CN118305576B - 一种超低温流体输送自动对接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超低温流体输送自动对接系统及方法，包括：装卸臂主体和自动对接控制装置；所述装卸臂主体包括立柱以及设置在所述立柱上的能够自由旋转且互不干扰的气相装卸臂和液相装卸臂；所述自动对接控制装置包括目标识别定位模块、路径规划模块以及伺服控制模块；所述目标识别定位模块用于实现目标对接管口的识别定位；所述路径规划模块用于根据目标对接管口的识别定位结果对所述装卸臂的运动路径进行规划，生成运动轨迹；所述伺服控制模块用于根据运动轨迹对装卸臂主体的位置和姿态进行控制，实现所述装卸臂与目标对接管口的自动对接和流体输送。本发明可以广泛应用于流体输送领域。

Description

一种超低温流体输送自动对接系统及方法

技术领域

本发明涉及一种超低温流体输送自动对接系统及方法，尤其涉及一种适用于液化天然气或液氢输送系统的超低温流体输送自动对接系统及方法，属于流体输送领域。

背景技术

浮式液化天然气生产储卸装置（LNG Floating Production Storage andoffloading Unit , FLNG）是一种用于海上天然气田开发的浮式生产装置，通过系泊系统定位于海上，具有开采、处理、液化、储存和装卸天然气的功能，并通过与液化天然气（Liquefied Natural Gas , LNG）船搭配使用，实现海上天然气田的开采和天然气运输。利用FLNG进行海上天然气田开发结束了海上天然气田只能采用管道运输上岸的单一模式，节约运输成本，且不占用陆上空间。此外，FLNG还可以在海上天然气田开采结束后二次使用，安置于其他海上天然气田，经济性能较高。

LNG卸料臂是一种安装在码头上或FLNG的用于LNG卸料的刚性铰接管道系统，主要结构包括旋转接头、外臂、内臂、基础立管以及连接内臂和基础立管之间的旋转接头等工艺管道及其支撑结构和附件。大型LNG卸料臂矗立在LNG接收站码头区最前端，作为接收站连接LNG船舶与陆上管线及存储设施的关键核心装备，是整个接收站的“咽喉”。当LNG运输船抵达接收站专用码头后，通过液相卸料臂和卸料管线，利用船上的低温泵将LNG送进接收站的储罐内，同时储罐内的蒸发气（Boil-Off Gas，BOG）气体通过回气管线和气态回气臂，返回到LNG运输船。LNG卸料臂作业过程中，通过牵引线来引导LNG卸料臂的端部和LNG运输船的接收端互连，以保证相对运动情况下能够准确对接，操控LNG卸料臂的液压系统，使其能够承受船体运动导致的速度和加速度影响。

针对我国南部深远海恶劣海况条件，如果现有系泊技术与传统型刚性卸料臂难以有效解决FLNG浮式平台与运输船载体间的差异化运动问题，就需要采用特殊设计的LNG低温外输卸料系统，以满足低温和晃动工况的严苛要求。LNG低温软管输送系统在重量、柔韧性、耐腐蚀性、隔热性等方面综合优势明显，FLNG外输作业时，行之有效的方式是采用串靠系泊，即通过系泊缆与LNG运输船连接，并使用低温软管实现LNG卸料，要求低温软管能承受超低温的同时，还需要克服FLNG与LNG运输船之间相对运动的影响。

LNG在陆地上的运输通常采用槽罐车，由于LNG 与槽罐车间的装卸工作环境复杂，因此对实现中间传输工作的装卸臂结构特性和控制性能有着极高的要求，必须保证装卸臂臂架系统在工作中具有适应外载变化的稳定性和柔性，最终实现 LNG 安全稳定的传输。该种方式的工作原理也同样适用于陆上液氢装卸撬技术。

此外，液氢船运试验已成功实施，为液氢产业链提供了更为经济、安全的方式，对于氢能在全球范围内的推广使用具有积极意义，未来具有较强的发展潜力。液氢具有超低温、易挥发及易燃易爆特性，液氢船岸装卸输送难度大，安全要求高，技术壁垒多。液氢船岸装卸系统运行工况恶劣、动作精度要求苛刻、机电系统配合复杂，既要具备快速对接、紧急脱离、自动关闭等功能，还要承受长时间-253℃超低温深冷考验、自动适应潮汐落差影响，世界上仅有极少数国家掌握设计与制造关键技术。

综上，LNG刚性卸料臂、LNG低温软管传输系统、LNG和液氢装卸岸装卸系统等超低温流体输送系统关键技术都涉及低温材料选型、成型制造及密封、试验验证等诸多环节。材料选型与结构设计难度大，加工制造及性能测试工作难，超低温密封、连接和泄漏监测难度高，以及整套超低温流体输送系统结构复杂，安全性要求高。

目前，超低温流体输送系统主要存在如下技术缺陷，

1）手动完成对接，效率低下。目前操作模式主要依靠人工干预，工人通过近距离观察车用装卸臂与槽罐车对接部分的位置关系来操作装卸臂运动完成对接，该种操作方式劳动强度较大，人工操作效率低下；

以LNG和液氢装卸撬为示例说明：低温装卸臂作为橇上的一个核心部件，与外来槽车直接对接，低温装卸臂的操作难易程度决定了整台橇装设备是否好用。目前每个槽车操作员只能负责两个装卸橇、两台槽车的充装，实行两班倒的工作模式，槽车充装过程繁琐，操作过程需人工转动臂5-7个阀门10余次。前后顺序容易出错，操作安全性较低，整个过程费时费力，劳动强度较大，智能化升级势在必行。

2）安全隐患高。运输管内的液化天然气压力大、温度低，而目前整个流程需人工操作完成，且该种操作方式重复性较高，易产生视觉疲劳，人工操作存在一定的安全隐患。

因此，保证装卸臂在定量装车安全、稳定的同时，能实现操作轻松、简单、省时省力的经济性能，是未来发展的主流趋势。从而推进实现从传统管理模式向现代化、数字化、智能化跨越。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种超低温流体输送自动对接系统及方法,以机器视觉和机器人运动学为核心，结合计算机技术、运动控制技术等技术，解决了装卸臂自动对接问题，实现自动对接功能。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种超低温流体输送自动对接系统，包括：

装卸臂主体和自动对接控制装置；

所述装卸臂主体包括立柱以及设置在所述立柱上的能够自由旋转且互不干扰的气相装卸臂和液相装卸臂；

所述自动对接控制装置包括目标识别定位模块、路径规划模块以及伺服控制模块；

所述目标识别定位模块用于实现目标对接管口的识别定位；

所述路径规划模块用于根据目标对接管口的识别定位结果对所述装卸臂的运动路径进行规划，生成运动轨迹；

所述伺服控制模块用于根据运动轨迹对装卸臂主体的位置和姿态进行控制，实现所述装卸臂与目标对接管口的自动对接和流体输送。

进一步，所述气相装卸臂包括气相内臂、气相旋转接头、气相弹簧缸平衡系统、气相气囊开关主阀、气相气囊吹扫阀门、气相外臂和气相三维接头；

所述气相内臂、气相外臂和气相三维接头之间通过所述气相旋转接头依次相连，所述气相内臂的另一端通过所述气相旋转接头设置在所述立柱上，所述气相三维接头另一端通过设置在所述气相三维接头前端的卡爪机构与运载工具上的目标对接管口相连；

所述气相弹簧缸平衡系统设置在所述气相内臂和气相外臂之间，用于在伺服控制模块的控制下实现配重平衡以及装卸臂动作过程的省力；

所述气相气囊开关主阀设置在所述气相外臂的主管路上，用于实现气相管路的流体输送和关断；

所述气相外臂还通过旁通管路与氮气管线相连，所述氮气管线上设置有气相气囊吹扫阀门，用于在自动对接控制装置控制下，对气相装卸臂内的管道进行吹扫。

进一步，所述液相装卸臂包括液相内臂、液相旋转接头、液相弹簧缸平衡系统、液相气囊开关主阀、液相气囊吹扫阀门、液相外臂和液相三维接头；

所述液相内臂、液相外臂和液相三维接头之间通过所述液相旋转接头依次相连，所述液相内臂的另一端通过所述液相旋转接头设置在所述立柱上，所述液相三维接头另一端通过设置在所述液相三维接头前端的卡爪机构与运载工具上的目标对接管口相连；

所述液相弹簧缸平衡系统设置在所述液相内臂和液相外臂之间，用于在伺服控制模块的控制下实现配重平衡以及装卸臂动作过程的省力；

所述液相气囊开关主阀设置在所述液相外臂的主管路上，用于实现液相管路的流体输送和关断；

所述液相外臂还通过旁通管路分别与氮气管线和废液管线相连，所述氮气管线和废液管线上分别设置有液相吹扫入口气囊阀门和液相吹扫出口气囊阀门，用于在自动对接控制装置控制下，对液相装卸臂内的管道进行吹扫。

进一步，所述目标识别定位模块包括视觉定位模块、三维激光定位模块、目标识别模块和目标定位模块；

所述视觉定位模块包括分别设置在气相装卸臂和液相装卸臂末端的工业相机，用于采集目标对接管口的图像数据；

所述三维激光定位模块包括分别设置在气相装卸臂和液相装卸臂末端的三维激光扫描仪，用于采集目标对接管口的三维激光点云数据；

所述目标识别模块用于根据视觉定位模块采集的图像数据，对目标对接管口进行粗定位，得到目标对接管口的位置坐标；

所述目标定位模块用于根据图像数据和三维激光点云数据对目标对接管口进行精定位，得到目标对接管口的三维位姿信息。

第二方面，本发明提供一种超低温流体输送自动对接系统的控制方法，包括以下步骤：

确定气相装卸臂和液相装卸臂的运动空间范围；

利用目标识别定位模块对目标对接管口进行粗定位，得到目标对接管口的位置坐标，并利用伺服控制模块将气相装卸臂移动至距目标对接管口预设距离处；

利用目标识别定位模块对目标对接管口进行精定位，得到目标对接管口的三维位姿信息；

基于得到的目标对接管口的三维位姿信息，利用路径规划模块对气相装卸臂末端的运动路径进行规划，生成运动轨迹；

基于得到的运动轨迹，利用伺服控制模块将气相装卸臂末端与目标对接管口进行自动对接；

采用相同方法，对液相装卸臂进行自动对接。

进一步，所述利用目标识别定位模块中的视觉定位模块对目标对接管口进行粗定位，得到目标对接管口的位置坐标，并利用伺服控制模块将相应装卸臂移动至距目标对接管口预设距离处，包括：

接收到开始工作信号后，启动自动对接控制装置；

对装卸臂末端的图像进行采集；

利用机器学习算法从采集图像中框选出槽罐车的所有对接管口后，选取目标对接管口；

基于预先获取的相机坐标系与装卸臂基座坐标系之间的转换关系，计算出目标对接管口在装卸臂基座坐标系下的坐标；

基于得到的目标对接管口在装卸臂基座坐标系下的坐标，利用伺服控制模块将装卸臂移动至距目标对接管口预设距离处。

进一步，所述利用目标识别定位模块对目标对接管口进行精定位，得到目标对接管口的三维位姿信息，包括：

基于目标识别模块的识别结果，利用弧段邻接矩阵的椭圆检测算法进行圆或类圆拟合，得到目标对接管口的轮廓信息；

基于三维激光定位模块获取的目标对接管口的三维激光点云数据，对目标对接管口的轮廓信息进行空间拟合和空间圆拟合，得到目标对接管口的三维位姿信息。

进一步，所述基于目标识别模块的识别结果，利用弧段邻接矩阵的椭圆检测算法进行圆或类圆拟合，得到目标对接管口的轮廓信息，包括：

基于目标识别模块的识别结果，进行椭圆弧段提取；

基于提取的椭圆弧段，建立基于弧段邻接矩阵的候选组合；

对椭圆候选组合进行椭圆拟合加速，得到若干候选椭圆；

对各候选椭圆进行椭圆验证，并将通过验证的候选椭圆作为椭圆簇；

对椭圆簇进行聚集，得到目标对接管口的轮廓信息。

进一步，所述基于三维激光定位模块获取的目标对接管口的三维激光点云数据，对目标对接管口的轮廓信息进行空间拟合和空间圆拟合，得到目标对接管口的三维位姿信息，包括：

对采集的目标对接管口的三维激光点云数据进行噪声点剔除；

利用剩余点云数据进行最小二乘法平面拟合；

进行迭代取值，直至所有剩余点都符合预设收敛条件；

基于平面拟合结果进行空间圆拟合，得到圆心坐标与平面法向量，所述圆心坐标作为目标对接管口的位置描述，而平面法向量作为目标对接管口的姿态描述。

进一步，所述基于得到的目标对接管口的三维位姿信息，利用路径规划模块对气相装卸臂末端的运动路径进行规划，生成运动轨迹，包括：

基于装卸臂的实际结构，使用D-H建模方法建立机器人运动模型，包括确定装卸臂连杆坐标系和连杆变换矩阵；

采用笛卡尔空间轨迹规划方法，将得到的规划轨迹点代入连杆变换矩阵中，得到所有规划轨迹点对应的逆解，作为运动轨迹。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

（1）操作简单

采用气动阀门代替手动阀门，操作人员可通过批控器控制充装臂上阀门的开、关,不再需要来回手动进行阀门的开、关,降低人员劳动强度；采用卡爪机构代替松套法兰与槽车对接，减少装卸臂与槽罐车连接或拆除的时间，提高装卸车的效率。

（2）对接效率高

不同于人工手动对接，本发明目标定位、路径规划、运动控制均由上位机完成，无需人眼观察目标位置再逐步操作装卸臂完成，本对接系统对接快速、准确、工作效率高。

（3）自动化程度高

针对对接过程中的目标定位、路径规划、运动控制等环节完全由操作人员通过计算机进行控制，自动化程度高，在实现管口对接的同时，极大地提高对接效率，节约对接成本。

（4）技术集成性高

本发明将图像处理技术、测试技术、机器人运动控制技术等多种技术相结合，整个自动对接系统可以实现管口的自动对接，对接可靠、效率高。

因此，本发明可以广泛应用于流体输送领域。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的超低温流体输送自动对接系统的框架图；

图2是本发明实施例提供的超低温流体输送自动对接系统的自动充装臂的立体图；

图3是本发明实施例提供的超低温流体输送自动对接系统的自动充装臂的主视图；

图4是本发明实施例提供的超低温流体输送自动对接系统的控制方法流程图

图5是本发明实施例提供的HOG特征+SVM分类器的识别算法流程图；

图6是本发明实施例提供的管口检测算法流程图；

图7a是本发明实施例提供的原对接管口图；

图7b是本发明实施例提供的弧段提取图；

图8是本发明实施例提供的椭圆拟合确定圆心坐标；

图9是本发明实施例提供的圆心坐标确定流程图；

图10是本发明实施例提供的装卸臂连杆坐标系图；

图中各附图标记如下：

1、立柱；2、气相内臂；3、气相旋转接头；4、气相弹簧缸平衡系统；5、气相气囊开关主阀；6、气相气囊吹扫阀门；7、气相外臂；8、气相三维接头；9、液相三维接头；10、液相外臂；11、液相吹扫入口气囊阀门；12、液相吹扫出口气囊阀门；13、液相气囊开关主阀；14、液相弹簧缸平衡系统；15、液相旋转接头；16、液相内臂。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

针对现有超低温流体输送技术这种效率低、安全隐患高、劳动强度大的作业方式急需一条变革之路，研发一套不需要人工干预而能够完成自动对接的智能装卸臂系统具有重要的意义。但是由于装卸臂作业环境为复杂的户外条件，天气、光线以及槽罐车种类等因素给装卸臂对接过程自动化造成了很大的挑战，尤其在目标管口识别与定位方面存在很大的困难，超低温流体输送自动装卸对接研发和应用在国内外尚属空白。

基于此，本发明的一些实施例中，聚焦装卸臂自动对接过程以及目标管口识别与定位过程存在的问题，提出一种超低温流体输送自动对接系统，其包括装卸臂主体和自动对接控制装置。其中，装卸臂主体采用两套可以灵活旋转的装卸臂，两套装卸臂在运动时互不干扰，装卸臂的管道内形成的通道可以将运输流体输送到槽罐车等运载工具上；在自动对接控制装置中，结合装卸臂对接环境复杂、对接干涉问题、末端三维接头形状复杂、对接部分较为规整等特点，提出了以机器视觉和机器人运动学为核心，结合计算机技术、运动控制技术等技术，解决装卸臂自动对接问题，实现自动对接功能。

与之相对应地，本发明的另一些实施例中，提供一种超低温流体输送自动对接系统的控制方法。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种超低温流体输送自动对接系统，其包括：装卸臂主体和自动对接控制装置。其中，装卸臂主体包括立柱1以及设置在立柱1上的两套能够自由旋转且互不干扰的装卸臂；自动对接控制装置设置在上位机中，包括目标识别定位模块、路径规划模块以及伺服控制模块；其中，目标识别定位模块用于实现目标对接管口的识别定位；路径规划模块用于根据目标对接管口的识别定位结果对装卸臂的运动路径进行规划，生成运动轨迹；伺服控制模块用于根据运动轨迹对装卸臂的位置和姿态进行控制，实现装卸臂与目标对接管口的自动对接和流体输送。

优选地，如图2、图3所示，本实施例中的两套装卸臂分别设置为气相装卸臂和液相装卸臂。其中，气相装卸臂和液相装卸臂的所有关节均采用旋转设计，且气相装卸臂和液相装卸臂的一端并排设置在立柱1上，气相装卸臂和液相装卸臂的另一端在自动对接控制装置的自动控制下能够互不干扰的与对应的目标对接管口相连，可以将运输流体输送到槽罐车等运载工具上。

优选地，气相装卸臂包括气相内臂2、气相旋转接头3、气相弹簧缸平衡系统4、气相气囊开关主阀5、气相气囊吹扫阀门6、气相外臂7和气相三维接头8。其中，气相内臂2、气相外臂7和气相三维接头8之间通过气相旋转接头3依次相连，气相内臂2的另一端通过气相旋转接头3设置在立柱1上，气相三维接头8另一端通过设置在气相三维接头8前端的卡爪机构与槽罐车等运载工具上的目标对接管口相连；气相弹簧缸平衡系统4设置在气相内臂2和气相外臂7之间，用于在伺服控制模块的控制下实现配重平衡（例如：弹簧缸本身重力及其支架重力、外臂钢管、管件、旋转接头的重力以及拉断阀和快速接头的重力等）以及实现气相装卸臂抬升、扭转等动作过程的省力；气相气囊开关主阀5设置在气相外臂7的主管路上，用于实现气相管路的流体输送和关断；气相外臂7还通过旁通管路与氮气管线相连，氮气管线上设置有气相气囊吹扫阀门6，用于在自动对接控制装置控制下，对气相装卸臂内的管道进行吹扫。

使用时，立柱1、气相内臂2及气相外臂7主要负责末端管口位置的调整，气相三维接头8则主要负责末端管口姿态的调整。本实施例中，气相三维接头8前端的卡爪机构通过液压油缸来驱动，液压油缸由自动对接控制装置控制，通过卡爪的张开或收紧，可以实现气相三维接头8与目标对接管口处法兰的脱离或连接。

优选地，液相装卸臂包括液相三维接头9、液相外臂10、液相吹扫入口气囊阀门11、液相吹扫出口气囊阀门12、液相气囊开关主阀13、液相弹簧缸平衡系统14、液相旋转接头15和液相内臂16。类似地，液相内臂16、液相外臂10和液相三维接头9之间分别通过液相旋转接头15依次相连，液相内臂16的另一端也通过液相旋转接头15设置在位于气相装卸臂下方的立柱1上，液相三维接头9另一端通过设置在液相三维接头9前端的卡爪机构与槽罐车等运载工具上的目标对接管口相连；液相弹簧缸平衡系统14设置在液相内臂16和液相外臂10之间，用于实现配重平衡以及实现液相装卸臂抬升、扭转等动作过程的省力；液相气囊开关主阀13设置在液相外臂10的主管路上，用于实现液相管路的流体输送和关断；液相外臂10还通过旁通管路分别与氮气管线和废液管线相连，氮气管线和废液管线上分别设置有液相吹扫入口气囊阀门11和液相吹扫出口气囊阀门12，用于在自动对接控制装置控制下，对液相装卸臂内的管道进行吹扫。

优选地，装卸臂主体还包括包裹在气相内臂2和液相内臂10上的支架。

优选地，目标识别定位模块包括视觉定位模块、三维激光定位模块、目标识别模块和目标定位模块。其中，视觉定位模块包括分别设置在气相装卸臂和液相装卸臂末端的两套工业相机及夹具，用于采集目标对接管口的图像数据；三维激光定位模块包括分别设置在气相装卸臂和液相装卸臂末端的两套三维激光扫描仪及夹具，用于采集目标对接管口的三维激光点云数据；目标识别模块用于根据工业相机采集的图像数据，对目标对接管口进行粗定位，得到目标对接管口的位置坐标；目标定位模块用于根据工业相机采集的图像数据和三维激光扫描仪采集的三维激光点云数据对目标对接管口进行精定位，得到目标对接管口的三维位姿信息，实现气相装卸臂和液相装卸臂与对应目标对接管口的精准对接。

本实施例中，装卸臂对接工作主要包括粗定位与精定位两个阶段。首先是粗定位阶段，在该阶段工作基站操作员通过控制台发出开始工作信号，本系统接收到信号后启动目标识别定位模块、路径规划模块和伺服控制模块等。上部气相装卸臂首先通过安装在末端气相三维接头8的较大视场角的工业相机所采集的图像数据获取槽罐车上目标对接管口的位置，槽罐车通常有三个对接管口，上部气相装卸臂通常对接槽罐车的最右侧管口，为保证两装卸臂对接过程中不发生干涉现象，本发明限定上部气相装卸臂只在预先规定空间上半部分移动，经过工业相机获取相应的目标对接管口的粗定位坐标后，气相装卸臂在粗定位坐标的指引下向目标对接管口方向运动，到达工业相机可视范围内时切换为三维激光扫描仪与工业相机结合的视觉伺服控制模式，进入精定位阶段。目标对接管口的精定位主要通过装卸臂末端的工业相机及三维激光扫描仪来实现，自动对接控制装置利用工业相机拍摄的图像进行特征提取并将其与三维激光点云数据融合来三维重建目标对接管口的位置信息。在精定位阶段，通过工业相机与三维激光扫描仪不断获取当前位姿下的管口位置信息，对控制信息不断补偿，实现对装卸臂与目标对接管口的精准对接。

在上部气相装卸臂与目标对接管口对接后，继续启动下部液相装卸臂的视觉控制系统与伺服控制系统，重复上述对接步骤，直至两台装卸臂对接完成。

实施例2

如图4所示，本实施例提供一种超低温流体输送自动对接系统的控制方法，包括以下步骤：

1）确定气相装卸臂和液相装卸臂的运动空间范围；

2）利用目标识别定位模块中的视觉定位模块对目标对接管口进行粗定位，得到目标对接管口的位置坐标，并利用伺服控制模块将气相装卸臂移动至距目标对接管口预设距离处；

3）利用目标识别定位模块中的视觉定位模块和三维激光定位模块对目标对接管口进行精定位，得到目标对接管口的三维位姿信息；

4）基于得到的目标对接管口的三维位姿信息，利用路径规划模块对气相装卸臂末端的运动路径进行规划，生成运动轨迹；

5）基于得到的运动轨迹，利用伺服控制模块将气相装卸臂末端与目标对接管口进行精准对接；

6）采用与步骤2）～步骤5）相同方法，对液相装卸臂进行自动对接。

优选地，在上述步骤2）之前，还包括：预先对视觉定位模块和三维激光定位模块进行标定，包括工业相机单目标定、三维激光扫描仪标定及手眼标定，获取工业相机内参以及相机坐标系与装卸臂基座坐标系之间的转换关系。

优选地，上述步骤2）中，包括以下步骤：

2.1）当接收到工作基站操作员通过控制台发送的开始工作信号后，启动自动对接控制装置，包括视觉定位模块、三维激光定位模块、目标识别模块、目标定位模块、路径规划模块以及伺服控制模块；

2.2）利用视觉定位模块对气相装卸臂末端的图像进行采集，并发送到目标识别模块；

2.3）目标识别模块利用机器学习算法从采集图像中框选出槽罐车的所有对接管口后，选取目标对接管口；

2.4）基于预先获取的相机坐标系与装卸臂基座坐标系之间的转换关系，计算出目标对接管口在装卸臂基座坐标系下的坐标；

2.5）基于得到的目标对接管口在装卸臂基座坐标系下的坐标，利用伺服控制模块将装卸臂移动至距目标对接管口预设距离（例如距目标对接管口0.5m）处，实现目标对接管口的粗定位。

优选地，上述步骤2.3）中，在粗定位阶段，本实施例利用精度较低但效率较高的机器学习算法确定目标对接管口。基于机器学习的算法在检测管口方面具有抗干扰性强，检测速度快等优点。并且，在装卸臂的对接过程中，不同的槽罐车具有不同的对接管口，这对目标检测来说是个巨大的挑战，本实施例采用HOG特征+SVM分类器的方法来识别管口。

HOG 特征通过计算和统计局部梯度信息，并在统计单元中形成梯度方向直方图作为特征描述子，对图像特征进行描述。HOG特征对图像几何、光学形变都能保持很好的不变性，对光照、遮挡、对比度等外界环境的变化具有较强的鲁棒性，在面部表情识别、交通检测车辆定位、车牌识别等领域得到了广泛使用。

SVM分类器作为一种统计学机器学习算法在小样本、非线性、高维数据集上得到了广泛应用，是监督学习中最好的定式算法之一。

如图5所示，本实施例中的机器学习算法整体可分为训练阶段与识别阶段。具体地，包括以下步骤：

2.3.1）从预先获取的样本数据集中提取HOG特征进行SVM训练，得到满足多条件约束校验的.xml文件。

具体地，训练方法为：

① 获取样本数据集进行预处理后，按照预设比例随机划分为训练数据集和测试数据集；

其中，获取样本数据集时，样本数据集应尽可能的多，以提高数据处理的准确性；对接管口距离按照操作工艺要求控制在一定的范围即可；对样本数据集进行预处理时，主要包括降噪处理和滤波处理，预处理方法为本领域技术人员公知技术，本发明对此不做赘述；

② 从训练数据集中提取HOG特征；

③ 利用提取的HOG特征进行SVM训练，生成.xml文件；

④ 利用测试数据集对生成的.xml文件进行多条件约束校验，若满足多条件约束校验则结束训练，否则对训练数据集进行扩容后，返回步骤②重新进行训练直至满足多条件约束校验；

⑤ 将满足多条件约束校验的.xml文件作为最终的.xml文件用于识别阶段的识别使用。

其中，从训练数据集中提取HOG特征、利用提取的HOG特征进行SVM训练的方法，可以采用本领域技术人员公知技术，本发明对此不做限制。

2.3.2）从工业相机实时采集的目标图像中提取HOG特征，并利用训练阶段生成的.xml文件得到满足多条件约束校验的识别结果，即包含槽罐车各对接接口的检测框。

具体地，包括以下步骤：

① 对工业相机采集的目标图像进行预处理，包括降噪处理和滤波处理等；

② 从预处理后的目标图像中提取HOG特征；

③ 利用SVM分类器读取训练阶段生成的.xml文件，将目标图像的HOG特征作为输入，得到目标图像的识别结果；

④ 利用预设校验机制对预处理后的目标图像进行处理，生成校验结果；

⑤ 若识别结果和校验结果一致，则输出识别结果，否则返回步骤①重新采集图像，直至识别结果和校验结果一致。

优选地，上述步骤④中，预设校验机制包括校验前预处理、多条件约束校验2个关键步骤。

其中，校验前预处理是指应用PSO优化下的OTSU（最大类间方差）分割算法，形态学闭运算、Canny形状特征提取、圆形拟合等图像预处理过程，对预处理后的目标图像进行对接管口与背景的分离，得到分割结果。

而多条件约束校验包括类圆度检测和面积距离约束检验两个条件，面积距离约束检验是指目标像素面积与相机到目标距离间的关系表述；类圆度检测主要用于过滤背景中只具有部分圆弧边缘的物体，面积距离约束检验用于过滤背景中具有圆形轮廓但不处在目标位置的物体。

优选地，上述步骤3）中，当距目标对接管口较近时，工业相机无法拍摄到目标对接管口的完整图像，因此，本实施例中，根据工业相机拍摄到的部分管口弧段对管口圆进行拟合，并结合三维激光扫描仪采集到的深度信息进行目标对接管口的三维重建，进而获取近距离高精度的管口位姿信息，提高对接的可靠性。

具体地，包括以下步骤：

3.1）基于目标识别模块的识别结果，利用弧段邻接矩阵的椭圆检测算法进行圆或类圆拟合，得到目标对接管口的轮廓信息；

3.2）基于三维激光定位模块获取的目标对接管口的三维激光点云数据，对目标对接管口的轮廓信息进行空间拟合和空间圆拟合，得到目标对接管口的三维位姿信息。

优选地，上述步骤3.1）中，如图6～图8所示，基于弧段邻接矩阵的椭圆检测算法(AAMED)，具体地，包括以下步骤：

3.1.1）基于目标识别模块的识别结果，进行椭圆弧段提取。

其中，弧段提取方法包括：

① 对目标识别模块输出的检测框图像进行模糊去噪；

② 利用自适应Canny算法对去噪后的图像进行边缘提取，得到没有分支的若干边缘弧段；

③ 使用多边形逼近算法对边缘弧段进行逼近，得到若干逼近段；

④ 根据预设阈值去除过短逼近段后，使用基于曲率和凸性的方法对剩余逼近段进行分割，得到椭圆弧段。

具体地，包括以下步骤：

首先，基于预设阈值去除过短逼近段。

过短逼近段的阈值的计算公式为：

（1）

式中，为提前设定好的阈值，表示逼近段中的最大弯曲程度。

其次，使用基于曲率和凸性的方法进行分割以得到椭圆弧段。

假设一个逼近段表示为，令，所有成对的逼近段之间的角度表示为，逼近的轮廓的弧序列必须满足凸性，即，并且曲率，。

即满足下式：

（2）

式中，为椭圆弧段任意两点之间的逼近段；为到的弧度；为到的曲率；和为未知函数。

如果，则,和属于同一弧段。

然后，继续判断下一组逼近段，直到所有逼近段判断完成，这样就得到了一组椭圆弧段。弧段提取出之后按照顺时针方向处理。

3.1.2）基于提取的椭圆弧段，建立基于弧段邻接矩阵的候选组合。

具体地，包括以下步骤：

① 采用区域约束和曲率约束的方法，遍历所有椭圆弧段，建立弧段邻接矩阵AAM。

一个椭圆因为噪声遮挡等原因会被分割为多个椭圆弧段，但是，直接判断3个（也即公式（2））或者更多弧段是否来自同一个椭圆是非常困难的，而判断两个椭圆弧段是否能够组合是比较容易的。本实施例采用区域约束和曲率约束的方法来判断一对椭圆弧段的邻接情况。

从图像中提取出一组椭圆弧段。对于任意椭圆弧段，令是的第个点，是倒数第个点。令，表示第个椭圆弧段的尾点到第个椭圆弧段的首点的距离。

表示椭圆弧段和的连接性，也可以表示为点到点的邻接性。表示椭圆弧段和不属于同一个椭圆，表示这两个椭圆弧段不邻接，不能直接判断和是否属于同一个椭圆，表示两个椭圆弧段邻接，属于同一个椭圆。

本发明使用了两个准则来判断连接性，即判断椭圆弧段是否相连时，主要判断对应的首尾点是否满足曲率和凸性，也就是判断是否互相在搜索区间里面。当然这种也有例外，对于那些首尾点特别近的，容易受到噪声等影响导致不满足椭圆几何性质，那么久直接将首尾点融合作为一个点，在相邻的两个点判断是否满足曲率即可。

按照上述思路，遍历所有弧段，即可获得邻接矩阵AAM。

② 基于建立的弧段邻接矩阵，选择得到若干椭圆候选组合。

利用AAM获得所有椭圆弧段的组合，给定一个椭圆弧段，弧段搜索到所有的包含椭圆弧段的组合结果。

令一组包含椭圆弧段的来自同一个椭圆的弧段序列为,其中，为搜索根节点，，，。集合是一个椭圆弧组合，每个元素存的是弧段角标。

（3）

式中，为逆向搜索个数点；为正向搜索个数点；为沿椭圆逆向的弧段集合；为沿椭圆正向的弧段集合。

由于直接搜索弧段组合是非常困难的，因此本实施例将弧段选择拆分为3个步骤，分别是弧段前向搜索，弧段反向搜索，双向组合验证。

a、前向搜索。

前向搜索中采用深度优先遍历方法获得所有的前向组合，表示为：，其中满足的定义，表示前向搜索的组合个数。对于第个组合，被初始化为，即将搜索角标初始化为。然后找到下一个椭圆弧段,这个椭圆弧段满足→,也就是。如果没有弧段满足↛,也就是这个弧段将会被压进中，且搜索角标设置为,直到没有弧段能够被放进，这时候就得到一个前向弧段组合。

（4）

b、反向搜索。

反向搜索的方法与前向搜索相似，主要不同点在于搜索策略的不同，下式是反向搜索策略公式。反向搜索能够获得所有组合，其中满足，且表示反向组合的个数：

（5）

c、双向组合验证。

经过上两步之后，能够得到两个集合和。因此总共能够获得个双向组合。然后，按照组合的像素个数降序排序。

不满足下式的将会被置为0。

（6）

3.1.3）对椭圆候选组合进行椭圆拟合加速，得到若干候选椭圆。

3.1.4）对各候选椭圆进行椭圆验证，并将通过验证的候选椭圆作为椭圆簇。

3.1.5）对椭圆簇进行聚集，得到目标对接管口的轮廓信息。

优选地，上述步骤3.2）中，本系统通过可靠夹具使三维激光扫描仪与工业相机具有已知并可靠的位置关系，在近距离管口对接时，通过工业相机获取完整的管口图像信息，同时根据三维激光扫描仪与工业相机的坐标系转换关系将三维激光扫描仪获取的三维目标管口的三维激光点云信息转换为工业相机上的深度信息，进而获取较为完整的目标对接管口的边缘点三维信息，拟合出较高精度的平面与空间圆，获取高精度的定位信息。

具体地，如图9所示，包括以下步骤：

3.2.1）对采集的目标对接管口的三维激光点云数据进行噪声点剔除。

由于三维目标管口点云数据是工业相机与三维激光扫描仪测距结合获取的目标对接管口的边缘点，相机参数误差、计算误差、匹配误差等会导致目标对接管口的三维激光点云数据存在随机噪声，为了提高拟合精度、减小误差，需要对目标对接管口的三维激光点云数据进行滤波处理。本实施例中，计算筛选出跳动较大的像素点，然后剔除。其中，计算筛选出跳动较大的像素点的方法，可以采用本领域技术人员公知技术，本发明对此不做限制。

3.2.2）利用剩余点云数据进行最小二乘法平面拟合。

3.2.3）进行迭代取值，直至所有剩余点都符合预设收敛条件。

所有剩余点符合条件，是指各剩余点与步骤3.2.2）拟合平面距离均小于标准差，满足收敛条件。

3.2.3）基于平面拟合结果进行空间圆拟合，得到圆心坐标与平面法向量，该圆心坐标即为目标对接管口的位置描述，而平面法向量即为目标对接管口的姿态描述。

优选地，上述步骤4）中，利用目标定位模块获取目标对接管口的三维位姿信息，路径规划模块进行装卸臂末端三维接头的运动路径规划，调整装卸臂末端三维接头的姿态信息，在对接过程中，保证两台装卸臂不发生干涉，不与其他物体发生碰撞，规划完成后利用伺服控制模块控制装卸臂运动，最终完成一次对接工作，实现对接位置无偏差、角度无偏差。

具体地，包括以下步骤：

4.1）基于装卸臂的实际结构，使用D-H建模方法建立机器人运动模型，包括确定装卸臂连杆坐标系和连杆变换矩阵。

本实施例中，使用D-H建模方法来建立机器人运动模型，这种方法在每个连杆上建立一个坐标系，通过齐次坐标变换来实现两个连杆上坐标的变换，在多连杆串联的系统中，多次使用齐次坐标变换，就可以建立首末坐标系的关系。通过更改各个关节之间的旋转角度，即可实现对装卸臂末端三维接头的控制。

经分析，本发明的装卸臂共有5个自由度，其中，基座、内臂、外臂控制末端三维接头的位置；末端三维接头具有偏摆、俯仰的调整，主要用于调整三维接头的姿态。

如图10所示，为根据D-H建模方法建立的装卸臂连杆坐标系，D-H参数如表1所示。为保证两套装卸臂在对接过程中不发生干涉，本实施例采用最简单的管口对接区域划分的方法实现防干涉效果。即上方气相装卸臂的运动范围只有z>h部分，而下方液相装卸臂的运动范围只有h>z>0部分。两台装卸臂对接过程除了运动范围与对接管口逻辑不同外，其他对接流程类似，因此每台装卸臂设定独立的坐标系，两台装卸臂分别限定不同的z轴运动范围，以达到相互运动独立，互不干涉的目的。

表1 D-H参数表

根据D-H参数表可求得各连杆变换矩阵为：

（7）

（8）

（9）

（10）

（11）

其中，s表示sin，c表示cos，为连杆在连杆i坐标系下的位姿。各连杆变换矩阵相乘得出装卸臂的机器人变换矩阵，表示为：

（12）

4.2）采用笛卡尔空间轨迹规划方法，将得到的规划轨迹点代入连杆变换矩阵中，得到所有规划轨迹点对应的逆解。

本实施例选用笛卡尔空间轨迹规划，将得到的规划轨迹点代入装卸臂逆运动学（也即机器人变换矩阵）中，求出每个轨迹点对应的逆解，再从多个逆解中按前后关节角距离最近和转角之和最小的两个原则选择出一个逆解，最后所有的轨迹点都求出了对应的逆解。

4.3）基于得到的所有轨迹点对应的逆解代入装卸臂中，进行运动控制。

优选地，上述方法还包括以下步骤：

7）在对接完成后，进入装车流程，实现超低温流体输送。

优选地，上述步骤7），包括以下步骤：

7.1）检漏程序：装卸臂与槽罐车上的目标对接管口精准对接后，发送信号到位（静电接地）后进入检漏程序，自动打开氮气管线隔离阀、气相气囊吹扫阀门6、液相吹扫入口气囊阀门11，其中氮气管线隔离阀设置在与气相外臂7和液相外壁10相连的氮气管线上。

7.2）吹扫：保持氮气管线隔离阀、气相气囊吹扫阀门6、液相吹扫入口气囊阀门11打开状态，确认吹扫结束后，自动关闭氮气管线隔离阀、气相气囊吹扫阀门6和液相吹扫入口气囊阀门11。

7.3）泄压：自动打开槽罐车上的气相鹤管阀门，若槽罐车压力高于3.5bar，自动打开气相气囊开关主阀5泄压，直至泄压到0.2MPa,若槽罐车压力低于 3.5bar，则进入预冷流程。

7.4）预冷：自动打开槽罐车上的液相管线切断阀，液相气囊开关主阀13，保持气相气囊开关主阀5打开状态，批控器低流速预冷，根据液相温度和压力值判断是否满足进入装车条件，若满足条件则进入步骤5.5）装车，反之继续预冷。

7.5）装车：装车完成后自动关闭调阀，液相管线切断阀、气相气囊开关主阀5、液相气囊开关主阀13；打开调阀旁路、排净管线阀、冷循环管线阀门，结束装车，进入吹扫。

7.6）装车结束吹扫：确认吹扫后自动打开氮气隔离阀、气相气囊吹扫阀门6，液相吹扫入口气囊阀门11，20 秒后自动关闭以上阀门，并打开液相吹扫出口气囊阀门12。根据批控器提示打开槽罐车气相放空阀泄压，15 秒后关闭液相吹扫出口气囊阀门12，完成装车吹扫整个过程由批控器自动完成控制各个阀门，一旦有报警信息将自动连锁，暂停或停止装车。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超低温流体输送自动对接系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置一超低温流体输送自动对接系统，该系统包括：装卸臂主体和自动对接控制装置；所述装卸臂主体包括立柱以及设置在所述立柱上的能够自由旋转且互不干扰的气相装卸臂和液相装卸臂；所述自动对接控制装置包括目标识别定位模块、路径规划模块以及伺服控制模块；所述目标识别定位模块用于实现目标对接管口的识别定位；所述路径规划模块用于根据目标对接管口的识别定位结果对所述装卸臂的运动路径进行规划，生成运动轨迹；所述伺服控制模块用于根据运动轨迹对装卸臂主体的位置和姿态进行控制，实现所述装卸臂与目标对接管口的自动对接和流体输送；

所述气相装卸臂包括气相内臂、气相旋转接头、气相弹簧缸平衡系统、气相气囊开关主阀、气相气囊吹扫阀门、气相外臂和气相三维接头；所述气相内臂、气相外臂和气相三维接头之间通过所述气相旋转接头依次相连，所述气相内臂的另一端通过所述气相旋转接头设置在所述立柱上，所述气相三维接头另一端通过设置在所述气相三维接头前端的卡爪机构与运载工具上的目标对接管口相连；所述气相弹簧缸平衡系统设置在所述气相内臂和气相外臂之间，用于在伺服控制模块的控制下实现配重平衡以及装卸臂动作过程的省力；所述气相气囊开关主阀设置在所述气相外臂的主管路上，用于实现气相管路的流体输送和关断；所述气相外臂还通过旁通管路与氮气管线相连，所述氮气管线上设置有气相气囊吹扫阀门，用于在自动对接控制装置控制下，对气相装卸臂内的管道进行吹扫；

所述液相装卸臂包括液相内臂、液相旋转接头、液相弹簧缸平衡系统、液相气囊开关主阀、液相气囊吹扫阀门、液相外臂和液相三维接头；所述液相内臂、液相外臂和液相三维接头之间通过所述液相旋转接头依次相连，所述液相内臂的另一端通过所述液相旋转接头设置在所述立柱上，所述液相三维接头另一端通过设置在所述液相三维接头前端的卡爪机构与运载工具上的目标对接管口相连；所述液相弹簧缸平衡系统设置在所述液相内臂和液相外臂之间，用于在伺服控制模块的控制下实现配重平衡以及装卸臂动作过程的省力；所述液相气囊开关主阀设置在所述液相外臂的主管路上，用于实现液相管路的流体输送和关断；所述液相外臂还通过旁通管路分别与氮气管线和废液管线相连，所述氮气管线和废液管线上分别设置有液相吹扫入口气囊阀门和液相吹扫出口气囊阀门，用于在自动对接控制装置控制下，对液相装卸臂内的管道进行吹扫；

所述目标识别定位模块包括视觉定位模块、三维激光定位模块、目标识别模块和目标定位模块；所述视觉定位模块包括分别设置在气相装卸臂和液相装卸臂末端的工业相机，用于采集目标对接管口的图像数据；所述三维激光定位模块包括分别设置在气相装卸臂和液相装卸臂末端的三维激光扫描仪，用于采集目标对接管口的三维激光点云数据；所述目标识别模块用于根据视觉定位模块采集的图像数据，对目标对接管口进行粗定位，得到目标对接管口的位置坐标；所述目标定位模块用于根据图像数据和三维激光点云数据对目标对接管口进行精定位，得到目标对接管口的三维位姿信息；

确定气相装卸臂和液相装卸臂的运动空间范围；

利用目标识别定位模块对目标对接管口进行粗定位，得到目标对接管口的位置坐标，并利用伺服控制模块将气相装卸臂移动至距目标对接管口预设距离处；

利用目标识别定位模块对目标对接管口进行精定位，得到目标对接管口的三维位姿信息；

基于得到的目标对接管口的三维位姿信息，利用路径规划模块对气相装卸臂末端的运动路径进行规划，生成运动轨迹；

基于得到的运动轨迹，利用伺服控制模块将气相装卸臂末端与目标对接管口进行自动对接；

采用相同方法，对液相装卸臂进行自动对接。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述利用目标识别定位模块中的视觉定位模块对目标对接管口进行粗定位，得到目标对接管口的位置坐标，并利用伺服控制模块将相应装卸臂移动至距目标对接管口预设距离处，包括：

接收到开始工作信号后，启动自动对接控制装置；

对装卸臂末端的图像进行采集；

利用机器学习算法从采集图像中框选出槽罐车的所有对接管口后，选取目标对接管口；

基于预先获取的相机坐标系与装卸臂基座坐标系之间的转换关系，计算出目标对接管口在装卸臂基座坐标系下的坐标；

基于得到的目标对接管口在装卸臂基座坐标系下的坐标，利用伺服控制模块将装卸臂移动至距目标对接管口预设距离处。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述利用目标识别定位模块对目标对接管口进行精定位，得到目标对接管口的三维位姿信息，包括：

基于目标识别模块的识别结果，利用弧段邻接矩阵的椭圆检测算法进行圆或类圆拟合，得到目标对接管口的轮廓信息；

基于三维激光定位模块获取的目标对接管口的三维激光点云数据，对目标对接管口的轮廓信息进行空间拟合和空间圆拟合，得到目标对接管口的三维位姿信息。

4.如权利要求3所述方法，其特征在于：所述基于目标识别模块的识别结果，利用弧段邻接矩阵的椭圆检测算法进行圆或类圆拟合，得到目标对接管口的轮廓信息，包括：

基于目标识别模块的识别结果，进行椭圆弧段提取；

基于提取的椭圆弧段，建立基于弧段邻接矩阵的候选组合；

对椭圆候选组合进行椭圆拟合加速，得到若干候选椭圆；

对各候选椭圆进行椭圆验证，并将通过验证的候选椭圆作为椭圆簇；

对椭圆簇进行聚集，得到目标对接管口的轮廓信息。

5.如权利要求3所述方法，其特征在于：所述基于三维激光定位模块获取的目标对接管口的三维激光点云数据，对目标对接管口的轮廓信息进行空间拟合和空间圆拟合，得到目标对接管口的三维位姿信息，包括：

对采集的目标对接管口的三维激光点云数据进行噪声点剔除；

利用剩余点云数据进行最小二乘法平面拟合；

进行迭代取值，直至所有剩余点都符合预设收敛条件；

基于平面拟合结果进行空间圆拟合，得到圆心坐标与平面法向量，所述圆心坐标作为目标对接管口的位置描述，而平面法向量作为目标对接管口的姿态描述。

6.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述基于得到的目标对接管口的三维位姿信息，利用路径规划模块对气相装卸臂末端的运动路径进行规划，生成运动轨迹，包括：

基于装卸臂的实际结构，使用D-H建模方法建立机器人运动模型，包括确定装卸臂连杆坐标系和连杆变换矩阵；

采用笛卡尔空间轨迹规划方法，将得到的规划轨迹点代入连杆变换矩阵中，得到所有规划轨迹点对应的逆解，作为运动轨迹。