劉 曦 柳文軒 阿麗米熱·阿布來提 麥吾蘭·伊力哈木

（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830017）

近年來，各種大型機(jī)械層出不窮，雖然為社會的發(fā)展帶來了便捷，但是隨之而來的還有多種安全事故。如何降低大型機(jī)械安全事故的發(fā)生率成為了當(dāng)代社會的重要課題。橋式起重機(jī)在生活中應(yīng)用范圍較廣，如港口、工廠、工地等場所中都會用到橋式起重機(jī)[1]。在橋式起重機(jī)運(yùn)行過程中，由于操控者視野范圍有限，需要地面的指揮人員實時觀察并向操控者反映運(yùn)行狀況，若是配合不當(dāng)或操作失誤，橋式起重機(jī)可能會連帶目標(biāo)物共同撞在障礙物上，從而導(dǎo)致吊鉤沖頂、負(fù)重超載、擠壓碰撞以及吊繩斷裂等安全事故，輕則造成經(jīng)濟(jì)損失，重則造成人員傷亡。

若是有一種自動避障系統(tǒng)，可以根據(jù)現(xiàn)場的實時情況，直接作出相應(yīng)指令或提醒操控者出現(xiàn)安全隱患待處理，并且能夠在危險來臨前自動執(zhí)行避障、制動等操作，使橋式起重機(jī)免于安全事故，就可以多一份安全保障，同時降低安全事故的發(fā)生率。針對這個問題，課題研究小組提出了利用雙目攝像頭掃描橋式起重機(jī)運(yùn)行環(huán)境中所有物體的邊緣像素點，構(gòu)建三維虛擬環(huán)境，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)計算橋式起重機(jī)及目標(biāo)物與障礙物之間的實時距離，通過得出的數(shù)據(jù)與提前設(shè)定好的安全值進(jìn)行比較，從而確定系統(tǒng)是否需要作出警告、避障、制動等指令的方法。

1 雙目視覺避障系統(tǒng)

1.1 雙目視覺的成像原理

雙目視覺是計算機(jī)視覺研究領(lǐng)域的熱點，它通過利用雙目攝像頭采集信息，然后由計算機(jī)的軟硬件進(jìn)行分析、計算，并對采集到的圖像進(jìn)行處理，來達(dá)到模仿動物雙眼所形成的視覺效果[2]。該原理可以通過兩臺完全一致的攝像機(jī)獲取環(huán)境的三維信息，與人的雙眼類似，它能夠通過看到的圖像觀察物體與自身之間的距離，并獲得較為明顯的深度感[3]。本文主要研究如何利用雙目視覺原理來進(jìn)行避障。

雙目視覺系統(tǒng)由兩個完全一致的攝像頭平行放置組成，能夠同步獲取前方物體的位置信息，因為三維空間中兩臺相機(jī)之間有一定的距離，所以目標(biāo)物上的目標(biāo)點在左右兩幅圖像中成像的像素點有一定偏差，這個偏差即為視差[4]。雙目視覺系統(tǒng)是基于視差，由三角法原理獲取三維信息，并由兩個攝像機(jī)的圖像平面和另一側(cè)物體之間構(gòu)成一個三角形，利用兩個攝像頭之間的位置關(guān)系，得知目標(biāo)物的三維尺寸以及特征點的空間坐標(biāo)的成像方法。由雙目視覺基本原理可知，要想獲得三維空間內(nèi)某一點的坐標(biāo)，則需要在兩臺攝像機(jī)中找該點的對應(yīng)點，如圖1 所示。

圖1 雙目立體成像原理圖

1.2 雙目視覺三維測量原理

由圖1 可知，兩臺攝像機(jī)投影中心連線的直線距離為基線距離B，相機(jī)焦距為f，P為兩臺攝像機(jī)在同一時刻看到物體的特征點，分別在“左目”和“右目”上獲取P點的圖像，坐標(biāo)分別為P1=（X1，Y1）；P2=（X2，Y2），由幾何關(guān)系可得：

可推算出視差D=X1-X2，再由此來推算出P點的三維坐標(biāo)為：

由此可知，只要兩臺攝像機(jī)可以找到對應(yīng)的匹配點就可以確定該點的三維坐標(biāo)。并且基線越長，測量范圍就越遠(yuǎn)。

1.3 雙目視覺避障系統(tǒng)的流程

雙目視覺避障系統(tǒng)的流程如圖2 所示，具體判斷位置的方式為：通過攝像頭獲取前方的環(huán)境圖像，判斷前方是否有目標(biāo)對象，若有則獲取目標(biāo)對象的深度信息，然后判斷目標(biāo)對象中是否存在障礙物，若存在，則獲取起重機(jī)與障礙物之間的距離，從而根據(jù)距離進(jìn)行避障，若不存在，則說明目標(biāo)對象僅為地面，則不采取避障措施。

圖2 雙目避障系統(tǒng)在起重機(jī)上的避障原理

關(guān)于安全值的設(shè)定，需根據(jù)目標(biāo)物的形狀、現(xiàn)場的環(huán)境等因素進(jìn)行選擇。確定安全值R0之后，系統(tǒng)會根據(jù)虛擬環(huán)境中的實時數(shù)據(jù)計算橋式起重機(jī)和目標(biāo)物與障礙物之間的實時距離R1，然后自動比較R0和R1的值，若R1＞R0，則系統(tǒng)不發(fā)出危險指令，反之則發(fā)出危險指令，提醒操控者可能會出現(xiàn)危險；若操控者未及時作出有效處理，當(dāng)R1≤0.5R0時，避障系統(tǒng)會立即對橋式起重機(jī)進(jìn)行制動處理，直至工作人員對障礙物作出了有效處理。

2 雙目避障系統(tǒng)在起重機(jī)上的應(yīng)用

起重機(jī)運(yùn)行時所遇到的障礙物類型主要分為靜態(tài)障礙物和動態(tài)的障礙物2 類。對于起重機(jī)而言，靜態(tài)障礙物是在運(yùn)行之前便能觀察到的，可以在運(yùn)行之前規(guī)劃好路線及時躲避；動態(tài)障礙物在起重機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的時間及位置都無法預(yù)知，因此無法提前規(guī)劃路線[5]。雙目避障系統(tǒng)可以對其捕捉到的動態(tài)障礙物進(jìn)行跟蹤，并通過跟蹤的結(jié)果判斷接下來的運(yùn)動趨勢，從而達(dá)到更好地避障效果。

2.1 雙目立體相機(jī)的應(yīng)用

考慮到橋式起重機(jī)的作業(yè)場景和安裝成本等，本文選用雙目立體相機(jī)作為避障系統(tǒng)中獲取信息的儀器。與單目相機(jī)只能簡單獲取二維的場景信息相比，雙目相機(jī)不但可以獲取圖像，還可以運(yùn)用三角測量原理對所測量場景進(jìn)行三維重建，從而直觀地獲取障礙物的空間位置及形狀大小等信息。

雙目立體相機(jī)的鏡頭焦距、兩攝像頭之間基線長度等因素決定了雙目避障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且對系統(tǒng)的測量范圍有著直接影響，傳統(tǒng)雙目立體相機(jī)的外殼已經(jīng)封裝好，其焦距以及基線長度都無法改變，對于使用場景的局限性較大。因此，為了增大雙目避障系統(tǒng)在橋式起重機(jī)上的使用范圍，本文采用自建相機(jī)的形式來完成在橋式起重機(jī)上的運(yùn)用。自建相機(jī)由于不受外殼的限制，其基線及焦距均可根據(jù)使用場景及視野范圍進(jìn)行調(diào)整，使用范圍更廣，使用時限制的條件也更少。自建相機(jī)分為傳感器和處理器兩部分，其中傳感器部分主要由如圖3 所示的兩臺工業(yè)相機(jī)組成，該相機(jī)可根據(jù)使用條件及場景更換不同的鏡片從而組合出所需焦距。

圖3 SENTECH 工業(yè)相機(jī)

雙目立體相機(jī)的安裝位置可根據(jù)需求進(jìn)行選擇，起重機(jī)中可供工業(yè)相機(jī)選擇的安裝位置如圖4 所示，其中深色方塊所示區(qū)域即是工業(yè)相機(jī)的安裝位置。安裝時，兩相機(jī)之間的基線距離可根據(jù)使用范圍的大小進(jìn)行調(diào)整。另外，對于圖4 中沒有展現(xiàn)到的單梁橋式起重機(jī)也可根據(jù)實際情況安裝工業(yè)相機(jī)。相機(jī)的處理器部分可以安裝在起重機(jī)的控制室內(nèi)，通過控制室顯示屏向控制者實時傳輸?shù)孛鏍顩r，從而使控制者作出準(zhǔn)確及時的判斷。

圖4 可供工業(yè)相機(jī)選擇的安裝位置

2.3 雙目避障系統(tǒng)在起重機(jī)限位器上的應(yīng)用

限位器是保護(hù)起重機(jī)升降機(jī)構(gòu)安全運(yùn)行的裝置，起重機(jī)升降機(jī)構(gòu)上分別有上升極限限位器和下降極限限位器。在起重機(jī)作業(yè)過程中，當(dāng)升降機(jī)構(gòu)到達(dá)設(shè)定的極限位置時，限位器會及時發(fā)出報警信號，同時自動切斷向危險方向運(yùn)行的動力源。由于限位器在工作時會出現(xiàn)老化、磨損等情況，若不及時檢查和維護(hù)，會出現(xiàn)限位器失靈的情況，容易發(fā)生重大事故，從而威脅到人身安全，造成不可逆的后果。雙目攝像頭很好地避免了限位器后期需要檢查維護(hù)的工作，當(dāng)升降機(jī)構(gòu)的吊鉤上升到設(shè)定的距離時，它能夠通過精準(zhǔn)的算法判斷是否會發(fā)生危險，然后把信息傳到起重機(jī)動力系統(tǒng)，從而自動切斷動力源，制止升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了一種雙目避障系統(tǒng)在橋式起重機(jī)上的應(yīng)用方法，結(jié)論如下：

（1）將雙目避障系統(tǒng)與橋式起重機(jī)相結(jié)合，可以減少起重機(jī)在運(yùn)行時遇到視覺盲區(qū)而引發(fā)事故的情況；

（2）在運(yùn)行中，由系統(tǒng)捕捉周圍環(huán)境的實時畫面并傳輸?shù)狡鹬貦C(jī)控制室，能夠幫助操控者了解地面情況，從而確定障礙物位置；

（3）結(jié)合避障系統(tǒng)算法對物體進(jìn)行三維重建，判斷出作業(yè)區(qū)域的障礙物位置信息，能夠使起重機(jī)安全平穩(wěn)地運(yùn)行。