[發(fā)明專利]自動化集裝箱岸橋遠(yuǎn)程操控小車路徑規(guī)劃方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201910363020.8
• 申請日: 2019-04-30
• 公開（公告）號: CN110329910A
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏禎捷;張潤梁;趙華;周哲斌;徐紅春;朱清;姜志盛;李德賢
• 申請（專利權(quán)）人: 上海冠東國際集裝箱碼頭有限公司
• 主分類號: B66C13/18
• 分類號: B66C13/18;B66C13/16
• 代理公司: 上海精晟知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31253
• 代理人: 馮子玲

1.一種自動化集裝箱岸橋遠(yuǎn)程操控小車路徑規(guī)劃方法，采用遠(yuǎn)程操控工作模式的自動化集裝箱岸橋在傳統(tǒng)岸橋電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝了傳感裝置、監(jiān)控設(shè)備、服務(wù)器；其中一個2D激光測距儀安裝在與岸橋門腿垂直的桁架上實(shí)現(xiàn)集卡定位，兩個3D激光掃描儀安裝在小車車架上，用以實(shí)現(xiàn)輪船中集裝箱輪廓掃描；與激光掃描儀配套使用的小車位置參照物，以及與激光掃描儀配套使用的吊具位置參照物，都安裝在吊具的上架上部；信息處理及傳輸系統(tǒng)硬件配置包括集卡定位系統(tǒng)計(jì)算服務(wù)器、輪船集裝箱輪廓掃描系統(tǒng)計(jì)算服務(wù)器及岸橋主控PLC；其特征在于所述自動化集裝箱岸橋遠(yuǎn)程操控小車路徑規(guī)劃方法包括如下步驟：

步驟一、采用小波變換算法求取集卡定位系統(tǒng)中激光測距儀回波信號的準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)刻；

小波變換算法是將原始的信號f(t)展開形成以一簇小波基函數(shù)的加權(quán)和的形式；設(shè)其中為基小波，j稱為拉伸因子，k為平移因子，是小波經(jīng)過平移，拉伸，縮放之后的信號；

對于任意連續(xù)函數(shù)f(t)∈L²(R)，可以將其進(jìn)行小波變換，小波變換公式為：

其中j,k稱為尺度因子；

對連續(xù)小波變換中的平移系數(shù)和尺度系數(shù)進(jìn)行離散化操作，在離散條件下，

小波母函數(shù)的定義式為：

上式中取a₀＝2,b₀＝1，則簡化為：

對應(yīng)的二進(jìn)離散小波表達(dá)式為：

采用小波變換算法對集卡定位信號進(jìn)行去噪，以獲得激光測距儀精確的回波信號，步驟如下：

步驟一1)將含有噪聲的激光測距儀回波信號輸入集卡定位信息系統(tǒng)計(jì)算服務(wù)器，形成需要進(jìn)行小波變換的含噪一維信號，表達(dá)為：s(k)＝f(k)+ε·e(k),k＝0,1,...,n-1，其中，s(k)表達(dá)含有噪聲的測距儀回波信號，f(k)為有用信號，e(k)為噪聲信號，通常表現(xiàn)為高頻信號；采用慣常的三層分解模式對激光測距儀的回波信號進(jìn)行小波分解，獲得分解后的小波低頻系數(shù)和高頻系數(shù)；

步驟一2)利用閾值函數(shù)對所分解的小波高頻系數(shù)實(shí)行量化；

這里采用一種改進(jìn)的軟、硬折衷的閾值函數(shù)，表達(dá)為：

式中，λ為閾值，w_ab為小波系數(shù)，即為經(jīng)過去噪后的小波高頻系數(shù)；步驟一3)根據(jù)小波分解的第三層低頻系數(shù)及經(jīng)過量化處理后的第一到第三層的高頻系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，得到去噪后的真實(shí)集卡定位系統(tǒng)激光測距儀回波信號，集卡定位數(shù)據(jù)處理服務(wù)器經(jīng)計(jì)算獲得集卡實(shí)際位置；

步驟二、采用最小二乘法求取輪船集裝箱輪廓掃描系統(tǒng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的三維表面形態(tài)信息；

采用基于最小二乘法的點(diǎn)云去噪方法對激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，步驟如下：

步驟二1)將3D激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)讀入輪船集裝箱輪廓掃描系統(tǒng)計(jì)算服務(wù)器；

步驟二2)求取激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)最大連通域；

具體步驟如下：對于激光掃描儀原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)集P∈R³，找到其在X軸、Y軸及Z軸方向上的最大值Xmax、Ymax、Zmax與最小值Xmin、Ymin、Zmin，然后建立與坐標(biāo)軸平行的最小包圍盒：B＝[Xmin,Xmax]×[Ymin,Ymax]×[Zmin,Zmax]，再選取一個合適的小柵格邊長L_s，將包圍盒分割成m×n×l個平行的小立方柵格，建立最小包圍盒后，將激光掃描儀的回波點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的所有點(diǎn)分配到對應(yīng)的被劃分出的小立方柵格中，找到一個含有最多小立方體的連通域即為保留的數(shù)據(jù)點(diǎn)集，游離于最大連通域外的數(shù)據(jù)點(diǎn)即為離群點(diǎn)，去除離群點(diǎn)，再對去除離群點(diǎn)后的點(diǎn)云重新進(jìn)行柵格劃分，確定點(diǎn)云數(shù)據(jù)的K鄰域點(diǎn)數(shù)為24個；

步驟二3)建立點(diǎn)云數(shù)據(jù)的K鄰域；

選取點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的點(diǎn)p_i，對該點(diǎn)本身及其周圍共27個小立方體柵格內(nèi)進(jìn)行K鄰域搜索，求取27個小立方體柵格內(nèi)點(diǎn)到點(diǎn)p_i的距離，把距離按從小到大順序進(jìn)行排序，則前面的24個點(diǎn)就是點(diǎn)p_i的K近鄰；

步驟二4)利用最小二乘法擬合點(diǎn)p_i及其鄰域N(p_i)的最佳逼近平面S_i；設(shè)激光掃描儀的回波數(shù)據(jù)某一點(diǎn)p_i及其K鄰域N(p_i)的最佳逼近平面方程為：

如果記：則：Z＝a₀x+a₁y+a₂；

已知點(diǎn)p_i及其K鄰域N(p_i)內(nèi)k+1個點(diǎn)：(x_i,y_i,z_i),i＝0,1,2,...,k，其中k≥3，要對這k+1個點(diǎn)擬合最佳平面，則應(yīng)使得下式取值最小：

要使得S最小，則應(yīng)滿足：即：

對上式進(jìn)行迭代求解求得a₀，a₁和a₂，即得點(diǎn)p_i及其K鄰域N(p_i)的最佳逼近平面；

步驟二5)求出點(diǎn)p_i及其鄰域N(p_i)內(nèi)各點(diǎn)到S_i的距離d_j以及平均距離點(diǎn)p_i及其鄰域N(p_i)內(nèi)各點(diǎn)到S_i的距離d_j按照下式求取：

再求取平均距離得：

步驟二6)根據(jù)確定一個閾值T，遍歷點(diǎn)p_i的K鄰域，若d_j＞T，

則刪除該點(diǎn)，若d_j≤T，則保留該點(diǎn)；

步驟二7)遍歷所有點(diǎn)，重復(fù)步驟二3)至步驟二6)直到最后一點(diǎn)，獲得去噪后的數(shù)據(jù)點(diǎn)云模型，輪船集裝箱輪廓掃描系統(tǒng)計(jì)算服務(wù)器以此實(shí)時(shí)計(jì)算集裝箱輪廓最大值；

步驟三、集卡定位系統(tǒng)計(jì)算服務(wù)器及輪船集裝箱輪廓掃描系統(tǒng)計(jì)算服務(wù)器將計(jì)算獲得的集卡定位信息及集裝箱輪廓最大值寫入岸橋主控PLC，PLC控制步驟為：當(dāng)岸橋?qū)⒓ㄉ系募b箱裝船時(shí)，PLC實(shí)時(shí)計(jì)算小車當(dāng)前位置與集卡上集裝箱位置的偏差，并實(shí)時(shí)調(diào)整小車運(yùn)行速度，當(dāng)位置偏差為零，小車速度減為零，吊具正好停止集卡集裝箱正上方；吊具抓取集裝箱后，PLC驅(qū)動小車運(yùn)行至海側(cè)，在接近集裝箱堆碼貝位時(shí)，PLC實(shí)時(shí)讀取小車當(dāng)前位置附近輪船集裝箱輪廓最大值，實(shí)時(shí)調(diào)整小車運(yùn)行速度并驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)起升以繞開集裝箱輪廓最高處避免碰撞，當(dāng)?shù)竭_(dá)正確貝位時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整小車運(yùn)行速度并驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)下降，實(shí)現(xiàn)集裝箱正確堆碼；當(dāng)岸橋進(jìn)行卸船操作時(shí)，PLC也采用相同的控制步驟。