CN103292715A - 岸壁移机式装船机抛料位置料堆高度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种岸壁移机式装船机抛料位置料堆高度检测装置及检测方法，激光雷达阵列被安装在装船机安装平台上，以用来对当前抛料位置抛料过程及料堆状态进行实时扫描，再计算料堆高度。本发明精确度高，稳定性好，排除了司机经验、情绪、天气等多方面因素干扰，更好地保证了自动落料过程的安全性，使得装船机能够在安全作业的基础上自动完成散货装船操作。

Description

岸壁移机式装船机抛料位置料堆高度检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种岸壁移机式装船机抛料位置料堆高度检测装置及检测方法。

背景技术

港口散货装卸作业中，作业料堆的堆型分布、高度、体积等都需要进行实时监视，经过一定规则的计算来确定后续作业的工作参数。对于装船机，货物经过抛料铲抛出后在船舱内形成类似圆锥形的料堆，为了避免抛料铲碰到料堆，目前主要由司机肉眼观测估计，或通过安装摄像机来辅助观察。但人工观测结果会受到司机经验、情绪、天气等多方面因素干扰，精度难以得到保证，司机稍有疏忽或计量精度失准，就很容易产生沉船、翻船、舱壁(底)损毁、堆场地面损坏等事故；基于摄像机的方法也受到限制，这是因为散货码头的恶劣环境会导致摄像机和标准标记图像的污染或降低数字视频摄像机视觉***的可靠性，所以为散货码头机械，干散货和散货船安装标准标记图像是不切实际。

因此，港口散料装卸作业中应用物位自动检测技术，具有重大的工程价值。同时，物位自动检测技术的应用也是进一步实现装船机和斗轮堆取料机等主要装卸作业装备自动化运行的先决条件。根据港口自身的环境，选择激光雷达进行料堆高度的检测，基于激光雷达扫描到的图像，我们可以对船舱和物料进行了三维重建。通过物位自动检测技术，可直观且精确地得到作业料堆的参数，***根据当前落料情况自动选择后续落料点，同时显示在司机室的监控界面上，以方便司机进行落料工艺的实时监控。

发明内容

一种岸壁移机式装船机抛料位置料堆高度检测装置及检测方法，利用激光雷达阵列来检测抛料位置料堆高度，精确度高，稳定性好，排除了司机经验、情绪、天气等多方面因素干扰，更好地保证了自动落料过程的安全性。

为了达到上述目的，本发明提供一种岸壁移机式装船机抛料位置料堆高度检测装置，该装置包含电路连接的激光雷达阵列、雷达运动机构和工控机；

所述的激光雷达阵列包含若干二维激光雷达，分别安装在装船机的溜桶方形维修平台上。

所述的雷达运动机构为伺服电机。

本发明还提供一种岸壁移机式装船机抛料位置料堆高度检测方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、二维激光雷达向下扫描，获取当前激光束所扫描到的船舱的截面点云数据，即在当前空间参考系下可以表示截面轮廓空间分布的坐标集合；

步骤2、将采集到的点云数据经过解码得到以激光雷达为极点的极坐标系中的长度值                                               

，而后根据检测时所取的分度值，即每相邻的扫描激光束间的夹角，得到每个点的角度值

，再进行极坐标系与直角坐标系的相互转换：

、

，其中，x 、y分别表示直角坐标系中某点在x轴和y轴的坐标值；

步骤3、对点云数据进行预处理，设抛料铲的抛料宽度值为

，则抛出的货物在空中会成八字分散，处理时需在抛料铲抛料宽度外两边各加1m作为干扰点可能出现的区域范围；

以激光雷达所在位置为原点A，取抛料铲两边

的两点B、C，连接AB、AC分别与雷达扫描到的抛料铲下方的料堆点集相交在D、E两点，为了确保安全，取D、E两点中较低位置的点作为后期曲线拟合的基准；

步骤4、将基准点以上的干扰点全部忽略，仅对基准点下方的点做进一步处理；

以溜筒中心线为分割线将预处理后的点云分为左右两个区域，对于每个区域利用最小二乘法进行精确的直线拟合，即对各区域上表示料堆斜边的n个点，根据最小二乘法可求得，斜率

和截距

，由此已装货物的倾斜角度可以通过边缘直线的斜率“k”来计算，即货物的休止角度等于“arctan(k)”；

步骤5、将两拟合的直线进行二维平面的延伸并相交一点F，该点即为抛料位置料堆最高点。

本发明利用激光雷达阵列来检测抛料位置料堆高度，精确度高，稳定性好，排除了司机经验、情绪、天气等多方面因素干扰，更好地保证了自动落料过程的安全性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是落料过程激光雷达检测料堆高度示意图。

图3是料堆高度计算示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种岸壁移机式装船机抛料位置料堆高度检测装置，该装置包含电路连接的激光雷达阵列、雷达运动机构和工控机3。

所述的激光雷达阵列包含四台二维激光雷达101，分别安装在装船机的溜桶方形维修平台四个角上。

所述的雷达运动机构为伺服电机201，其伺服电机驱动器可以直接接受工控机的通讯指令，进行位置控制，带动激光雷达进行水平方向多个角度的扫描。

所述的工控机3用作后台数据处理，带有显示器，能实时监控当前作业情况。

所述的雷激光雷达的达通讯信号线和伺服电机的伺服控制信号线为光纤。

本发明还提供一种岸壁移机式装船机抛料位置料堆高度检测方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、二维激光雷达向下扫描，获取当前激光束所扫描到的船舱的截面点云数据，即在当前空间参考系下可以表示截面轮廓空间分布的坐标集合；

步骤2、将采集到的点云数据经过解码得到以激光雷达为极点的极坐标系中的长度值

，而后根据检测时所取的分度值，即每相邻的扫描激光束间的夹角，得到每个点的角度值

，再进行极坐标系与直角坐标系的相互转换：

、

，其中，x 、y分别表示直角坐标系中某点在x轴和y轴的坐标值；

步骤3、对点云数据进行预处理，抛料过程中，激光雷达的扫描线有部分会被抛出货物挡住，如不忽略将导致测得的料堆高度比实际值偏高，如图2所示的干扰点，为了防止将抛料铲所抛的货物检测为料堆高度点，必须去除这些点数据；

设抛料铲的抛料宽度值为

，则抛出的货物在空中会成八字分散，处理时需在抛料铲抛料宽度外两边各加1m作为干扰点可能出现的区域范围；

如图3所示，以激光雷达所在位置为原点A，取抛料铲两边

的两点B、C，连接AB、AC分别与雷达扫描到的抛料铲下方的料堆点集相交在D、E两点，为了确保安全，取D、E两点中较低位置的点作为后期曲线拟合的基准；

步骤4、将基准点以上的干扰点全部忽略，仅对基准点下方的点做进一步处理；

如图3所示，以溜筒中心线为分割线将预处理后的点云分为左右两个区域，对于每个区域利用最小二乘法进行精确的直线拟合，即对各区域上表示料堆斜边的n个点，根据最小二乘法可求得，斜率

和截距

，由此已装货物的倾斜角度可以通过边缘直线的斜率“k”来计算，即货物的休止角度等于“arctan(k)”；

步骤5、将两拟合的直线进行二维平面的延伸并相交一点F，该点即为抛料位置料堆最高点。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种岸壁移机式装船机抛料位置料堆高度检测装置，其特征在于，该装置包含电路连接的激光雷达阵列、雷达运动机构和工控机（3）；

所述的激光雷达阵列包含若干二维激光雷达（101），分别安装在装船机的溜桶方形维修平台上。

2.如权利要求1所述的岸壁移机式装船机抛料位置料堆高度检测装置，其特征在于，所述的雷达运动机构为伺服电机（201）。

3.一种岸壁移机式装船机抛料位置料堆高度检测方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤1、二维激光雷达向下扫描，获取当前激光束所扫描到的船舱的截面点云数据，即在当前空间参考系下可以表示截面轮廓空间分布的坐标集合；

步骤2、将采集到的点云数据经过解码得到以激光雷达为极点的极坐标系中的长度值 

，而后根据检测时所取的分度值，即每相邻的扫描激光束间的夹角，得到每个点的角度值

，再进行极坐标系与直角坐标系的相互转换：                                                   

、   

，其中，x 、y分别表示直角坐标系中某点在x轴和y轴的坐标值；

步骤3、对点云数据进行预处理，设抛料铲的抛料宽度值为

，则抛出的货物在空中会成八字分散，处理时需在抛料铲抛料宽度外两边各加1m作为干扰点可能出现的区域范围；

以激光雷达所在位置为原点A，取抛料铲两边

的两点B、C，连接AB、AC分别与雷达扫描到的抛料铲下方的料堆点集相交在D、E两点，为了确保安全，取D、E两点中较低位置的点作为后期曲线拟合的基准；

步骤4、将基准点以上的干扰点全部忽略，仅对基准点下方的点做进一步处理；

以溜筒中心线为分割线将预处理后的点云分为左右两个区域，对于每个区域利用最小二乘法进行精确的直线拟合，即对各区域上表示料堆斜边的n个点，根据最小二乘法可求得，斜率

和截距

，由此已装货物的倾斜角度可以通过边缘直线的斜率“k”来计算，即货物的休止角度等于“arctan(k)”；

步骤5、将两拟合的直线进行二维平面的延伸并相交一点F，该点即为抛料位置料堆最高点。

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