本發明涉及，具體涉及一種基于門機自動化的卸船作業路徑生成方法、裝置。

背景技術：

1、在眾多起重設備中，門座式起重機(以下簡稱門機)有著非常重要的地位。因其具有裝卸種類多種多樣、裝卸效率高、操作方便等特點，大量裝備于作業區，得到了廣泛的應用。門機作為大型的工程機械裝備，其作業范圍較大，傳統的作業方式是僅靠司機室內的操作人員進行操控，勞動強度很大，作業效率不能保證，還存在安全風險。隨著碼頭貨物吞吐量的不斷加大，單人單機的操作模式已經不能滿足現實需求。

技術實現思路

1、本發明的目的在于針對現有技術的上述不足之處，提供一種基于激光掃描建模的門機自動化卸船方法、裝置，通過三維激光掃描儀對船體進行掃描和建模，并對建模數據進行特征提取，規劃出一條從抓料點到放料點的軌跡，實現門機自動與半自動裝卸功能。

2、本發明的技術方案如下：

3、一種基于門機自動化的卸船作業路徑生成方法，其特征在于：

4、通過設置控制掃描模塊對船體進行3d掃描和建模，對建模數據進行特征提取并發送給主控系統，主控系統對掃描模塊發送的3d點云數據進行算法流程處理，提取出艙口位置信息并得到物料的3d點云數據；

5、主控系統根據3d點云數據生成作業點，綜合門機的旋轉方向、起點、終點、卸料點，同時結合障礙物信息生成作業路徑并控制門機運行，完成閉斗抓料、抓斗轉移、開斗放料、返回船艙的循環動作。

6、作為優選，通過對船體進行3d掃描，獲取3d點云數據；在3d點云數據中設置統一坐標系，將坐標系定義為平行于岸線為x軸，面向海側為y軸，豎直向上為z軸，原點設置在門機回轉中心，且以地面高度為0。基于該坐標系獲得的所有信息是后續門機執行的坐標基礎。

7、作為優選，主控系統通過算法流程處理3d點云數據，提取出船體艙口坐標，所述艙口坐標提取內容包括艙口高度坐標、艙口四個角點的x、y坐標：

8、對3d點云數據進行預處理，將3d點云數據均勻化，去除噪點，得到原始點云；

9、2)將原始點云通過平面檢測算法，抽取z方向平面，篩選出甲板平面，得到甲板高度坐標；

10、3)將原始點云結合甲板高度，進行z向投影，直通濾波x、y向，得到z向投影點云；

11、4)獲取艙口x向坐標范圍，將z向投影點云結合抓斗的x坐標值，直通濾波x向，得到艙口的x最小值和x最大值，然后判斷x值范圍是否合理，如果判斷為合理即得到艙口x范圍，如果判斷為不合理則繼續提取出平行于y軸直線，如數據提取失敗則流程結束，如提取成功則篩選出x向候選艙對，對點云數據處理后得到艙口x范圍；

12、5)獲取艙口y向坐標范圍，將z向投影點云結合艙口的x坐標范圍，直通濾波x向，得到艙口的y最小值和y最大值，然后判斷y值范圍是否合理，如果判斷為合理即得到艙口y坐標范圍，如果判斷為不合理則提取失敗流程結束；

13、6)獲取艙口z向坐標范圍，將原始點云結合甲板高度和艙口的x坐標范圍、艙口y范圍，直通濾波，得到艙口的高度z，判斷艙口的高度z是否合理，若判斷為否則計算失敗流程結束，若判斷為合理則輸出艙口高度z。

14、點云數據的均勻化處理主要依賴于空間插值算法。首先在目標區域上建立網格,然后利用最近鄰插值算法,算術平均值插值算法和距離反比加權插值算法來實現點云數據的均勻分布。

15、點云均勻化的具體步驟：

16、第一步：在點云目標區域上建立網格；

17、第二步：去除獲取點云中的噪點(也稱為孤立點/離群點/異常點)；

18、第三步：利用插值算法補齊殘缺點云，對點云進行完整化處理；

19、第四步：利用算法對點云進行精煉處理，得到均勻化的點云。

20、噪點也稱為孤立點/離群點/異常點，是指點云數據中的不相關或不希望存在的干擾信號或誤差。噪聲通常來源于環境光線的明亮程度、測量設備精度及系統誤差、物體材料及表面的紋理和人為抖動等因素影響。環境光線的明亮程度、測量設備精度及系統誤差、物體材料及表面的紋理和人為抖動等因素。在點云數據中，通過濾波和處理方法，去除無用噪聲點，以提高數據質量和準確性的過程。去除明顯分布稀疏的離群點。根據給定均值與方差，可剔除方差之外的點，即方差之外的點是正確點。

21、通過掃描儀得到的點云數量極其龐大，測量數據將達到數萬個甚至數十萬個點，龐大的數據量中包含有無法預料到噪聲點。噪聲點的來源除了激光掃描硬件本身造成的誤差，此外還與采集實際情況有關，如掃描區域中存在煙霧、顆粒、棱角等，這些對于點云匹配等后期的工作顯然是不利的，因此需要對數據點進行一系列的數據去噪，篩除噪點。

22、作為優選，取取船體艙口位置信息坐標后，利用濾波算法，通過對掃描獲取的點云數據創建一個三維體素網格，然后用網格內所有點的中心來近似顯示體素中的其他點，這樣該體素內所有點就用一個中心點最終表示，分割出物料區域，從而得到物料的3d點云。

23、作為優選，還包括防碰撞模塊，防碰撞模塊與主控系統相連接，所述防撞模塊通過激光掃描錄入障礙物信息，通過主控系統獲取門座式起重機的位置信息和運動趨勢，通過獲取門座式起重機的位置信息和運動趨勢，計算門座式起重機臂架的保護區域；如果障礙物在臂架的保護區域內，則有碰撞的可能，激光掃描儀自動生成報警信息，并通過以太網接口將報警信號發送給plc，使回轉機構減速停車；如果障礙物在臂架的保護區域外，則沒有碰撞的可能。

24、作為優選，所述運行路徑包括門機從抓料點到放料點的軌跡，使用最優化思路，運行路徑結合門機旋轉中心的位置、門機的設備參數，然后根據門機的旋轉方向、起點、終點，結合障礙物信息規劃路徑。規劃各個機構的運行軌跡，讓門機的起升機構、旋轉機構、變幅機構運行在適當的位置聯動，同時保證門機在運行的過程中，其臂架和抓斗不碰撞障礙物，同時使作業效率最高。

25、作為優選，門機操作人員也可向主控系統手動設置出抓料區域、卸料點、障礙點。

26、一種基于門機自動化的卸船作業裝置，其特征在于：包括掃描模塊和防碰撞模塊，所述掃描模塊包括分別設置在門機象鼻梁端部中間和司機室平臺邊的3d激光掃描云臺設備ⅰ，用于對所需的識別目標進行識別，所需識別目標包括：船舶艙口位置、船舷高度、物料、門機裝卸位置；所述防碰撞模塊包括分別設置在門座式起重機的臂架兩側的激光掃描云臺ⅱ，所述激光掃描云臺ⅱ的垂直視場角180°，激光掃描云臺ⅱ旋轉使水平視場角達到任意角度，激光掃描云臺ⅱ的掃描面垂直于地面激光掃描云臺的旋轉軸垂直于地面。

27、兩臺3d激光掃描云臺設備ⅰ通過掃描重疊區域的數據配準和擬合，可以有效的擴大可識別區域，獲取更加精確的數據，供以門座式起重機plc對各電氣以及執行機構動作進行精準定位控制，順利完成帶斗門座式起重機全自動作業。門座式起重機全自動運行時，3d激光掃描云臺設備ⅰ根據門座式起重機的回轉速度實時調整掃描方向和掃描區域。

28、回轉機構非運行狀態下，激光掃描云臺ⅱ的掃描面平行于臂架方向，對正前方區域進行掃描；回轉機構以最高速向右方旋轉時，右側激光掃描云臺ⅱ轉動到預先設置的最大角度。一旦檢測到障礙物，激光掃描云臺ⅱ自動生成報警信息，并通過以太網接口將報警信號發送給門座式起重機plc，使回轉機構減速停車。當回轉機構反向旋轉時，左側激光掃描云臺ⅱ以同樣的方式進行安全防護。

29、本發明的有益效果

30、本發明通過掃描檢測手段和數據算法支持，實現對船體進行掃描、建模并對建模數據進行特征提取，實現門座式起重機散貨自動化作業，作業過程中，保障人員安全，規避生產隱患，降低揚塵污染，降低司機勞動強度，并能顯示實時位置、行為軌跡等，推進散貨碼頭的智能化建設，提升作業效率。