋转主轴的旋转平面垂直，并保证二维激光雷达的视角向 下。
所述工控主机，其主板上设有运动控制卡、数据采集卡，二维激光雷达采 集到的数据传输到工控主机内的数据采集卡，工控主机中的运动控制卡与伺服 电机的驱动模块(伺服电机的配套设备)相连。
所述摄像装置包括摄像头和云台，摄像头安装在云台上，通过云台的动作 实现对不同方位的监控。
本发明所涉及的装船机物位二维激光扫描雷达自动检测方法，通过二维激 光雷达实时扫描，采集船舱和物料轮廓数据，实时显示船舱轮廓和物料堆存的 状态，计算货船舱口的尺寸、深度和相对大车的坐标；监控溜筒的相对坐标，并计算出溜筒与舱口的水平间距，检测料堆的轮廓坐标，并计算出当前落料点 的料堆最高点和溜筒的铅直间距。 本发明方法包括以如下歩骤
第一步，操作室启动检测系统，系统进行一系列初始化和自检，更新当前 雷达状态；
第二歩，在装船机大车粗定位并停止后，检测系统扫描船身，辨识出舱口 尺寸发送报文给操作室进行船型比对；
第三步，计算出舱口坐标，发送报文给操作室，指示大车移动进行精定位， 使悬臂位于舱口中心位置；
第四步，悬臂俯下并停止，检测系统再次扫描舱口，建立全局坐标系，确 定舱口坐标；
第五步，装船机进行装船作业，检测系统实时检测溜筒的三维坐标和料堆 的轮廓坐标，并对船舱舱口坐标进行实时监控。对于超出检测范围的料堆轮廓 使用最新更新的历史检测数据；
第六步，当溜筒与舱口水平间距小于安全值或者溜筒与当前料堆最高点铅 直间距小于安全值时，发送对应的报警报文给操作室；操作室接收到报警报文 后，立即停止作业，移动溜筒到安全区域，继续进行作业；
第七步，计算料堆平均高度，到达设定容量后(如船舱深度的70%)，停止 自动化作业，转由人工观察视频信号，手动操作完成作业。
在上述检测方法中，二维激光扫描雷达在船舱横向的竖直平面内进行扫描， 伺服电机驱动雷达在船舱纵向的竖直平面内转动，从而实现了对各对象三维数 据的采集。系统扫描得到测量船舱和其中料堆外形轮廓的点云距离数据及相应 的水平与垂直两个转角数据，计算机接收到上述数据，进行极坐标与直角坐标 数据转换，回复成扫描点云的直角坐标，进而得到船舱内部三维表面和料堆外 形轮廓的实际坐标，实现三维重建，完成装船过程中物料装卸量及物料堆形分 布的在线检测与监控。
本发明运用二维激光扫描雷达，结合伺服电机和运动控制卡，实现了对装 船机和物料的三维扫描，实时采集各部分的相关参数，并提出了合理的检测和
数据处理方法，为装船机自动化系统的提供实时的控制参数。本发明可以实现 船舶舱口位置的定位误差和尺寸误差均〈200mm，表面形貌识别误差〈100mra。这 为装船机全自动系统的实现提供了一种准确、高效的检测手段。
图l为本发明检测系统使用时总体布局图(轴测图)
图2为本发明检测系统安装布局示意图(仰视图)
图3为本发明激光扫描装置结构及测量原理示意图
图4为本发明激光扫描装置结构及测量原理示意图(右视)
图5为本发明检测方法流程图
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的 保护范围不限于下述的实施例。
如图l、图2所示，l-运输船、2-装船机溜筒、3-装船机物位二维激光扫描 雷达自动检测系统、4-装船机、5-伸縮悬架、6-激光扫描装置、7-工控主机、 8-固定悬架、9-摄像装置，其中l-运输船、2-装船机溜筒、4-装船机、5-伸 縮悬架、8-固定悬架都属于使用中涉及的现有外部设备。
本发明装船机物位二维激光扫描雷达自动检测系统包括两套激光扫描装置 6、工控主机7 (包括运动控制卡、数据采集卡)和摄像装置9。其中两套激 光扫描装置6对称的安装在装船机的固定悬架8底部中心线的两侧，工控主机7 和摄像装置9安装于装船机的固定悬架8底部的中心线上。
如图3、图4所示，所述激光扫描装置6结构及测量原理示意图，包括10-伺服电机、11-联轴器、12-激光雷达背部支架、13-二维激光雷达、14-旋转主 轴、15-限位及零点传感器、16-含轴承的轴承座、17-抱闸装置、18-L形安装底 板。二维激光雷达13通过激光雷达背部支架12固定在旋转主轴14上，旋转主 轴14通过含轴承的轴承座16安装在L形安装底板18上，伺服电机10直接安 装在L形安装底板18上，并通过联轴器11与旋转主轴14相连接，限位及零点 传感器15及抱闸装置17均与旋转主轴14同心安装，L形安装底板18固定在装船机悬臂的固定悬架8末端的底部，安装后二维激光雷达13的扫描平面与旋转 主轴14的旋转平面垂直，并保证二维激光雷达13的视角向下。
如图5所示，装船机物位检测系统的具体检测流程包括以如下步骤 第一步，操作室启动检测系统，系统进行一系列初始化和自检，更新当前 雷达状态；
第二歩，在装船机大车粗定位并停止后，检测系统扫描船身，辨识出舱口 尺寸发送报文给操作室进行船型比对；
第三步，计算出舱口坐标，发送报文给操作室，指示大车移动进行精定位， 使悬臂位于舱口中心位置；
第四步，悬臂俯下并停止，检测系统再次扫描舱口，建立全局坐标系，确 定舱口坐标；
第五步，装船机进行装船作业，检测系统实时检测溜筒的三维坐标和料堆 的轮廓坐标，并对船舱舱口坐标进行实时监控。对于超出检测范围的料堆轮廓 使用最新更新的历史检测数据；
第六步，当溜筒与舱口水平间距小于安全值或者溜筒与当前料堆最高点铅 直间距小于安全值时，发送对应的报警报文给操作室；操作室接收到报警报文 后，立即停止作业，移动溜筒到安全区域，继续进行作业；
第七步，计算料堆平均高度，到达设定容量后(如船舱深度的70%)，停止 自动化作业，转由人工观察视频信号，手动操作完成作业。
步骤二、四、五所述的检测及监控过程由激光扫描装置6完成，其检测原 理示意图示意如图3、图4所示。二维激光雷达13在船舱宽度方向的竖直平面 内进行扫描，形成二维激光雷达扫描方向19。伺服电机在船舱长度方向的竖直 平面内转动，驱动二维激光雷达旋转形成扫描方向20。从而实现了对各对象三 维数据的采集。
系统扫描得到测量船舱和其中料堆外形轮廓的点云距离数据及相应的水平 与垂直两个转角数据，计算机接收到上述数据，进行极坐标与直角坐标数据转 换，回复成扫描点云的直角坐标，进而得到船舱内部三维表面和料堆外形轮廓 的实际坐标，实现三维重建，完成装船过程中物料装卸量及物料堆形分布的在线检测与监控。
步骤七所述的过程由控制室操作，在收到步骤六中的报警后，手动操作控 制云台的转动，驱动摄像头采集视频信号。
激光扫描装置6在船舱宽度方向的竖直平面内测量角度范围为0—180度， 角度分辨率分为0.25。 、 0.5° 、 T三档。在船舱长度方向的竖直平面内测量 的角度范围为0—180度，角度分辨率最高为O. 1° 。测量距离范围在8. 191m时 的测量最高精度为l咖。测量距离范围扩展到81. 91m时的测量最高精度为lOmra。 根据激光雷达测量范围的最大值，本发明所适用的装船对象是船舱尺寸小于2 倍最大测量范围值。 一般实际使用中对于2个激光雷达构成的物位自动检测系 统，为了控制检测精度和实时性，适用船舶一般为内河或者近海航行的江海转 运船舶， 一般吨位在10000吨以内，船舱最大尺寸小于120米。监控上述船舶 装船过程的检测精度一般可以达到相对精度0. 5%以内，即船舱舱口尺寸检测误 差在0. 2米以内，船舶舱口位置的定位误差〈0. 2米，表面形貌识别误差〈0. 1米， 物料装卸量检测误差不超过0.5%。通过采用激光雷达扫描监控，实现了装船过 程中物料装卸量及物料堆形分布的在线检测与监控，同时检测精度、可靠性也 得到提高。
上述二维激光扫描雷达装船机物位检测系统与装船机本体系统之间的安装 关系不限于实施实例，还可以安装在装船机上面其它适合的安装位置，或者安 装与装船机本体外部某一固定安装位置。同时二维激光扫描雷达使用数量也不 限于两个， 一般l一4个均可以构成上述二维激光扫描雷达物位检测系统。
权利要求
1、一种装船机物位二维激光扫描雷达自动检测系统，其特征在于，包括两套激光扫描装置、工控主机和摄像装置，其中两套激光扫描装置对称的安装在装船机的固定悬架底部中心线的两侧，工控主机和摄像装置安装于装船机的固定悬架底部的中心线上；所述激光扫描装置包括二维激光雷达、伺服电机、联轴器、旋转主轴、限位及零点传感器、含轴承的轴承座、抱闸装置、激光雷达背部支架、L形安装底板，二维激光雷达通过激光雷达背部支架固定在旋转主轴上，旋转主轴通过含轴承的轴承座安装在L形安装底板上，伺服电机直接安装在L形安装底板上，并通过联轴器与旋转主轴相连接，限位及零点传感器及抱闸装置均与旋转主轴同心安装，L形安装底板固定在装船机悬臂的固定悬架末端底部。
2、 根据权利要求l所述的装船机物位二维激光扫描雷达自动检测系统，其 特征是，所述激光扫描装置，其二维激光雷达的扫描平面与旋转主轴的旋转平 面垂直，并保证二维激光雷达的视角向下。
3、 根据权利要求l所述的装船机物位二维激光扫描雷达自动检测系统，其 特征是，所述工控主机，其主板上设有运动控制卡、数据采集卡，二维激光雷 达采集到的数据传输到工控主机内的数据采集卡，工控主机中的运动控制卡与 伺服电机的驱动模块相连。
4、 根据权利要求l所述的装船机物位二维激光扫描雷达自动检测系统，其 特征是，所述的摄像装置包括摄像头和云台，摄像头安装在云台上，通过云台 的动作实现对方位的监控。
5、 根据权利要求l所述的装船机物位二维激光扫描雷达自动检测系统，其 特征是，工控主机和摄像装置的数据线分别独立连接到装船机操作室。
6、 一种装船机物位二维激光扫描雷达自动检测方法，其特征在于，包括以 如下步骤第一步，操作室启动检测系统，系统进行一系列初始化和自检，更新当前 二维激光雷达状态；第二步，在装船机大车粗定位并停止后，检测系统扫描船身，辨识出舱口 尺寸发送报文给操作室进行船型比对；第三步，计算出舱口坐标，发送报文给操作室，指示大车移动进行精定位， 使悬臂位于舱口中心位置；第四步，悬臂俯下并停止，检测系统再次扫描舱口，建立全局坐标系，确 定舱口坐标；第五步，装船机进行装船作业，检测系统实时检测溜筒的三维坐标和料堆 的轮廓坐标，并对船舱舱口坐标进行实时监控，对于超出检测范围的料堆轮廓 使用最新更新的历史检测数据；第六步，当溜筒与舱口水平间距小于安全值或者溜筒与当前料堆最高点铅直间距小于安全值时，发送对应的报警报文给操作室，操作室接收到报警报文 后，立即停止作业，移动溜筒到安全区域，继续进行作业；第七步，计算料堆平均高度，到达设定容量后，停止自动化作业，转由人 工观察视频信号，手动操作完成作业。
7、 根据权利要求6所述的装船机物位二维激光扫描雷达自动检测方法，其特征是，所述步骤二、四、五中，检测过程由激光扫描装置完成，二维激光雷 达在船舱宽度方向的竖直平面内进行扫描，伺服电机驱动二维激光雷达在船舱 长度方向的竖直平面内进行扫描，从而实现了对各对象三维数据的采集，系统 扫描得到船舱和其中料堆外形轮廓的点云距离数据及相应的水平与垂直两个转 角数据，计算机接收到上述数据，进行极坐标与直角坐标数据转换，回复成扫 描点云的直角坐标，进而得到船舱内部三维表面和料堆外形轮廓的实际坐标， 实现三维重建，完成装船过程中物料装卸量及物料堆形分布的在线检测与监控。
8、 根据权利要求6所述的装船机物位二维激光扫描雷达自动检测方法，其特征是，所述步骤七，其过程由控制室操作，在收到步骤六中的报警后，手动 操作控制云台的转动，驱动摄像头采集视频信号。
全文摘要
一种自动检测技术领域的装船机物位二维激光扫描雷达自动检测系统及方法。本发明系统包括两套激光扫描装置、工控主机和摄像装置。激光扫描装置具体包括二维激光雷达、伺服电机、联轴器、旋转主轴、限位及零点传感器、含轴承的轴承座、抱闸装置、激光雷达背部支架、L形安装底板。摄像装置包括摄像头和云台。本发明通过二维激光雷达实时扫描，采集船舱、溜筒和物料的相关数据，实时显示船舱、溜筒和物料堆存状态的装置及相应的检测和数据处理方法。该系统运用二维激光扫描雷达，结合伺服电机和运动控制卡，实现了对装船机和物料的三维扫描。本发明可以实现船舶舱口位置的定位误差＜200mm，表面形貌识别误差＜100mm。
文档编号G01S17/00GK101206262SQ20071017187
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月6日 优先权日2007年12月6日
发明者常大伟, 张舒洁, 未永飞, 杜正春, 路 石 申请人:上海交通大学