[发明专利]自动化集装箱岸桥远程操控小车路径规划方法

摘要

本发明公开了一种自动化集装箱岸桥远程操控小车路径规划方法。该方法采用小波变换算法对带有高频噪声的集卡定位激光测距仪信息进行三层分解去噪后重构，获得精确的集卡激光测距仪回波信号并计算出回波信号的准确到达时刻，采用最小二乘法提取轮船集装箱轮廓扫描信息获得集装箱轮廓表面三维信息，并把处理后的有效信息送入系统主控PLC中实现数据融合以驱动小车沿可避开障碍物的安全路径运行，并驱动吊具自动定位集装箱。

主权项

1.一种自动化集装箱岸桥远程操控小车路径规划方法，采用远程操控工作模式的自动化集装箱岸桥在传统岸桥电控系统的基础上加装了传感装置、监控设备、服务器；其中一个2D激光测距仪安装在与岸桥门腿垂直的桁架上实现集卡定位，两个3D激光扫描仪安装在小车车架上，用以实现轮船中集装箱轮廓扫描；与激光扫描仪配套使用的小车位置参照物，以及与激光扫描仪配套使用的吊具位置参照物，都安装在吊具的上架上部；信息处理及传输系统硬件配置包括集卡定位系统计算服务器、轮船集装箱轮廓扫描系统计算服务器及岸桥主控PLC；其特征在于所述自动化集装箱岸桥远程操控小车路径规划方法包括如下步骤：步骤一、采用小波变换算法求取集卡定位系统中激光测距仪回波信号的准确到达时刻；小波变换算法是将原始的信号f(t)展开形成以一簇小波基函数的加权和的形式；设其中为基小波，j称为拉伸因子，k为平移因子，是小波经过平移，拉伸，缩放之后的信号；对于任意连续函数f(t)∈L²(R)，可以将其进行小波变换，小波变换公式为：其中j,k称为尺度因子；对连续小波变换中的平移系数和尺度系数进行离散化操作，在离散条件下，小波母函数的定义式为：上式中取a₀＝2,b₀＝1，则简化为：对应的二进离散小波表达式为：采用小波变换算法对集卡定位信号进行去噪，以获得激光测距仪精确的回波信号，步骤如下：步骤一1)将含有噪声的激光测距仪回波信号输入集卡定位信息系统计算服务器，形成需要进行小波变换的含噪一维信号，表达为：s(k)＝f(k)+ε·e(k),k＝0,1,...,n‑1，其中，s(k)表达含有噪声的测距仪回波信号，f(k)为有用信号，e(k)为噪声信号，通常表现为高频信号；采用惯常的三层分解模式对激光测距仪的回波信号进行小波分解，获得分解后的小波低频系数和高频系数；步骤一2)利用阈值函数对所分解的小波高频系数实行量化；这里采用一种改进的软、硬折衷的阈值函数，表达为：式中，λ为阈值，w_ab为小波系数，即为经过去噪后的小波高频系数；步骤一3)根据小波分解的第三层低频系数及经过量化处理后的第一到第三层的高频系数进行小波重构，得到去噪后的真实集卡定位系统激光测距仪回波信号，集卡定位数据处理服务器经计算获得集卡实际位置；步骤二、采用最小二乘法求取轮船集装箱轮廓扫描系统点云数据中的三维表面形态信息；采用基于最小二乘法的点云去噪方法对激光扫描数据进行滤波处理，步骤如下：步骤二1)将3D激光扫描仪点云数据读入轮船集装箱轮廓扫描系统计算服务器；步骤二2)求取激光扫描仪点云数据最大连通域；具体步骤如下：对于激光扫描仪原始点云数据集P∈R³，找到其在X轴、Y轴及Z轴方向上的最大值Xmax、Ymax、Zmax与最小值Xmin、Ymin、Zmin，然后建立与坐标轴平行的最小包围盒：B＝[Xmin,Xmax]×[Ymin,Ymax]×[Zmin,Zmax]，再选取一个合适的小栅格边长L_s，将包围盒分割成m×n×l个平行的小立方栅格，建立最小包围盒后，将激光扫描仪的回波点云数据中的所有点分配到对应的被划分出的小立方栅格中，找到一个含有最多小立方体的连通域即为保留的数据点集，游离于最大连通域外的数据点即为离群点，去除离群点，再对去除离群点后的点云重新进行栅格划分，确定点云数据的K邻域点数为24个；步骤二3)建立点云数据的K邻域；选取点云数据中的点p_i，对该点本身及其周围共27个小立方体栅格内进行K邻域搜索，求取27个小立方体栅格内点到点p_i的距离，把距离按从小到大顺序进行排序，则前面的24个点就是点p_i的K近邻；步骤二4)利用最小二乘法拟合点p_i及其邻域N(p_i)的最佳逼近平面S_i；设激光扫描仪的回波数据某一点p_i及其K邻域N(p_i)的最佳逼近平面方程为：如果记：则：Z＝a₀x+a₁y+a₂；已知点p_i及其K邻域N(p_i)内k+1个点：(x_i,y_i,z_i),i＝0,1,2,...,k，其中k≥3，要对这k+1个点拟合最佳平面，则应使得下式取值最小：要使得S最小，则应满足：即：对上式进行迭代求解求得a₀，a₁和a₂，即得点p_i及其K邻域N(p_i)的最佳逼近平面；步骤二5)求出点p_i及其邻域N(p_i)内各点到S_i的距离d_j以及平均距离点p_i及其邻域N(p_i)内各点到S_i的距离d_j按照下式求取：再求取平均距离得：步骤二6)根据确定一个阈值T，遍历点p_i的K邻域，若d_j＞T，则删除该点，若d_j≤T，则保留该点；步骤二7)遍历所有点，重复步骤二3)至步骤二6)直到最后一点，获得去噪后的数据点云模型，轮船集装箱轮廓扫描系统计算服务器以此实时计算集装箱轮廓最大值；步骤三、集卡定位系统计算服务器及轮船集装箱轮廓扫描系统计算服务器将计算获得的集卡定位信息及集装箱轮廓最大值写入岸桥主控PLC，PLC控制步骤为：当岸桥将集卡上的集装箱装船时，PLC实时计算小车当前位置与集卡上集装箱位置的偏差，并实时调整小车运行速度，当位置偏差为零，小车速度减为零，吊具正好停止集卡集装箱正上方；吊具抓取集装箱后，PLC驱动小车运行至海侧，在接近集装箱堆码贝位时，PLC实时读取小车当前位置附近轮船集装箱轮廓最大值，实时调整小车运行速度并驱动起升机构起升以绕开集装箱轮廓最高处避免碰撞，当到达正确贝位时，实时调整小车运行速度并驱动起升机构下降，实现集装箱正确堆码；当岸桥进行卸船操作时，PLC也采用相同的控制步骤。