本發(fā)明涉及碼頭裝船機(jī)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，特別涉及一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、裝船機(jī)是用于散料碼頭裝船時使用的大型散料機(jī)械。一般裝船機(jī)由臂架皮帶機(jī)、過渡皮帶機(jī)、伸縮溜筒、尾車、走行裝置、門架、塔架、俯仰裝置、回轉(zhuǎn)裝置等組成。

2、當(dāng)前裝船機(jī)通過手動操作的方式在操作臺上移動大車、溜筒和臂架，來實(shí)現(xiàn)貨物的裝船，這種方式及其依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)和注意力。為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動裝船，需要通過多種傳感器的位置數(shù)據(jù)來模擬操作員裝船的過程。

3、目前裝船機(jī)定位系統(tǒng)包含三個激光雷達(dá)、臂架回轉(zhuǎn)角度、活動臂架俯仰角度、臂架伸縮距離及溜筒高度，通過高精度多圈絕對值編碼器、傾角儀等定位裝置，準(zhǔn)確獲取裝船機(jī)設(shè)備的實(shí)時三維坐標(biāo)和空間姿態(tài)，定位設(shè)備檢測到的三維位置信息同步至系統(tǒng)服務(wù)器，并滿足實(shí)時plc控制和安全位置判斷所需要求。但是這些傳感器數(shù)據(jù)彼此之間沒有交互，且只使用單一傳感器無法完成裝船的工作，單一的數(shù)據(jù)且不屬于同一個坐標(biāo)系導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間位置無法進(jìn)行比較和判斷，對自動化的操控?zé)o法提供準(zhǔn)確可靠的坐標(biāo)位置信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的方法及裝置，將傳感器的位置數(shù)據(jù)融合到一起，并將激光雷達(dá)系統(tǒng)掃描的點(diǎn)云坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算，再將各點(diǎn)云的空間位置統(tǒng)一到大車坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)對裝船機(jī)的全場景三維建模，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一坐標(biāo)系下位置定位。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的方法，包括如下步驟：

3、s1、采用多個雷達(dá)傳感器獲取裝船機(jī)的多個點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

4、s2、為每個點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別建立一個雷達(dá)坐標(biāo)系，定義中間坐標(biāo)系；

5、s3、將每個點(diǎn)云數(shù)據(jù)從對應(yīng)的雷達(dá)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至中間坐標(biāo)系并將多個點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接形成完整的裝船機(jī)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

6、s4、建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，將拼接后的完整的裝船機(jī)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與真實(shí)尺寸數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)融合建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，將完整的裝船機(jī)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

7、采用三個雷達(dá)傳感器，分別獲取裝船機(jī)的頭部、尾部和船中部的雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

8、步驟s2中，每個雷達(dá)傳感器獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其雷達(dá)坐標(biāo)系的建立分別包括：以每個雷達(dá)安裝位置為雷達(dá)坐標(biāo)系原點(diǎn)，即雷達(dá)坐標(biāo)系起點(diǎn)，定義坐標(biāo)軸方向，根據(jù)右手定則，定義坐標(biāo)軸方向，用右手定則確定x，y，z軸的正方向，根據(jù)右手定則，整個裝船機(jī)選擇指向船尾為x軸正方向，垂直船右側(cè)向外為y軸正方向，垂直船向下為z軸正方向。

9、中間坐標(biāo)系選用其中一個雷達(dá)傳感器對應(yīng)的雷達(dá)坐標(biāo)系。

10、步驟s3中，選擇其中一個雷達(dá)傳感器對應(yīng)的雷達(dá)坐標(biāo)系作為中間坐標(biāo)系，即以其中一個雷達(dá)傳感器掃描的點(diǎn)云圖為參考點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)和平移其他雷達(dá)傳感器掃描的點(diǎn)云圖，進(jìn)而得到一個完整的裝船機(jī)點(diǎn)云圖，然后將完整的裝船機(jī)點(diǎn)云圖整體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移，得到指向船尾為x軸正方向，垂直船右側(cè)向外為y軸正方向，垂直船向下為z軸正方向，且雷達(dá)坐標(biāo)系xoy平面與岸面平行的點(diǎn)云圖坐標(biāo)系。

11、在對點(diǎn)云圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移操作時，其中旋轉(zhuǎn)操作包括采用x軸旋轉(zhuǎn)矩陣rx、y軸旋轉(zhuǎn)矩陣ry、z軸旋轉(zhuǎn)矩陣rz對點(diǎn)云中的每一個點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理，在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換后，通過平移矩陣t進(jìn)行平移操作。

12、在雷達(dá)坐標(biāo)系下的完整的裝船機(jī)的點(diǎn)云圖中每一個點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣s轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，進(jìn)而得到統(tǒng)一坐標(biāo)系下的點(diǎn)云圖數(shù)據(jù)，完成碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的建立。

13、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣s為：

14、

15、其中

16、

17、

18、l′adz為大車到溜筒中心頂點(diǎn)實(shí)時距離以及β為大車臂與垂直岸方向夾角；其中溜筒初始長度s0，雷達(dá)到溜筒中心頂點(diǎn)的距離設(shè)為lz，大車臂仰點(diǎn)到溜筒中心距離lcd以及大車臂抬起仰角θ。

19、將雷達(dá)坐標(biāo)系下點(diǎn)云分別繞x，y，z三個坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換；其中

20、繞x軸旋轉(zhuǎn)結(jié)果用一個3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣rx表示為：

21、

22、繞y軸旋轉(zhuǎn)結(jié)果用一個3×3的矩陣ry表示為：

23、

24、繞z軸旋轉(zhuǎn)結(jié)果用一個3×3的矩陣rz表示為：

25、

26、一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的裝置，所述裝置包括數(shù)據(jù)采集模塊、建立雷達(dá)坐標(biāo)系模塊、點(diǎn)云坐標(biāo)變換與拼接模塊、統(tǒng)一坐標(biāo)系模塊；其中數(shù)據(jù)采集模塊用于采集多個雷達(dá)傳感器獲取裝船機(jī)的多個點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

27、所述建立雷達(dá)坐標(biāo)系模塊為每個點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別建立一個雷達(dá)坐標(biāo)系，定義中間坐標(biāo)系；

28、所述點(diǎn)云坐標(biāo)變換與拼接模塊將每個點(diǎn)云數(shù)據(jù)從對應(yīng)的雷達(dá)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至中間坐標(biāo)系并將多個點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接形成完整的裝船機(jī)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

29、所述統(tǒng)一坐標(biāo)系模塊用于在建議統(tǒng)一坐標(biāo)系，將拼接后的完整的裝船機(jī)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與真實(shí)尺寸數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)融合建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，將完整的裝船機(jī)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

30、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1、通過建立統(tǒng)一個坐標(biāo)系，可以將物體在空間中的位置表示為一組數(shù)值，更加方便地與其他物體位置進(jìn)行比較；

31、2、通過建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，可以方便地對裝船機(jī)進(jìn)行操作和控制。操作人員可以根據(jù)坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)快速地調(diào)整裝船機(jī)的位置和姿態(tài)，提高操作的準(zhǔn)確性和效率；

32、3、通過統(tǒng)一坐標(biāo)系，可以提供準(zhǔn)確的定位信息，確保裝船機(jī)在裝載貨物時能夠精確地確定貨物在船上的位置。這有助于減少裝載誤差，提高裝載效率，并確保貨物的安全運(yùn)輸；

33、4、通過統(tǒng)一坐標(biāo)系，可以提供準(zhǔn)確的定位和監(jiān)控功能，有助于保障裝船機(jī)在作業(yè)過程中的安全。操作人員可以根據(jù)坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應(yīng)的措施加以預(yù)防和處理。

技術(shù)特征：

1.一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的方法，其特征在于：包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的方法，其特征在于：采用三個雷達(dá)傳感器，分別獲取裝船機(jī)的頭部、尾部和船中部的雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.如權(quán)利要求1或2所述的一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的方法，其特征在于：步驟s2中，每個雷達(dá)傳感器獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其雷達(dá)坐標(biāo)系的建立分別包括：以每個雷達(dá)安裝位置為雷達(dá)坐標(biāo)系原點(diǎn)，即雷達(dá)坐標(biāo)系起點(diǎn)，定義坐標(biāo)軸方向，根據(jù)右手定則，定義坐標(biāo)軸方向，用右手定則確定x，y，z軸的正方向，根據(jù)右手定則，整個裝船機(jī)選擇指向船尾為x軸正方向，垂直船右側(cè)向外為y軸正方向，垂直船向下為z軸正方向。

4.如權(quán)利要求1或2所述的一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的方法，其特征在于：中間坐標(biāo)系選用其中一個雷達(dá)傳感器對應(yīng)的雷達(dá)坐標(biāo)系。

5.如權(quán)利要求1-3任一所述的一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的方法，其特征在于：步驟s3中，選擇其中一個雷達(dá)傳感器對應(yīng)的雷達(dá)坐標(biāo)系作為中間坐標(biāo)系，即以其中一個雷達(dá)傳感器掃描的點(diǎn)云圖為參考點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)和平移其他雷達(dá)傳感器掃描的點(diǎn)云圖，進(jìn)而得到一個完整的裝船機(jī)點(diǎn)云圖，然后將完整的裝船機(jī)點(diǎn)云圖整體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移，得到指向船尾為x軸正方向，垂直船右側(cè)向外為y軸正方向，垂直船向下為z軸正方向，且雷達(dá)坐標(biāo)系xoy平面與岸面平行的點(diǎn)云圖坐標(biāo)系。

6.如權(quán)利要求5所述的一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的方法，其特征在于：在對點(diǎn)云圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移操作時，其中旋轉(zhuǎn)操作包括采用x軸旋轉(zhuǎn)矩陣rx、y軸旋轉(zhuǎn)矩陣ry、z軸旋轉(zhuǎn)矩陣rz對點(diǎn)云中的每一個點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理，在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換后，通過平移矩陣t進(jìn)行平移操作。

7.如權(quán)利要求1-6任一所述的一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的方法，其特征在于：在雷達(dá)坐標(biāo)系下的完整的裝船機(jī)的點(diǎn)云圖中每一個點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣s轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，進(jìn)而得到統(tǒng)一坐標(biāo)系下的點(diǎn)云圖數(shù)據(jù)，完成碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的建立。

8.如權(quán)利要求7所述的一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的方法，其特征在于：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣s為：

9.如權(quán)利要求6所述的一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的方法，其特征在于：將雷達(dá)坐標(biāo)系下點(diǎn)云分別繞x，y，z三個坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換；其中

10.一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的裝置，其特征在于：所述裝置包括數(shù)據(jù)采集模塊、建立雷達(dá)坐標(biāo)系模塊、點(diǎn)云坐標(biāo)變換與拼接模塊、統(tǒng)一坐標(biāo)系模塊；其中數(shù)據(jù)采集模塊用于采集多個雷達(dá)傳感器獲取裝船機(jī)的多個點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種用于碼頭裝船機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的方法及裝置，該方法包括首先收集裝船機(jī)雷達(dá)傳感器產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再收集裝船機(jī)定位編碼器的數(shù)據(jù)以及相關(guān)的機(jī)械尺寸信息，其次為點(diǎn)云數(shù)據(jù)定義一個雷達(dá)坐標(biāo)系，并將點(diǎn)云數(shù)據(jù)從雷達(dá)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到其他坐標(biāo)系，以適應(yīng)后續(xù)處理需求，根據(jù)坐標(biāo)變換的結(jié)果，將多個雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集拼接到一起，形成完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集，最后結(jié)合定位編碼器數(shù)據(jù)、機(jī)械尺寸信息以及拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系，確保所有數(shù)據(jù)在同一參考系下進(jìn)行后續(xù)處理。本方案將傳感器的位置數(shù)據(jù)融合到一起，并將激光雷達(dá)系統(tǒng)掃描的點(diǎn)云坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算，再將各點(diǎn)云的空間位置統(tǒng)一到大車坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)對裝船機(jī)的全場景三維建模，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一坐標(biāo)系下位置定位。

技術(shù)研發(fā)人員：王恒兵,陳開志,王本富,王強(qiáng),閆小宇,周婧,李迎春,王志鵬,張迪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：安徽智質(zhì)工程技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23