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激光掃描測(cè)距和視頻圖像處理下的集卡定位方法

2019-09-10 08:29:10陳翔
關(guān)鍵詞:吊箱集卡圖像處理

陳翔

當(dāng)代對(duì)于檢測(cè)港口集裝性卡車(chē)位置的嚴(yán)謹(jǐn)性要求,不僅需要將圖像呈現(xiàn)得更清晰,還要做好細(xì)微之處的處理,利用激光掃描測(cè)距和視頻圖像處理相結(jié)合,排除周邊環(huán)境的干擾,定位港口集裝箱卡車(chē)的位置。通過(guò)圖像處理的方式,計(jì)算出集裝箱體之間的距離與夾角,確保集裝箱卡車(chē)停車(chē)及預(yù)調(diào)雙吊具的狀態(tài)。通過(guò)這樣的方式,加快裝卸速度,提高了港口運(yùn)行效率。

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程腳步的加快,運(yùn)用集裝箱進(jìn)行運(yùn)輸已成為經(jīng)濟(jì)、快速的物流運(yùn)輸重要方式。面對(duì)多家物流運(yùn)輸競(jìng)爭(zhēng)的形式,想在物流行業(yè)中脫穎而出,就需要不斷提升貨運(yùn)速度,降低運(yùn)輸成本。特別是碼頭集裝箱吞吐量極多,需要運(yùn)用吊箱的運(yùn)輸方式提升港口運(yùn)轉(zhuǎn)效率,而吊箱作業(yè)的效率正是港口運(yùn)轉(zhuǎn)效率的重要標(biāo)志。這里面所說(shuō)的吊箱,就是通過(guò)岸橋?qū)⒉煌?guī)格的集裝箱從貨船上吊裝到集裝箱卡車(chē)上,或者從集卡的集裝箱吊裝到其他的貨船中。岸橋操控員如果能快速對(duì)準(zhǔn)集卡司機(jī)的停車(chē)位,迅速進(jìn)行對(duì)集裝箱的裝卸操作,就可以有效提升運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

在我國(guó)眾多港口之中,多數(shù)的集卡定位依舊引用傳統(tǒng)的人工定位方式進(jìn)行岸橋作業(yè)。而少數(shù)的港口已經(jīng)突破傳統(tǒng),引用新的定位方式。如:

傳感器定位法,通過(guò)無(wú)線傳感器對(duì)場(chǎng)地內(nèi)定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位,利用無(wú)線通信技術(shù),對(duì)其定位節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算出自身的三維坐標(biāo)信息進(jìn)行錄入,并將具體的參數(shù)發(fā)送給后臺(tái)主機(jī),通過(guò)主機(jī)將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)內(nèi)容傳輸過(guò)去。引用該方式的前提,需要大量的固定通信節(jié)點(diǎn),同時(shí),每個(gè)集裝箱上都需要安裝傳感器,這樣的成本較高,而且還會(huì)因?yàn)閭鞲衅鞅姸嗟脑颍瑹o(wú)法計(jì)算吊箱時(shí)的集裝箱的角度與多個(gè)集裝箱間的距離。

單視頻圖像定位法,利用圖像獲取集裝箱及運(yùn)送車(chē)的位置圖像,經(jīng)計(jì)算機(jī)處理與計(jì)算后,通過(guò)安裝在岸橋上集卡定位顯示板中的提示,了解集裝箱集體位置。這時(shí)再將信息通知給集卡司機(jī),調(diào)整車(chē)身位置,進(jìn)行吊箱作業(yè)。然而,這樣的方式,對(duì)于環(huán)境及天氣要求極高,特別是當(dāng)天氣環(huán)境較為惡劣時(shí)背景光線會(huì)變得極為復(fù)雜,有關(guān)的處理結(jié)果將無(wú)法達(dá)到實(shí)際的精度,對(duì)箱體進(jìn)行測(cè)試,反而給吊箱作業(yè)帶去更多操作上的困難。

單激光測(cè)距掃描定位法,則是利用激光對(duì)岸橋多車(chē)道中的不同規(guī)格的集裝箱、集卡進(jìn)行舉例測(cè)試與定位,通過(guò)顯示屏對(duì)照相應(yīng)的集卡信息,并將有關(guān)信息傳輸給集卡司機(jī),使集裝箱與集卡平板車(chē)對(duì)位,通過(guò)這樣的方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。但實(shí)踐起來(lái),也有一定的前提條件,需要在車(chē)上安裝發(fā)射裝置,若當(dāng)前的車(chē)位空車(chē),將無(wú)法識(shí)別集裝箱個(gè)數(shù),將不能依照計(jì)算的內(nèi)容偏移不同的集裝箱。

GPS技術(shù),就是在不同的集卡中裝好GPS定位器,利用GPS信號(hào)進(jìn)行定位,幫助操作員更快捷地吊箱作業(yè)。但這類(lèi)操作易受岸橋遮擋,不僅成本高且無(wú)法計(jì)算集裝箱體的偏差角及箱子的個(gè)數(shù)。

根據(jù)上述方式的總結(jié),當(dāng)前的集卡定位方式無(wú)法解決集裝箱偏移、箱距與定位問(wèn)題。也就是說(shuō),利用上述方式進(jìn)行吊箱作業(yè),無(wú)法得到快速、準(zhǔn)確的操控。基于上述的方式,提出激光測(cè)距與圖像處理相結(jié)合的方式,為了吊箱作業(yè)提升運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

基于上述的方式的優(yōu)缺點(diǎn),利用激光測(cè)距與圖像處理的優(yōu)勢(shì)對(duì)兩者進(jìn)行結(jié)合處理。一般岸橋工作區(qū)中有6條車(chē)道,正常的運(yùn)輸中,1-2條車(chē)道可以正常使用。本方法是將2個(gè)激光掃描器安裝在高精度伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)上,這樣就是為了方便在運(yùn)行動(dòng)態(tài)時(shí),可以自行選擇掃描的區(qū)間,并根據(jù)掃描情況,在岸橋左右各安置一個(gè)高清的攝像頭。通過(guò)這樣的方式,使激光測(cè)距和圖像處理對(duì)集裝箱位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算,通知岸橋操作員對(duì)集裝箱位置的掃描,了解該貨物是否到達(dá)準(zhǔn)確位置,減少裝卸等待的時(shí)間。同時(shí),通過(guò)圖像處理中的攝像機(jī),進(jìn)行計(jì)算,分解出集裝箱的偏移角度與箱距,吊具狀態(tài)調(diào)整等提供數(shù)據(jù),更便于操控。

(一)工作流程

建立岸橋的三維坐標(biāo)系OXYZ,計(jì)算攝像機(jī)C1、C2的數(shù)據(jù)參數(shù);

集卡行駛到攝像區(qū)域內(nèi)后,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)區(qū)域的參數(shù)收集,利用上述的方式,得到具體的數(shù)據(jù)參數(shù),掌握到集卡所在車(chē)道號(hào)。若所處環(huán)境較差,無(wú)法提供精準(zhǔn)的參數(shù),就要利用激光測(cè)距的方式,掃描車(chē)道區(qū)域,獲得相應(yīng)的車(chē)道號(hào);

同時(shí)要做好對(duì)激光測(cè)距儀的控制與調(diào)整,在集卡進(jìn)入相關(guān)車(chē)道后,進(jìn)行掃描與抓拍,不斷更新相關(guān)的坐標(biāo)參數(shù);

做好激光測(cè)距點(diǎn)的極坐標(biāo)參數(shù),通過(guò)改數(shù)據(jù)與集裝箱中的坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)位;

根據(jù)集裝箱的邊緣進(jìn)行再次抓拍,與上述抓拍圖片最對(duì)比,參考上述的集裝箱位移像素,再根據(jù)一開(kāi)始的參數(shù)內(nèi)容,得出位置差;

通過(guò)不斷修正激光掃描和圖像處理所得到的位置信息進(jìn)行集卡停車(chē)位的預(yù)判,在通過(guò)LED屏了解集卡當(dāng)前位置,進(jìn)行最終的位置確認(rèn);

最后利用圖像處理技術(shù),將箱距和雙箱之間夾角參數(shù)匯總,傳輸?shù)絇LC中,做最終吊箱位置的調(diào)整;

(二)關(guān)鍵技術(shù)

本文設(shè)計(jì)方法是通過(guò)岸橋直角坐標(biāo)系統(tǒng)R(OXYZ)、激光掃描極坐標(biāo)系統(tǒng) P(ρ,θ)和視覺(jué)定標(biāo)圖像坐標(biāo)系統(tǒng) I(U,V),以幾何變換的方式進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù),對(duì)激光掃描、集裝箱圖像的邊緣檢測(cè)等內(nèi)容進(jìn)行精準(zhǔn)匹配,最終,通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)計(jì)算,是當(dāng)前的邊緣處理得的更精準(zhǔn)。

特別是激光二維掃描至三維還原技術(shù)的運(yùn)用,當(dāng)集卡進(jìn)入掃描區(qū)后,對(duì)伺服電機(jī)固定位進(jìn)行前后掃描,計(jì)算每次掃描中,集裝箱呈現(xiàn)出的不同坐標(biāo)。根據(jù)坐標(biāo)差進(jìn)行二次固定與掃描。若坐標(biāo)值小,集卡運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)變慢,甚至停止。轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī),集卡進(jìn)行左右掃描,設(shè)置每次旋轉(zhuǎn)角度為0.5 度。從左到右依次掃描,大概可以掃描到20條線。經(jīng)過(guò)2次掃描,可以掃描到80條掃描線。由掃描線進(jìn)行計(jì)算,不斷將集卡的邊緣坐標(biāo)位置與中心坐標(biāo)位置相匹配,利用建模的方式,對(duì)中心位置坐標(biāo)與準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)值相比較,若位置呈現(xiàn)的誤差,需要通知集卡司機(jī)停車(chē),通知岸橋操作員停止激光掃描。

(三)數(shù)據(jù)修正和融合

集卡向正確位置移動(dòng)是,其激光掃描所得的位置與實(shí)際坐標(biāo)位置有一定的偏差。為得到更精準(zhǔn)的位置坐標(biāo),需利用圖像標(biāo)定技術(shù)對(duì)坐標(biāo)值進(jìn)行修正,減小誤差的出現(xiàn)。在激光掃描時(shí),進(jìn)行抓拍,這樣在掃描數(shù)據(jù)過(guò)程中,就會(huì)出現(xiàn)集卡中心位置坐標(biāo),再利抓拍圖片。將視覺(jué)標(biāo)定技術(shù)所得的圖片,進(jìn)行比對(duì),找準(zhǔn)兩張圖片中集卡邊緣角點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值,進(jìn)行差值換算,而得到的差值,就是實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置的值。

在三維建模時(shí),利用激光掃描所得到的值與視覺(jué)標(biāo)定所得到的值進(jìn)行前后邊緣比對(duì),這個(gè)值就是集裝箱的邊緣的值。而利用激光左右掃描集卡,所得到的值就是集卡前后邊緣的坐標(biāo)點(diǎn),通過(guò)該邊緣向,得出前后邊緣的計(jì)算方式。再通過(guò)視覺(jué)標(biāo)定技術(shù),對(duì)集卡四個(gè)邊緣角點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)值的估算,所得到的集卡邊緣線極為計(jì)算左右的方程。通過(guò)四條邊緣線方程計(jì)算法對(duì)建模集卡表面的型號(hào)做出判斷,其參數(shù)既為實(shí)際參數(shù)。

(四)集裝箱位置坐標(biāo)的修正

在對(duì)集卡車(chē)距離進(jìn)行掃描時(shí),位置較遠(yuǎn)其處理激光掃描點(diǎn)需要根據(jù)坐標(biāo)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)換,計(jì)算集裝箱邊緣坐標(biāo)。同時(shí),集卡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,需要計(jì)算出當(dāng)前坐標(biāo)位置與集裝箱的實(shí)際坐標(biāo)位置,當(dāng)偏差很大時(shí),需要對(duì)此進(jìn)行重新掃描。在進(jìn)行掃描過(guò)程中,需要告知集卡司機(jī)車(chē)輛當(dāng)前的位置,并利用集裝箱中心的位置進(jìn)行坐標(biāo)的確立,方便集卡進(jìn)入車(chē)道。同時(shí)利用攝像機(jī)C1、C2進(jìn)行同時(shí)抓拍。抓拍集裝箱圖片。其中,對(duì)于集裝箱邊緣中心的實(shí)際坐標(biāo)計(jì)算方式可用(x1v1=1)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)從激光掃描點(diǎn)計(jì)算出集裝箱坐標(biāo)后,再對(duì)集裝箱進(jìn)行抓拍,此次集裝箱邊緣的中心坐標(biāo)計(jì)算方法為(x2y2=2)。在計(jì)算中,需考慮運(yùn)動(dòng)區(qū)域的X、Z坐標(biāo)對(duì)位置的修正影響。一般情況下考慮集裝箱距離與岸橋吊具的前后位置差即可,其位置偏差計(jì)算方式為:△d=△y=y2y1,集裝箱中心的當(dāng)前的坐標(biāo)修正為:vn+△d對(duì)比吊具中線的坐標(biāo)(已知),判斷卡車(chē)是否需要移動(dòng)以及移動(dòng)的方向(向前或者向后)和距離并通知卡車(chē)司機(jī)。同時(shí)計(jì)算運(yùn)動(dòng)方向的偏移角度(與y軸夾角):6= actg(x2-x|bvx-1D( actg為反正切函數(shù))。

集卡定位是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,需要對(duì)集卡的實(shí)時(shí)坐標(biāo)位進(jìn)行計(jì)算,這樣才能便于岸橋操作員掌握實(shí)體的岸橋數(shù)據(jù),提高定位速度,加快裝卸率。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中,在集卡司機(jī)配合下,利用本方法進(jìn)行定位,在340毫秒就對(duì)集卡進(jìn)行準(zhǔn)確定位,同時(shí),單次裝卸過(guò)程時(shí)間縮短了40%-50%,大大提高了集裝箱的裝卸效率。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明,利用激光掃描測(cè)距和視頻圖像處理下的集卡定位,其實(shí)踐方式較為簡(jiǎn)單,花銷(xiāo)成本適中,擴(kuò)展性強(qiáng)、功能性大,在實(shí)際的岸橋吊箱作業(yè)過(guò)程中,解決很多貨運(yùn)運(yùn)輸中的問(wèn)題,滿足客戶的實(shí)際操作需求。

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