专利名称：一种散货自动化装船检测装置检测溜筒位置的方法
技术领域：
本发明涉及散货码头装船过程中自动化检测装置和方法，检测装船系统和船之间 的位置关系及物料添加情况，为自动化装船系统提供检测数据。
背景技术：
干散货码头由于装卸的货物具有不同特性，另外船舶的类型也较多，再加上散货 粉尘的影响使作业环境比较恶劣，对检测设备和技术有较苛刻的要求，因此目前散货装船 系统自动化程度较低，基本上靠人工现场操作。而采用现场人工操作一方面由于散货码头 恶劣的工作条件(高温，高粉尘，高噪声等)会危害现场工作人员的身心健康，另一方面由 于恶劣的工作条件和长时间的货物装载，极易引起工人疲劳，造成装船过程中的事故。此外 由于人工装船，操作过程中会不规范不科学，如为避免碰撞，将溜筒悬于船舱之上，造成粉 尘飞扬和货物损失。由于泊位是码头稀缺资源，因此散货码头装船过程成为制约散货物流 的瓶颈之一，迫切需要自动化装船系统，而该系统中的检测装置及方法是其核心的关键技 术，需要它确定装船系统和船舱的位置关系和加料情况。 目前三维检测技术可分为基于视觉的和基于测距原理的。基于视觉的三维检测系 统需要采用双目系统或结构光加单目系统，双目视觉系统需要对双目图像进行匹配，算法 复杂，并且测量的尺寸与两个摄像系统间距离成比例关系，大尺度测量需要两摄像系统距 离较大，因此目前研究中很少用在大尺度的实时三维测量上。结构光加单目系统一般被研 究用于精细近距离测量上，对于散货大尺度测量，激光打到远距离低反射率的散货上成像 差，另外图像处理算法复杂，因此不适于此环境应用。 采用测距原理，受传感器物理特性影响，每次仅能进行单点或二维测量，进行三维 测量一般采用二维测距仪加转动设备。目前研究三维测量系统集中于对被测物的三维重 建，注重精度消除测量仪器误差，测量时间长，同时测量系统在测量过程中位置不变。而散 货装船过程中，需要对船型进行快速测量，并且测量系统要随装船设备移动，并且散货装船 环境处于高粉尘，高振动的环境中，因此需要可靠快速的检测装置及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题第一方面在于，提供一种散货自动化装船检测装置。
本发明所要解决的技术问题第二方面在于，提供一种散货自动化装船检测装置的 实现方法。 —种散货自动化装船检测装置，其特征在于，包括扫描仪及其运动控制系统，所述 的运动控制系统包含两个自由度，由垂直轴驱动和水平轴驱动两部分组成，可使扫描仪分 别绕垂直相交的两轴转动。
其中，扫描仪直接与水平轴驱动连接，水平轴驱动又与垂直轴驱动连接。 水平轴驱动由驱动电机通过蜗轮减速器实现转动控制，可实现^ ±90°内任意角
度转动。 垂直轴驱动由驱动电机通过蜗轮减速器实现转动控制，可实现接近^ ±180°内 任意角度转动。 垂直轴驱动部分具有安装接口，可使整套系统安装在装船机的合适位置。 在水平轴驱动和垂直轴驱动上装有绝对值编码器，以保证转角精度。 在水平轴驱动和垂直轴驱动上还设有限位开关，以防止超程和机构发生干涉、绕线等。 将所述的装置安装于散货装船机的伸縮机构上，使其能够移动到船舱上方，对船
舱和物料进行检测，优选地，安装于固定臂的前端如附图2 。 —种散货自动化装船检测装置检测溜筒位置的方法，包括如下步骤 1)将安装于固定臂上的检测装置旋转至待检测的船舱上方，假设固定臂长度为
L，固定臂旋转轴到船边距离W，检测装置距固定臂中心d，固定臂旋转角度为e (固定臂0
度角平行于岸边)，船型宽为Ws，舱宽为Wh，使检测装置旋转至待检测的船舱上方，使固定臂
转角满足 W+ (Ws_Wh) /2 < | Lsin 9 +dcos 9 | < W+ (Ws+Wh) /2 2)根据固定臂转角确定旋转装置转角使扫描仪扫描平面与岸沿直线垂直，由于船
停泊时，船与岸沿平行，船舱长度方向与岸沿平行，此时的扫描面为船舱横截面； 3)取扫描数据，对数据进行预处理，取船舱范围内的扫描数据点，具体可根据扫描
点到船边沿距离分别为I Lsin e +dcos e | -W和Ws+W| Lsin e +dcos e |来确定; 4)根据直线条提取算法提取扫描得到的船舱两个立面上的扫描点构成的直线，计
算光心到两立面的距离，两个距离之和即为船舱宽度，与实际船宽进行比较，如在误差允许
范围内，则可确定扫描仪到船舱距离，也可采用探查法测量最小船宽，即将扫描仪偏转一定
角度，测量船宽，直到寻找一个最小值点，再作比较； 5)将扫描仪旋转90度，利用步骤4)的方法测量船舱长度和扫描仪距船舱前后 沿距离，当船舱长度大于扫描仪测量范围时，可能只测得到一边的距离，可用探查法测扫描 仪到舱壁的最小距离，如两边都无法测得，可令装船机构的大车移动一段距离，直到测得舱 壁，再重复步骤4)和5)，重新确定扫描仪位置； 6)根据溜筒与扫描仪的位置关系确定溜筒位置，设溜筒伸出固定臂D，扫描仪位
置测量值为x，y，则溜筒位置为 (x-Dcos 9 -dsin 9 ， y-Dsin 9 +dcos 9 ) 当然，上述的步骤4)和步骤5)可以互换。 —种散货自动化装船检测装置检测物料高度的方法，包括如下步骤 1)测量物料位置根据溜筒和扫描仪位置关系，将旋转装置对准溜筒扫描，根据
直线条提取算法提取溜筒到物料的直线，则直线的底端点即为溜筒下方物料位置； 2)测量船舱上沿位置如果此时可扫描到船舱壁，则提取船舱舱壁立面上的扫描
点构成的直线，直线上端点为船舱上沿，如果扫描数据中无法检测到舱壁，则可旋转扫描仪
使扫描仪扫描平面与船舱长度方向垂直，检测舱壁，提取舱壁扫描直线，直线上端点为船舱上沿； 3)计算物料高度物料点和船舱上沿点的高度差即为物料到船舱上沿距离，船舱 深度减去此值即为物料高度。
—种散货自动化装船检测装置检测船倾角度(横向)的方法，包括如下步骤 1)根据固定臂转角确定旋转装置转角使扫描仪扫描平面与岸垂直； 2)取扫描数据，对数据进行预处理，取靠近岸边船舱舱壁附近和岸边到臂架的两
部分扫描点，分别为对数据进行处理提取船舱壁和岸平面扫描点构成的直线； 3)计算舱壁和岸平面扫描线法线夹角即为船倾角度。 在本发明的一个实施例中，定义扫描仪扫描平面转角0度位置，在机构设计时使 垂直转轴与扫描仪的扫描平面共面且轴线穿过扫描仪光心。这样以扫描仪光心为原点，扫 描仪扫描平面与垂直转轴构成一个三维扫描系统。 本发明采用由二维扫描仪及其运动控制系统构成的三维检测装置，优点在于，能 有效检测装船系统和船之间的位置关系及物料添加情况，并对整个过程进行实时监控，且 操作方法简单有效，易于实现。
图1是本发明的一种散货自动化装船检测装置示意图。
图2是溜筒位置检测方法的示意说明。
具体实施例方式
本发明的散货自动化装船检测装置及方法，用于测量装船机构与船只的位置关系 和加料情况，即装船机的溜筒和船舱的相对位置关系以及加料时物料高度，为自动化装船 系统提供这些数据完成自动化装船。
下面结合具体实施方式
来对本发明进行阐述。 将该装置安装于散货装船机的伸縮机构上使其能够移动到船舱上方，对船舱和物 料进行检测，装于固定臂的前端是一个比较合适的选择如附图2。定义扫描仪扫描平面转角 0度位置，在机构设计时使垂直转轴与扫描仪的扫描平面共面且轴线穿过扫描仪光心。这样 以扫描仪光心为原点，扫描仪扫描平面与垂直转轴构成一个三维扫描系统。检测时，假设船 舱的长，宽，深度已知(可根据作业计划，由中控室传来)。 如图2所示的本发明的散货自动化装船检测装置用于检测溜筒7位置的方法，包 括如下步骤 1)将安装于固定臂5上的检测装置6旋转至待检测的船舱3上方，假设固定臂5 长度为L，固定臂5旋转轴4到船边2A距离W，检测装置6 (即扫描仪)距固定臂5中心d， 固定臂5旋转角度为e (固定臂0度角平行于岸边)，船宽(即2A-2B)为Ws，舱宽为Wh，使 检测装置6旋转至待检测的船舱3上方，使固定臂5转角满足
W+ (Ws_Wh) /2 < I Lsin 9 +dcos 9 | < W+ (Ws+Wh) /2 根据固定臂5转角确定旋转装置转角使检测装置6的扫描平面与岸1沿直线垂 直，由于船停泊时，船与岸1沿平行，船舱长度方向与岸1沿平行，此时的扫描面为船舱3的 横截面；
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3)取扫描数据，对数据进行预处理，取船舱3范围内的扫描数据点，具体可根据扫 描点到船沿距离分别为|Lsin e +dcos e卜W和Ws+W|Lsin e +dcos e |来确定；
4)根据直线条提取算法提取扫描得到的船舱两个立面上的扫描点构成的直线，计 算光心到两立面的距离，两个距离之和即为船舱3的宽度，与实际船宽进行比较，如在误差 允许范围内，则可确定扫描仪6到船舱3距离，也可采用探查法测量最小船宽，即将扫描仪 6偏转一定角度，测量船宽，直到寻找一个最小值点，再作比较； 5)将扫描仪6旋转90度，利用步骤4)的方法测量船舱3长度和扫描仪6距船舱 前后沿距离，当船舱长度大于扫描仪测量范围时，可能只测得到一边的距离，可用探查法测 扫描仪到舱壁的最小距离。如两边都无法测得，可令装船机构的大车移动一段距离，直到测 得舱壁，再重复步骤4)和5)，以重新确定扫描仪6位置； 6)根据溜筒7与扫描仪的位置关系确定溜筒7位置，设溜筒7伸出固定臂D，扫描
仪位置测量值为x， y，则溜筒位置为(x-Dcos e -dsin e ， y-Dsin e +dcos e ) 其中，步骤4)和步骤5)的顺序可以交换，即先测纵向的位置，然后再测横向的位置。 —种散货自动化装船检测装置检测物料高度的方法，包括如下步骤 1)测量物料位置根据溜筒7和扫描仪6位置关系，将旋转装置对准溜筒7扫描，
根据直线条提取算法提取溜筒7到物料的直线，则直线的底端点即为溜筒7下方物料位
置； 2)测量船舱上沿位置如果此时可扫描到船舱壁，则提取船舱舱壁立面上的扫描 点构成的直线，直线上端点为船舱上沿，如果扫描数据中无法检测到舱壁，则可旋转扫描仪 使扫描仪6扫描平面与船舱3长度方向垂直，检测舱壁，提取舱壁扫描直线，直线上端点为 船舱上沿； 3)计算物料高度物料点和船舱上沿点的高度差即为物料到船舱上沿距离，船舱 深度减去此值即为物料高度。 本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的 原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改 进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物 界定°
权利要求
一种散货自动化装船检测装置检测溜筒位置的方法，包括如下步骤1)将安装于固定臂上的检测装置旋转至待检测的船舱上方，假设固定臂长度为L，固定臂旋转轴到船边距离W，检测装置距固定臂中心d，固定臂旋转角度为θ(固定臂0度角平行于岸边)，船型宽为WS，舱宽为Wh，使检测装置旋转至待检测的船舱上方，使固定臂转角满足W+(WS-Wh)/2＜|L sinθ+d cosθ|＜W+(WS+Wh)/22)根据固定臂转角确定旋转装置转角使扫描仪扫描平面与岸沿直线垂直，由于船停泊时，船与岸沿平行，船舱长度方向与岸沿平行，此时的扫描面为船舱横截面；3)取扫描数据，对数据进行预处理，取船舱范围内的扫描数据点，具体可根据扫描点到船边沿距离分别为|L sinθ+d cosθ|-W和WS+W|L sinθ+d cosθ|来确定；4)根据直线条提取算法提取扫描得到的船舱两个立面上的扫描点构成的直线，计算光心到两立面的距离，两个距离之和即为船舱宽度，与实际船宽进行比较，如在误差允许范围内，则可确定扫描仪到船舱距离，也可采用探查法测量最小船宽，即将扫描仪偏转一定角度，测量船宽，直到寻找一个最小值点，再作比较；5)将扫描仪旋转90度，利用步骤4)的方法测量船舱长度和扫描仪距船舱前后沿距离，当船舱长度大于扫描仪测量范围时，可能只测得到一边的距离，可用探查法测扫描仪到舱壁的最小距离，如两边都无法测得，可令装船机构的大车移动一段距离，直到测得舱壁，再重复步骤4)和5)，重新确定扫描仪位置；6)根据溜筒与扫描仪的位置关系确定溜筒位置，设溜筒伸出固定臂D，扫描仪位置测量值为x，y，则溜筒位置为(x-Dcosθ-dsinθ，y-Dsinθ+dcosθ)
2. 根据权利要求1所述的一种散货自动化装船检测装置检测溜筒位置的方法，所述步 骤4)和步骤5)可以互换。
全文摘要
本发明为“散货自动化装船检测装置及方法”的分案申请，主要涉及一种散货自动化装船检测装置检测溜筒位置的方法，包括以下步骤将安装于固定臂上的检测装置旋转至待检测的船舱上方，根据固定臂转角确定旋转装置转角使扫描仪扫描平面与岸沿直线垂直，取扫描数据，对数据进行预处理，取船舱范围内的扫描数据点，根据直线条提取算法提取扫描得到的船舱两个立面上的扫描点构成的直线，计算光心到两立面的距离，两个距离之和即为船舱宽度，与实际船宽进行比较，根据溜筒与扫描仪的位置关系确定溜筒位置。本发明采用由二维扫描仪及其运动控制系统构成的三维检测装置，能有效确定到溜筒的位置，并对整个过程进行实时检测，检测精度较高。
文档编号G01B11/02GK101788264SQ20091020828
公开日2010年7月28日 申请日期2007年6月22日 优先权日2007年6月22日
发明者史立, 宓为建, 贺俊吉 申请人:上海海事大学