陳錦乾

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

港口自動化拆裝鎖銷機(jī)研發(fā)的難點(diǎn)之一為鎖銷的空間定位,通常做法是將集裝箱放至在固定框架內(nèi)部,從而保證集裝箱位于各個傳感器的感應(yīng)范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)集裝箱的位置定位。由于全自動拆裝鎖銷機(jī)(以下簡稱拆鎖機(jī))為機(jī)器人作業(yè),要求對集裝箱的位置定位感知精度為毫米級,考慮到港口戶外環(huán)境對各種傳感器的惡劣影響,定位系統(tǒng)無法通過簡單的傳感器達(dá)到精度要求。采用單一技術(shù),如3D相機(jī)技術(shù)、單點(diǎn)激光傳感器技術(shù),實(shí)現(xiàn)集裝箱的位置定位過程中存在不足之處[1]。為此采用較低精度視覺傳感器與點(diǎn)激光測距結(jié)合的方式,提升集裝箱鎖銷的定位精度。

2 單一技術(shù)方案不足分析

2.1 3D相機(jī)

(1)視距有限。相機(jī)距離目標(biāo)物質(zhì)越遠(yuǎn),定位精度越差。雙目相機(jī)需要1～2 m的視距,誤差在5 mm左右;2D線掃描激光相機(jī)與結(jié)構(gòu)光相機(jī)需要0.1～1 m的視距,誤差在1 mm以內(nèi)。單臺相機(jī)的檢測范圍為0.35 m,而拆鎖機(jī)待檢測點(diǎn)有12個,每個檢測點(diǎn)又有0.5 m的活動區(qū)間,所以需大量鋪設(shè)相機(jī)來進(jìn)行視野覆蓋,導(dǎo)致成本大幅上升。為了減少相機(jī)的數(shù)量配置,可以將其搭載在拆鎖機(jī)內(nèi)的機(jī)械手臂上,使得相機(jī)可以移動,從而擴(kuò)大相機(jī)的視距,每次檢測時,機(jī)械手臂會將相機(jī)運(yùn)送到待檢測點(diǎn)附近進(jìn)行取樣。這種情況下,拆鎖機(jī)僅需安裝等同于機(jī)械手臂數(shù)量的視覺傳感器,但是需解決機(jī)械結(jié)構(gòu)干涉問題,而且3D相機(jī)移動拍攝時更容易產(chǎn)生誤差。

(2)相機(jī)移動拍攝誤差較大。相機(jī)待自動識別對象就位后,或者根據(jù)外界的指令,瞬間拍照從而捕捉目標(biāo)圖像進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)集裝箱鎖銷進(jìn)入視距后,從運(yùn)動到靜止的這段時間內(nèi),雙目相機(jī)和結(jié)構(gòu)光相機(jī)按拍攝快門時間設(shè)置得到不同數(shù)量的照片,取其一進(jìn)行計(jì)算。受制于工作節(jié)拍影響,在大多時候,無法等鎖銷完全靜止后再進(jìn)行取圖計(jì)算,從而產(chǎn)生較大的誤差,會導(dǎo)致獲取的照片較模糊,影響識別精度。

當(dāng)外界提供一個觸發(fā)信號給相機(jī)后,搭載相機(jī)的機(jī)械手運(yùn)動到指定位置拍照,這期間,鎖銷的位置往往發(fā)生變化,且每次拍照時,相機(jī)的初始位置不一定絕對相同,導(dǎo)致該誤差進(jìn)一步加大。為了保證初始位置即視覺坐標(biāo)原點(diǎn)相同,需要機(jī)械手臂穩(wěn)定停止,這樣會增加節(jié)拍時間。

(3)光線對相機(jī)成像影響大。為了方便將圖像直接轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù),3D相機(jī)對圖像質(zhì)量要求很高。港口戶外環(huán)境,除了雨霧等惡劣天氣影響,各個角度的太陽光照射,對視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生較大影響。這就要求在本來空間有限的情況下,為拆鎖機(jī)加裝額外的擋光措施,增加了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。

2.2 單點(diǎn)激光傳感器

各種類型的光電感應(yīng)傳感器,比如紅外傳感器、光敏傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器等,均可以用于測距場景,考慮到硬件成本和軟件開發(fā)成本,可以采用點(diǎn)激光測距。點(diǎn)激光傳感器進(jìn)行定位時,若待檢測物形狀不規(guī)則,例如鎖銷,則無法確保測量點(diǎn)照射到指定的位置,可能探測到非鎖銷特征區(qū)域的距離信息。在其他的作業(yè)場合提供定位機(jī)等輔助設(shè)施,將待檢測對象放置在特定位置,保證點(diǎn)激光照射在正確的位置上,從而獲知距離參數(shù)。但是鎖銷不具備安裝定位機(jī)的條件,且鎖銷表面不規(guī)則,點(diǎn)激光探知特征點(diǎn)困難。

3 激光與視覺融合識別方案設(shè)計(jì)

3.1 方案整體思路

鎖銷安裝在集裝箱箱角下,機(jī)械手需要將該鎖銷拆除。由于集裝箱的擺放由機(jī)械結(jié)構(gòu)定位,不會發(fā)生較大的移動,鎖銷在集裝箱箱角的鎖銷孔內(nèi)會發(fā)生小范圍的移動。將該移動位置區(qū)分為6個自由度。設(shè)立一個空間坐標(biāo)系,鎖銷位置有三維方向的X、Y、Z坐標(biāo)值和繞軸旋轉(zhuǎn)的Rx、Ry、Rz。

鎖銷外表很不規(guī)則,且鎖銷種類很多。所以定位裝置必須首先提供對象的種類信息S,從而確定該種鎖銷的特征位置,方便稍后的單點(diǎn)激光點(diǎn)進(jìn)行探知。當(dāng)采用機(jī)械手的其中一個工具坐標(biāo)系去處理不同的S時,機(jī)械手需要的6個自由度值會因?yàn)椴煌腟而發(fā)生變化[2]。所以針對不同的S,需要設(shè)置不同的坐標(biāo)系。

拆鎖機(jī)的定位系統(tǒng)首先經(jīng)過2D相機(jī)取圖,通過與提前錄制的模板進(jìn)行匹配,獲知種類S與大概的位置信息,確保后續(xù)點(diǎn)激光將激光點(diǎn)打到特征區(qū)域。再依靠機(jī)械手的移動,多次由一枚點(diǎn)激光定位點(diǎn)深度信息,另一枚激光負(fù)責(zé)確認(rèn),最終利用多個活動點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算出目標(biāo)的精確位置。由于采用2D相機(jī),可以通過添加自適應(yīng)光源自動調(diào)節(jié)曝光等措施,從而克服戶外自然環(huán)境因素的影響。

3.2 平面視覺的模板匹配

視覺圖像需要轉(zhuǎn)變成數(shù)字信息,才能給上位機(jī)或機(jī)械手使用。提前錄制視覺模板后,需要對模板圖像進(jìn)行處理,得到模板內(nèi)對象的3項(xiàng)位置姿態(tài)信息(X,Y,Rz),再進(jìn)行種類設(shè)定。以后每次拍照取圖,都要與模板圖像進(jìn)行匹配計(jì)算,從而找出相似度最高的模板,即為種類S的信息[3]。

視覺的計(jì)算方法如下。相機(jī)是紅藍(lán)綠3通道像素相機(jī),首先將彩色圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥邢袼亓炼茸兓幕叶葓D像,利用閾值法設(shè)立閾值,進(jìn)而將灰度圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥腥诤腿變煞N像素的黑白二值化圖像[4]。再通過預(yù)設(shè)算法,得到原點(diǎn)的位置,因?yàn)槭瞧矫嫦鄼C(jī),所以只可計(jì)算Rz值。

圖像被拆解成每個像素上的0、1信號,模板圖像和待檢測圖像可以進(jìn)行差值計(jì)算,利用平方差累計(jì)求和的方法,可以計(jì)算出兩者之間的相似度。圖像的計(jì)算量是較大的,所以在方案的實(shí)施過程中,不僅需要考慮到計(jì)算結(jié)果與實(shí)際對比的準(zhǔn)確性,還需要考慮系統(tǒng)運(yùn)行的時間?？梢酝ㄟ^歸一化平方差求和、圖像金字塔等方法來優(yōu)化算法,其中閾值的設(shè)定值,需要依靠多次的測試來得出每種模板的合理值。

業(yè)內(nèi)常使用基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的卷積計(jì)算來進(jìn)行圖像分析,但由于本方案的側(cè)重點(diǎn)是適應(yīng)港口室外環(huán)境并不完全依靠視覺,所以依靠簡單的視覺算法,便能實(shí)現(xiàn)功能。

3.3 點(diǎn)激光制導(dǎo)機(jī)械手臂運(yùn)動

利用以上步驟能夠得到目標(biāo)鎖銷的大概位置(X,Y,Z)與Rz值。此時機(jī)械手逐漸向目標(biāo)鎖銷靠近,搭載的2枚激光傳感器會探照到鎖銷的特征位置上,對激光傳感器的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性要求較高。針對每種特征S,機(jī)械手所需要尋找的目標(biāo)位是不同的。在機(jī)械手逐漸靠近鎖銷的過程中,把傳感器信號作為數(shù)據(jù)源,轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的6關(guān)節(jié)值或3笛卡爾位置值再加上3歐拉角值,就可以得出目標(biāo)鎖銷的位置姿態(tài)。

計(jì)算鎖銷位置的(X,Y,Z,Rx,Ry,Rz)值時,使用機(jī)械手的四元數(shù)和軸角進(jìn)行插值,分別計(jì)算位移和旋轉(zhuǎn)。假定一枚模擬量激光值為egmID1,另一枚激光值為egmID2,egmID2用于反饋調(diào)整。在計(jì)算過程中,可以利用機(jī)械手自帶的位置引導(dǎo)(EGM)功能來承擔(dān)部分邏輯計(jì)算。遵循以下步驟:①調(diào)用EGM;②EGM從運(yùn)動控制中讀取輸入數(shù)據(jù)egmID1;③檢查UDP通信序列,調(diào)用新數(shù)值或沿用舊數(shù)值。由于是漸進(jìn)計(jì)算進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償,解決了鎖銷的自身晃動問題。

4 結(jié)語

點(diǎn)激光傳感器與2D視覺融合的方案對圖像依賴度低,可以克服港口現(xiàn)場的室外環(huán)境對于取圖的限制;運(yùn)行節(jié)拍時間少,取圖計(jì)算時間2 s內(nèi),漸進(jìn)運(yùn)動5 s內(nèi);未采用高精度多功能3D相機(jī),整體成本低于其他視覺定位識別方案。該方案通過對傳感器進(jìn)行融合使用,可實(shí)現(xiàn)集裝箱拆鎖機(jī)的鎖銷定位檢測功能。