专利名称：吊具－集卡对箱的双激光雷达定位方法
技术领域：
本发明涉及一种集装箱自动化技术领域的方法，具体是一种吊具—集卡对箱的双激光雷达定位方法。
背景技术：
集装箱码头生产的自动化是未来港口装卸的发展趋势，受到世界各大港口的重视。当今已经建成的全自动化集装箱码头中，采用AGV(全自动无人驾驶自动导向搬运车)实现码头内集装箱的水平运输，这样当AGV运行到RMG下后，只需通过定位传感器，便可方便准确的实现AGV的定位。但是在自动化堆场建设初期，由于财力和技术上的不成熟，一般只会在港口部分区域的堆场采用自动化装卸技术，进行试验性生产，局部实现集装箱生产的自动化，因而不可能对堆场内的集装箱运输采用AGV；而且，由于国内的集装箱陆路运输主要为集卡，码头集装箱运输表现为内集卡与外集卡并存的一种模式，因而，即使将内集卡采用AGV替代，也无法避免RMG(轨道式龙门起重机)对外集卡的装卸，从而需要实现RMG对集卡的准确对箱定位。
为适应现有的集装箱码头的生产条件和集装箱自动化装卸的发展需要，目前一般多采用单个3D激光雷达(简称LR)对物体进行非接触式扫描测量，来进行设定目标位置与姿态的精确测量与定位。但是单个激光雷达在只能从一个视角进行扫描测量，对于被遮挡部分地轮廓和形貌只能通过模型进行猜测判断。而且激光雷达的扫描精度与速度直接受到棱镜转动精度及旋转电机速度的制约，加上软件处理算法和硬件控制技术限制，扫描识别能力非常局限。因此，迫切需要一种能够快速准确的实现RMG吊具一集卡对箱的新定位方法，并提供一定的冗余容错能力。
经对现有技术的文献检索发现，郑德华等在《测绘工程》[(2005)14(2)32-34，56]上发表的“三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析”，该文将三维激光扫描技术分为径向三维激光扫描仪、相位干涉法扫描系统和三角法扫描系统三种类型。并且从仪器误差、与目标物体反射面有关的误差和外界环境条件影响三个方面分析了三维激光扫描系统误差影响。对径向三维激光扫描仪器的测量误差影响因素进行了较为全面地理论分析，并指出了测距误差和扫描角误差是三维激光扫描误差的主要误差源。但是文献所分析的是单激光扫描仪工作误差，对于双激光雷达定位系统的方法，以及双激光雷达定位系统扫描时间、性能冗余备份等基本性能没有描述。
发明内容
本发明的目的是针对现有激光扫描技术中的不足，提供一种吊具—集卡对箱的双激光雷达定位方法。本发明采用双激光雷达(DLR)系统对集装箱卡车锁头及集装箱锁孔的快速识别定位，使RMG在大车运行方向的运动受到限制的情况下，完成吊具对集卡的精确对箱定位，从而实现RMG对集卡的集装箱自动化装卸。
本发明是通过以下技术方案实现的，具体包括如下步骤(1)将两个3D激光雷达(LR)安装在RMG的低架横梁上，安装视角为集装箱对角位置；(2)在集卡进入车道粗定位结束后，DLR系统对集卡或箱体轮廓进行扫描识别，判别出扫描对象是装箱过程的集卡车型还是卸箱过程的集装箱箱型；(3)DLR系统分别同步地从就近视点扫描集卡或者箱体的不同表面，直至有部分表面重叠。重叠部分的多少可以由扫描控制软件通过设置每一个激光雷达的扫描起始角度来实现，识别出装箱过程集卡的锁头或卸箱过程箱体锁孔的精确位置。对于集卡或集装箱每一个表面的扫描任务可以分解为两类箱体顶面和四个侧面。对于顶面的处理方法是通过集卡的粗定位，使得集卡或集装箱的顶面处于两个LR的视野之内。每个LR分别从距离自身安装位置最近的边逐渐扫向另一边，在顶面中心区域各自对其进行不完全扫描，扫描区域为矩形、直角三角形或扇形，用两个LR采集的数据进行重叠部分的补偿运算得出比各自扫描精度更高的坐标值。对于侧面的处理方法是每个侧面处于单个LR的视野之内。每个LR分别从距离自身安装位置最近的边逐渐扫向另一边，每个LR负责对该侧面进行完全扫描。
(4)系统根据扫描数据通过软件处理，获得集装箱的位置与姿态信息，根据目标位置与姿态与实际位置与姿态之间的差值生成输出控制指令来控制RMG大车的移动(或集卡移动)使吊具与集卡(或待卸集装箱)精定位。
(5)RMG吊具快速下降，当下降到距离集卡顶端较低高度时，DLR利用各个扫描表面的数据，通过数据分析识别出每一条扫描线中的边界点数据。对每一个表面的所有边界点数据，利用集装箱形状为矩形的先验知识，采用最小二乘方法，拟合所有边界点数据通过对集装箱顶面边界点数据，精确确定出集装箱边界的平面位置坐标和偏转姿态；通过侧面边界点数据，精确确定出集装箱的高度坐标；从而获取吊具的精确姿态和位置，实时控制RMG吊具机构的微动平移调整以及扭转调整，实现对集卡的精确对箱定位，完成对集装箱的装卸。
正常工作时，DLR系统中两个激光雷达构成冗余系统，互相构成备份。如果DLR系统工作中某一个激光雷达发生故障，此时扫描任务只能由另外一个LR承担，DLR系统自动实施故障模式下的任务重分配，系统退化成单激光雷达(SLR)扫描系统，无法实现冗余，也无法对所得的顶面数据进行补偿。可以用较低速度和精度完成任务，对被遮挡面数据利用对箱体(或集卡)的预先模式识别结果进行预测性重构。
本发明中DLR系统，首先获取装箱过程的集卡车型或卸箱过程的集装箱箱型；然后获取装箱过程的集卡锁头或卸箱过程箱体锁孔的精确位置与姿态；最后获取吊具的精确姿态和位置，根据装箱过程集卡锁头或卸箱过程箱体锁孔与吊具精确位置与姿态之间的差值，通过吊具的位置与姿态调整油缸的实时调整，实现吊具与集卡的精确对箱定位。本发明创新性的应用了分块同时扫描并相互补偿误差的方法，以及软件处理和硬件控制技术，大幅的提高了识别精度和速度，并使系统具有冗余容错能力。满足自动化堆场内RMG对集卡装卸集装箱的高精度对箱定位要求，有效提高了装卸效率。
图1为本发明方法实现的系统布局示意图。
图2为本发明中双激光雷达系统在RMG横梁上的安装布局图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。
附图中示出了本发明的一种典型实施方式，该实施方式用于实现一种高低架轨道龙门起重机装卸工艺中，低架轨道龙门起重机下集卡的对箱定位。
图1为吊具—集卡对箱定位系统构成示意图。如图1所示，1-RMG大车，2-RMG小车，3-3D激光雷达，4-RMG横梁，5-RMG吊具，6-集装箱，7-集卡对位指示装置，8-集卡，9-RMG小车运行方向。
双向箭头9示出了RMG小车2的运行方向，RMG大车1的运行方向与该方向垂直。3D激光雷达3安装在RMG横梁上4。
图2为3D激光雷达在RMG横梁上的安装示意图。如图2所示，1-RMG大车，2-RMG小车，3-3D激光雷达，4-RMG小车运行方向，5-RMG吊具，6-集装箱，7-集卡运动方向。两个3D激光雷达3对角安装在RMG大车横梁上4。
本发明对吊具—集卡对箱定位的实现方法如下(1)将两个3D激光雷达(LR)安装在RMG的低架横梁4上(如图1)，安装视角为集装箱对角位置(如图2)；(2)在集卡8进入车道粗定位结束后，DLR对集卡(或箱体)轮廓进行扫描识别，判别出集卡车型(装箱过程)或集装箱箱型(卸箱过程)；(3)DLR分别同步地从就近视点扫描集卡(箱体)的不同部分直至有部分重叠(软件设置其范围)，识别出集卡锁头(装箱过程)或箱体锁孔(卸箱过程)的精确位置。
(4)系统根据扫描数据进行一系列软件处理，输出控制指令来控制RMG大车的移动(或集卡移动)使吊具5与集卡(或待卸集装箱)精定位。
(5)RMG吊具5快速下降，当下降到距离集卡8顶端较低高度(约600mm)时，DLR 3用与定位过程类似的算法，获取吊具的精确姿态和位置，实时控制RMG吊具机构的微动平移调整以及扭转调整，实现对集卡的精确对箱定位，完成对集装箱的装卸。
所述的DLR系统为在RMG横梁4上的双激光雷达系统(主要由对角布置的两个3D激光雷达组成)，结合相应的处理软件获取集卡相对与RMG大车和吊具的位置误差(空间三维直角坐标)。双激光雷达协同工作并可屏蔽故障，当单个激光雷达出现故障时，仍能够保证装卸工作的完成。
通过本发明方案在上海外高桥某港口码头的实施，实现了扫描定位时间的缩短，平均缩短时间达到50％以上，同时定位精度也得到提高，平均提高一倍以上。系统中两个激光雷达互相冗余备份，系统可靠性提高一倍以上。
权利要求
1.一种吊具-集卡对箱的双激光雷达定位方法，其特征在于，具体包括如下步骤(1)将两个3D激光雷达安装在RMG的低架横梁上，安装视角为集装箱对角位置；(2)在集卡进入车道粗定位结束后，DLR系统对集卡或箱体轮廓进行扫描识别，判别出扫描对象是装箱过程的集卡车型还是卸箱过程的集装箱箱型；(3)DLR系统分别同步地从就近视点扫描集卡或者箱体的不同表面，直至有部分表面重叠，重叠部分的多少由扫描控制软件通过设置每一个激光雷达的扫描起始角度来实现，识别出装箱过程集卡的锁头或卸箱过程箱体锁孔的位置；(4)系统根据扫描数据通过软件处理，获得集装箱的位置与姿态信息，根据目标位置与姿态与实际位置与姿态之间的差值生成输出控制指令来控制RMG大车的移动或集卡移动使吊具与集卡或待卸集装箱精定位；(5)RMG吊具快速下降，当下降到距离集卡顶端较低高度时，DLR利用各个扫描表面的数据，通过数据分析识别出每一条扫描线中的边界点数据，对每一个表面的所有边界点数据，利用集装箱形状为矩形的先验知识，采用最小二乘方法，拟合所有边界点数据通过对集装箱顶面边界点数据，确定出集装箱边界的平面位置坐标和偏转姿态；通过侧面边界点数据，确定出集装箱的高度坐标；从而获取吊具的精确姿态和位置，实时控制RMG吊具机构的微动平移调整以及扭转调整，实现对集卡的精确对箱定位，完成对集装箱的装卸。
2.根据权利要求1所述的吊具-集卡对箱的双激光雷达定位方法，其特征是所述的步骤(3)，对于集卡或集装箱每一个表面的扫描任务分解为两类箱体顶面和四个侧面，对于顶面的处理方法是通过集卡的粗定位，使得集卡或集装箱的顶面处于两个LR的视野之内，每个LR分别从距离自身安装位置最近的边逐渐扫向另一边，在顶面中心区域各自对其进行不完全扫描，扫描区域为矩形、直角三角形或扇形，用两个LR采集的数据进行重叠部分的补偿运算得出比各自扫描精度更高的坐标值；对于侧面的处理方法是每个侧面处于单个LR的视野之内，每个LR分别从距离自身安装位置最近的边逐渐扫向另一边，每个LR负责对该侧面进行完全扫描。
3.根据权利要求1所述的吊具-集卡对箱的双激光雷达定位方法，其特征是DLR系统中两个激光雷达构成冗余系统，互相构成备份，如果DLR系统工作中某一个激光雷达发生故障，此时扫描任务只能由另外一个LR承担，DLR系统自动实施故障模式下的任务重分配，系统退化成单激光雷达扫描系统，这时用较低速度和精度完成任务，对被遮挡面数据利用对箱体或集卡的预先模式识别结果进行预测性重构。
全文摘要
一种集装箱自动化技术领域的吊具—集卡对箱的双激光雷达定位方法。本发明首先获取装箱过程的集卡车型或卸箱过程的集装箱箱型；然后获取装箱过程的集卡锁头或卸箱过程箱体锁孔的精确位置与姿态；最后获取吊具的精确姿态和位置，根据装箱过程集卡锁头或卸箱过程箱体锁孔与吊具精确位置与姿态之间的差值，通过吊具的位置与姿态调整油缸的实时调整，实现吊具与集卡的精确对箱定位。本发明创新性的应用了分块同时扫描并相互补偿误差的方法，以及先进的软件处理和硬件控制技术，大幅的提高了识别精度和速度，并使系统具有冗余容错能力。满足自动化堆场内RMG对集卡装卸集装箱的高精度对箱定位要求，有效提高了装卸效率。
文档编号B66C13/16GK1884034SQ200610028640
公开日2006年12月27日 申请日期2006年7月6日 优先权日2006年7月6日
发明者杜正春, 王建, 吕潮峰 申请人:上海交通大学