吊具定位控制系统以及工程机械的制作方法

1.本技术涉及工程机械领域，具体涉及一种吊具定位控制系统以及工程机械。


背景技术：

2.随着我国港口进出口贸易的不断增长，轮胎式和轨道式集装箱起重机等电气设备的使用也更加频繁。起重机主梁上一般设置了移动小车及吊具，通过小车的移动升降配合吊具的抓放箱功能，实现了集装箱的场内转移。目前集装箱全自动抓放方案大多采用两种方式，一种为常用的视觉相机结合单点激光雷达扫描仪作为检测手段，检测计算集装箱和吊具偏移量，实现自动抓放箱。另外一种就是单点激光结合2d激光雷达扫描仪的方式，检测计算集装箱和吊具偏移量，实现自动抓放箱。
3.以上方案是采用多个传感器来检测吊具相对于参照物(包括但不限于集装箱、集装箱卡车托板)的偏移量，进而根据该偏移量来调整吊具的位置或姿态，即，根据参照物对吊具进行定位，从而实现对集装箱的抓放。
4.然而上述方案采用的传感器数量较多、种类繁杂，导致用来给吊具进行定位的控制系统结构复杂，成本较高，且在户外环境下，发生故障的可能性较高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供了一种吊具定位控制系统以及工程机械，解决了现有技术中用来给吊具进行定位的控制系统由于传感器多而杂所导致的功能不稳定、成本较高的技术问题。
6.根据本技术的一个方面，本技术提供了一种吊具定位控制系统，包括：设于吊具的3d激光扫描仪，用于分别扫描所述吊具及参照物以确定所述吊具相对于所述参照物的位置偏差或角度偏差；控制单元，用以根据所述位置偏差或所述角度偏差发送控制信号给驱动单元；以及所述驱动单元，用以根据所述控制信号驱动所述吊具相对于所述参照物平移或转动；其中，所述控制单元分别与所述3d激光扫描仪、所述驱动单元通信连接。
7.在一种可能的实现方式中，所述3d激光扫描仪配置为多个，所述多个3d激光扫描仪均匀分布在所述吊具中心的四周。
8.在一种可能的实现方式中，所述吊具包括成对设置的长边和短边，所述多个3d激光扫描仪包括第一扫描仪、第二扫描仪、第三扫描仪以及第四扫描仪；其中，所述第一扫描仪、第二扫描仪、第三扫描仪以及第四扫描仪分别设于所述吊具的两长边和两短边的中间位置。
9.在一种可能的实现方式中，所述吊具定位控制系统还包括gps定位系统，用于确定所述吊具在世界坐标系中的位置或姿态；其中，所述gps定位系统与所述控制单元通信连接。
10.在一种可能的实现方式中，所述gps定位系统包括gps天线，所述gps天线设于所述吊具。
11.在一种可能的实现方式中，所述gps天线配置为多个，所述多个gps天线包括第一天线和第二天线，所述第一天线和所述第二天线分别安装于所述吊具的顶部，且沿第一方向对称分布于所述吊具中心的相对两侧。
12.在一种可能的实现方式中，所述多个gps天线还包括第三天线和第四天线，所述第三天线和所述第四天线分别安装于所述吊具的顶部，且沿第二方向对称分布于所述吊具中心的相对两侧；其中，所述第一方向和所述第二方向不平行。
13.在一种可能的实现方式中，所述吊具配置为矩形，所述第一天线、所述第二天线、所述第三天线以及所述第四天线分别安装于所述吊具的四个顶角处。
14.在一种可能的实现方式中，所述gps定位系统配置为dgps差分定位系统。
15.作为本技术的第二方面，本技术提供了一种工程机械，所述工程机械包括上述吊具定位控制系统。
16.本技术的吊具定位控制系统通过在吊具上设置3d激光扫描仪以分别扫描吊具及参照物，来确定吊具相对于参照物的位置偏差或角度偏差，从而实现了根据参照物对吊具进行精准定位的目的；
17.本技术的吊具定位控制系统采用3d激光扫描仪有利于系统结构简化，解决了现有技术中用来给吊具进行定位的控制系统由于传感器多而杂所导致的功能不稳定、成本较高的技术问题。
附图说明
18.图1所示为本技术提供的一种吊具定位控制系统的结构框图，其中，吊具定位控制系统与吊具连接；
19.图2所示为本技术提供的一种工程机械工作时的示意图；
20.图3为图2中吊具和3d激光扫描仪一种可能的配合关系的示意图；
21.图4为图2中吊具和gps天线一种可能的配合关系的示意图；
22.图5为图2中吊具、gps天线以及3d激光扫描仪一种可能的配合关系的示意图；
23.图6为图4中吊具和gps天线另一种可能的配合关系的示意图；
24.图7为图5中吊具、gps天线以及3d激光扫描仪另一种可能的配合关系的示意图。
具体实施方式
25.本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
26.另外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式
地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
27.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.根据本技术第一方面，本技术提供了一种吊具定位控制系统。
29.图1所示为本技术一种可能的实现方式提供的吊具定位控制系统的结构框图；其中，吊具定位控制系统包括3d激光扫描仪2、控制单元4以及驱动单元5，3d激光扫描仪2设于吊具1，3d激光扫描仪2用于分别扫描吊具1和参照物以确定吊具1相对于参照物的位置偏差或角度偏差，控制单元4用以根据位置偏差或角度偏差发送控制信号给驱动单元5，驱动单元5用以根据控制信号驱动吊具1平移或转动；其中，控制单元4分别与3d激光扫描仪2、驱动单元5通信连接。
30.具体实施时，3d激光扫描仪2可以是由激光发射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、ccd机以及软件等组成。
31.具体实施时，请参图2，图2所示为吊具定位控制系统一种可能的应用场景的示意图，其中，吊具定位控制系统应用于轮胎式龙门起重机，该轮胎式龙门起重机包括大车7和小车6，大车7具有立柱71和设于立柱71底部的轮胎72；吊具1通过吊索(未标记)悬挂于小车6的下方，用以抓取场地上的集装箱8，或将已抓起的集装箱8下放到场地上，或集装箱卡车上，或将已抓起的集装箱8叠放到已放置在场地上的集装箱8上；
32.因此，根据上述不同工况，参照物可以是场地上待被堆叠的集装箱8、可以是场地上的集装箱卡车托板(未图示)、可以是设在场地上的划线(未图示)，也可以是待被抓取的集装箱8(如图2所示)。
33.具体地，结合图1和图2所示，吊具1分别与3d激光扫描仪2、驱动单元5机械连接。
34.可选地，3d激光扫描仪2固定安装于吊具1的底部边缘。
35.本技术的吊具定位控制系统通过在吊具1上设置3d激光扫描仪2以分别扫描吊具1及参照物，来确定吊具1相对于参照物的位置偏差或角度偏差，从而实现了根据参照物对吊具1进行精准定位的目的；
36.本技术的吊具定位控制系统采用3d激光扫描仪2有利于系统结构简化，解决了现有技术中用来给吊具1进行定位的控制系统由于传感器多而杂所导致的功能不稳定、成本较高的技术问题。
37.图3所示为吊具1和3d激光扫描仪2一种可能的配合关系的示意图，3d激光扫描仪2配置为多个，多个3d激光扫描仪2均匀分布在吊具中心o的四周，其中，“均匀”是指多个3d激光扫描仪2间隔相同角度依次分布在吊具中心o的四周。
38.具体地，如图3所示，吊具1配置为矩形，吊具中心o为吊具1的两条对角线(l1、l2)的交点(结合图6所示)；吊具1包括成对设置的长边和短边，多个3d激光扫描仪2包括第一扫描仪2、第二扫描仪2、第三扫描仪2以及第四扫描仪2；
39.其中，第一扫描仪2、第二扫描仪2、第三扫描仪2以及第四扫描仪2分别设于吊具1的两长边和两短边的中间位置。
40.下面结合图2和图3进一步说明本实现方式提供的吊具定位控制系统的工作过程
和预期效果：
41.1)抓箱工况：第一扫描仪2、第二扫描仪2、第三扫描仪2以及第四扫描仪2分区域实时获取吊具1和待抓取集装箱8的点云数据，控制单元4通过算法比较待抓取集装箱8边缘和吊具1边缘的点云数据偏差，并给驱动单元5发送控制信号以不断调整吊具1的位置，直到偏差值变小，达到合理值时给驱动单元5发送控制信号以进行抓箱动作。
42.2)叠箱工况：第一扫描仪2、第二扫描仪2、第三扫描仪2以及第四扫描仪2分区域实时获取吊具1已抓取集装箱8的点云数据，由于箱子高度为固定值，因此选择已抓取集装箱8底部区域的点云，计算已抓取集装箱8底部边缘轮廓，同时获取待被堆叠集装箱8顶部区域的点云，计算待被堆叠集装箱8顶部边缘轮廓；其中，已抓取集装箱8的底部边缘轮廓和待被堆叠集装箱8的顶部边缘轮廓之间的位置偏差和角度偏差即为控制单元4需要对吊具1进行调整的量，待偏差值调整到允许误差范围内时，控制单元4控制吊具1下降进行叠箱动作。
43.本实现方式的吊具定位控制系统仅使用4个3d激光扫描仪2，实时获取吊具1相对参照物的偏移位置和偏移角度，通过控制单元4内置的算法自动调整吊具1相对于参照物的位置或姿态，从而实现吊具1的精准定位，进而实现自动抓放箱。
44.具体实施时，存在没有参照物的工况，比如当吊具1从船舱(未图示)中抓取第一个集装箱8移送至岸边的场地上空时，由于场地上既没有已经下放的集装箱8、也没有集装箱卡车、划线等其他参照物时，因此无法对吊具1进行定位，基于此工况，本技术另一种可能的实现方式提供的吊具定位控制系统能有效解决上述无法对吊具1进行定位的问题。
45.具体地，请结合图2、图4、图5、图6和图7所示，吊具定位控制系统还包括gps定位系统，用于确定吊具1在世界坐标系中的位置或姿态；其中，gps定位系统与控制单元4通信连接。
46.gps(global positioning system，全球定位系统)是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。
47.具体地，gps定位系统包括gps天线3。
48.具体地，gps天线3设于吊具1；其中，相较于gps天线3设于小车6的方案，将gps天线3设于吊具1有助于直接获取吊具1在世界坐标系中的位置或姿态，而不是先根据gps天线3获取小车6在世界坐标系中的位置或姿态，再根据小车6在世界坐标系中的位置或姿态、以及吊具1相对于小车6的相对位置和相对速度进行换算后才得到吊具1在世界坐标系中的位置或姿态。
49.具体地，gps天线3配置为多个。
50.可选地，如图4和图5所示，多个gps天线3包括第一天线3和第二天线3，第一天线3和第二天线3分别安装于吊具1的顶部，且沿第一方向(对角线l1的方向，下简称l1)对称分布于吊具中心o的相对两侧。
51.具体实施时，gps定位系统还包括信号处理器(未图示)，通过解算gps天线3接收到的来自至少四颗卫星的信号，获得gps天线3的空间坐标，并将该空间坐标数据发送给控制单元4。由此可知，信号处理器与控制单元4通信连接。
52.其中，gps定位系统通过两个安装于吊具1顶部的gps天线3，获得两个gps天线3在世界坐标系中的空间坐标。控制单元4根据上述两个gps天线3在世界坐标系中的空间坐标
计算得到吊具1的实时位置或实时姿态数据之后，就可以根据吊具1在世界坐标系中的标定位置或标定姿态来调整吊具1的位置或姿态。
53.本实现方式通过将第一天线3和第二天线3设置在吊具1上，且对称设置在吊具中心o的相对两侧，以获取吊具1在世界坐标系中的位置或姿态，解决了无参照时无法对吊具1进行定位，进而无法对堆场排位的第一个集装箱8进行摆放的问题，从而实现了可不借助基准线或基准箱等参考物依旧能对吊具1或上述第一个集装箱8进行位置、姿态调整的技术效果。
54.具体实施时，由于场地上没有参照物，因此无线信号被遮挡得比较少，使得gps天线3接收到的数据值更稳定，进而获取到的吊具1在世界坐标系中的位置或姿态越准确。
55.具体地，gps定位系统配置为dgps差分定位系统。其原理是在已知坐标的固定点上架设一台gps接收机(称基准站)，其中，gps接收机包括gps天线3；通过该gps天线3的定位数据和已知坐标数据解算出差分数据(误差修正参数)，再通过数据链将误差修正参数实时发送给设于吊具1的gps天线3，信号处理器根据该误差修正参数，对设于吊具1的gps天线3的定位数据进行修正解算，即可将定位精度提高到米级、甚至厘米级。
56.可选地，如图6和图7所示，多个gps天线3还包括第三天线3和第四天线3，第三天线3和第四天线3分别安装于吊具1的顶部，且沿第二方向(对角线l2的方向，下简称l2)对称分布于吊具中心o的相对两侧；其中，第一方向l1和第二方向l2不平行。采用四个gps天线3有利于优化获取到的吊具1的位置数据或姿态数据。
57.具体地，吊具1配置为矩形，第一天线3、第二天线3、第三天线3以及第四天线3分别安装于吊具1的四个顶角处。
58.作为本技术的第二方面，本技术提供了一种工程机械。
59.图2所示为本技术一种可能的实现方式提供的工程机械工作时的示意图；该工程机械包括上述吊具定位控制系统，该吊具定位控制系统的具体结构和预期效果请参本技术的第一方面，在此不做赘述。
60.具体地，工程机械为起重机。
61.可选地，工程机械为轮胎式龙门起重机。
62.上述仅为本技术创造的较佳实施例而已，并不用以限制本技术创造，凡在本技术创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本技术创造的保护范围之内。

技术特征：
1.一种吊具定位控制系统，其特征在于，包括：设于吊具(1)的3d激光扫描仪(2)，用于分别扫描所述吊具(1)及参照物以确定所述吊具(1)相对于所述参照物的位置偏差或角度偏差；控制单元(4)，用以根据所述位置偏差或所述角度偏差发送控制信号给驱动单元(5)；以及所述驱动单元(5)，用以根据所述控制信号驱动所述吊具(1)相对于所述参照物平移或转动；其中，所述控制单元(4)分别与所述3d激光扫描仪(2)、所述驱动单元(5)通信连接。2.根据权利要求1所述的吊具定位控制系统，其特征在于，所述3d激光扫描仪(2)配置为多个，所述多个3d激光扫描仪(2)均匀分布在吊具中心(o)的四周。3.根据权利要求2所述的吊具定位控制系统，其特征在于，所述吊具(1)包括成对设置的长边和短边，所述多个3d激光扫描仪(2)包括第一扫描仪、第二扫描仪、第三扫描仪以及第四扫描仪；其中，所述第一扫描仪、第二扫描仪、第三扫描仪以及第四扫描仪分别设于所述吊具(1)的两长边和两短边的中间位置。4.根据权利要求1所述的吊具定位控制系统，其特征在于，所述吊具定位控制系统还包括gps定位系统，用于确定所述吊具(1)在世界坐标系中的位置或姿态；其中，所述gps定位系统与所述控制单元(4)通信连接。5.根据权利要求4所述的吊具定位控制系统，其特征在于，所述gps定位系统包括gps天线(3)，所述gps天线(3)设于所述吊具(1)。6.根据权利要求5所述的吊具定位控制系统，其特征在于，所述gps天线(3)配置为多个，所述多个gps天线(3)包括第一天线和第二天线，所述第一天线和所述第二天线分别安装于所述吊具(1)的顶部，且沿第一方向(l1)对称分布于吊具中心(o)的相对两侧。7.根据权利要求6所述的吊具定位控制系统，其特征在于，所述多个gps天线(3)还包括第三天线和第四天线，所述第三天线和所述第四天线分别安装于所述吊具(1)的顶部，且沿第二方向(l2)对称分布于所述吊具中心(o)的相对两侧；其中，所述第一方向(l1)和所述第二方向(l2)不平行。8.根据权利要求7所述的吊具定位控制系统，其特征在于，所述吊具(1)配置为矩形，所述第一天线、所述第二天线、所述第三天线以及所述第四天线分别安装于所述吊具(1)的四个顶角处。9.根据权利要求4所述的吊具定位控制系统，其特征在于，所述gps定位系统配置为dgps差分定位系统。10.一种工程机械，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的吊具定位控制系统。

技术总结
本申请提供了一种吊具定位控制系统以及工程机械，吊具定位控制系统包括：设于吊具的3D激光扫描仪，用于分别扫描所述吊具及参照物以确定所述吊具相对于所述参照物的位置偏差或角度偏差；控制单元，用以根据所述位置偏差或所述角度偏差发送控制信号给驱动单元；以及所述驱动单元，用以根据所述控制信号驱动所述吊具相对于所述参照物平移或转动；其中，所述控制单元分别与所述3D激光扫描仪、所述驱动单元通信连接；本申请的吊具定位控制系统采用3D激光扫描仪有利于系统结构简化，解决了现有技术中用来给吊具进行定位的控制系统由于传感器多而杂所导致的功能不稳定、成本较高的技术问题。问题。问题。


技术研发人员：王君雄 唐修俊 潘子华
受保护的技术使用者：三一海洋重工有限公司
技术研发日：2021.11.04
技术公布日：2022/5/25