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        基于機(jī)器視覺(jué)的岸橋集卡定位引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2020-11-11 06:28:48許躍騫
        科技視界 2020年31期
        關(guān)鍵詞:集卡視頻流顯示屏

        許躍騫

        (廈門(mén)嵩嶼集裝箱碼頭有限公司工程技術(shù)部,福建 廈門(mén)361026)

        0 引言

        在全球港口智能化建設(shè)的背景下,集裝箱碼頭岸邊裝卸的主要設(shè)備-岸邊集裝箱起重機(jī) (以下簡(jiǎn)稱(chēng)岸橋)的效率也影響著碼頭的運(yùn)營(yíng)效率[1]。傳統(tǒng)岸橋的裝卸主要采用人工盯梢的方式,完全依靠橋吊司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和岸邊人員的指揮,在集卡對(duì)位階段消耗了大量時(shí)間,制約了岸邊裝卸效率[2]。

        智能化港口建設(shè)使得自動(dòng)化領(lǐng)域的新技術(shù)逐步在碼頭岸橋集卡定位系統(tǒng)上應(yīng)用開(kāi)來(lái)。例如,激光雷達(dá)應(yīng)用上,曲偉等人則使用激光掃描儀對(duì)集車(chē)狀態(tài)進(jìn)行掃描,通過(guò)對(duì)位顯示屏將引導(dǎo)信息顯示,使司機(jī)快速到達(dá)作業(yè)位置[3];上港集團(tuán)上海海通安全設(shè)備工程公司同樣利用激光掃描器實(shí)現(xiàn)了CPS系統(tǒng)[4]。然而,所有激光雷達(dá)方案都面臨著成本高昂、無(wú)法識(shí)別工作車(chē)道等缺點(diǎn),且成本高昂。

        近年來(lái),計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)始成為車(chē)輛定位的新型選擇。Y Cai提出了一種利用單目和雙目視覺(jué)來(lái)跟蹤車(chē)輛的方法[5];元海文等人將單目視覺(jué)檢測(cè)車(chē)輪從而定位車(chē)輛[6]。然而,這些方法或無(wú)法辨別集卡工作狀態(tài)、車(chē)道信息,或難以應(yīng)用在港口復(fù)雜的背景環(huán)境下。

        綜上,本文提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的岸橋集卡定位引導(dǎo)系統(tǒng),采用高清集卡定位相機(jī)配合集卡視覺(jué)定位引導(dǎo)的快速檢測(cè)算法,并引導(dǎo)司機(jī)在岸橋作業(yè)時(shí)快速準(zhǔn)確進(jìn)入基準(zhǔn)位置,減少集卡對(duì)位時(shí)間,提高岸橋裝卸效率,降低系統(tǒng)成本。同時(shí),系統(tǒng)還具備辨別作業(yè)集卡、識(shí)別作業(yè)車(chē)道、多車(chē)道作業(yè)工況等功能。

        1 設(shè)計(jì)原理

        傳統(tǒng)集卡定位主要采用激光雷達(dá)、光電傳感器等技術(shù),成本高昂,且大多存在以下缺陷:

        (1)要求作業(yè)過(guò)程中無(wú)關(guān)車(chē)輛不得入內(nèi),無(wú)法定位運(yùn)動(dòng)物體是否為集卡。

        (2)無(wú)法滿足多條車(chē)道同時(shí)作業(yè)。

        (3)無(wú)法判斷車(chē)輛行進(jìn)方向。

        為解決上述問(wèn)題,應(yīng)對(duì)岸橋場(chǎng)景復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高等難點(diǎn),本文提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的集卡定位引導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要基于背景建模算法提取集卡前景目標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)集卡的定位。該方法將實(shí)時(shí)監(jiān)控與背景進(jìn)行比較,找出可能的卡車(chē)區(qū)域。具體過(guò)程如下:

        (1)背景建模:首先,將原始的RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像,然后用高斯混合模型法提取背景。

        (2)背景減除:背景減除后包含許多不屬于目標(biāo)集卡的小圖像塊,實(shí)際情況下,圖像塊聚類(lèi)之后,一些非集卡對(duì)象也會(huì)出現(xiàn)在圖像中,例如操作員、汽車(chē)或者其他移動(dòng)對(duì)象。因此,本系統(tǒng)對(duì)候選窗口根據(jù)連通域長(zhǎng)、寬、面積以及白色像素占比等參數(shù)進(jìn)行篩選,從而獲得正確的集卡位置。

        2 設(shè)計(jì)方案

        CPS硬件主要是由集卡定位相機(jī)、LED引導(dǎo)顯示屏、計(jì)算服務(wù)器等三部分組成。

        2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1.1集卡定位相機(jī)設(shè)計(jì)

        如圖1所示,兩個(gè)集卡定位相機(jī)分別安裝于岸橋中間車(chē)道的橫梁位置,可以同時(shí)獲取雙向多車(chē)道的集卡作業(yè)視頻流信息。從設(shè)計(jì)角度,為滿足定位精度要求,每臺(tái)相機(jī)設(shè)計(jì)上僅覆蓋1~2條作業(yè)車(chē)道。

        2.1.2引導(dǎo)顯示屏設(shè)計(jì)

        如圖1所示,顯示屏安裝于海陸側(cè)底梁兩側(cè),屏幕中心高度與集卡司機(jī)視線高度一致,可視距離應(yīng)不小于20 m。顯示內(nèi)容包括:拖車(chē)作業(yè)車(chē)道號(hào)、拖車(chē)調(diào)整距離值,拖車(chē)司機(jī)前/后調(diào)整提示,拖車(chē)到位和駛離提示,CPS故障,CPS待命等信息。顯示顏色為:方向信號(hào)(綠色)、停車(chē)信號(hào)(紅色)、車(chē)道號(hào)(黃色)和偏移距離(紅色)。LED集卡引導(dǎo)顯示屏能夠?yàn)榧ㄋ緳C(jī)定位提供引導(dǎo)信息。

        2.1.3 CPS計(jì)算服務(wù)器設(shè)計(jì)

        CPS服務(wù)器主要通過(guò)采集的視頻流實(shí)時(shí)分析集卡位置狀態(tài),并負(fù)責(zé)與岸橋的數(shù)據(jù)通訊。CPS服務(wù)器是岸橋集卡定位引導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件,通常安裝于電氣房?jī)?nèi)。

        3 操作流程

        CPS系統(tǒng)部署完成后,其主要操作流程分為:指令發(fā)送、集卡駛?cè)搿D像采集、集卡預(yù)搜索、集卡定位、顯示屏引導(dǎo)、司機(jī)調(diào)整車(chē)位、集卡到位、開(kāi)始裝卸。具體流程如下。

        (1)指令發(fā)送:在裝卸作業(yè)開(kāi)始時(shí),首先TOS系統(tǒng)發(fā)送作業(yè)指令隊(duì)列,岸橋司機(jī)和集卡司機(jī)根據(jù)指令到達(dá)各自岸橋及車(chē)道作業(yè)。

        (2)集卡駛?cè)耄杭ㄋ緳C(jī)根據(jù)作業(yè)指令駛?cè)胂鄳?yīng)車(chē)道,觀察安裝于車(chē)頭方向岸橋上的引導(dǎo)顯示屏狀態(tài),等待顯示屏信號(hào)指示燈變綠,則集卡駛?cè)氚稑虻撞俊?/p>

        (3)圖像采集:當(dāng)集卡駛?cè)胂到y(tǒng)覆蓋區(qū)域,定位相機(jī)實(shí)時(shí)采集視頻流圖像發(fā)送到CPS服務(wù)器中。

        (4)集卡定位:根據(jù)視頻流分析,當(dāng)有運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行時(shí),啟動(dòng)集卡與搜索功能,初步確定運(yùn)動(dòng)物體是否為集卡。當(dāng)初步篩選運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為集卡后,在此區(qū)域范圍內(nèi)啟動(dòng)集卡精確定位,確定集卡在車(chē)道中的精確位置。

        (5)顯示屏引導(dǎo):根據(jù)圖像處理結(jié)果,現(xiàn)場(chǎng)引導(dǎo)顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前作業(yè)車(chē)道以及車(chē)道中作業(yè)集卡的到位情況,并根據(jù)位置偏移情況顯示司機(jī)行駛方向和距離。

        (6)司機(jī)調(diào)整車(chē)位:集卡司機(jī)根據(jù)顯示屏引導(dǎo)信息操作集卡對(duì)位直至指示燈變綠為止。

        (7)集卡到位:當(dāng)唯一距離顯示為“00”,且對(duì)位狀態(tài)指示燈由紅色變?yōu)榫G色,則說(shuō)明集卡到位成功。

        (8)開(kāi)始裝卸:當(dāng)岸橋司機(jī)將吊具移動(dòng)至集卡上方時(shí),可觀察司機(jī)室集卡到位指示燈狀態(tài),若為紅色則說(shuō)明集卡未停到準(zhǔn)確部位,若為綠色則說(shuō)明集卡已準(zhǔn)備好作業(yè)。此時(shí),岸橋司機(jī)即可進(jìn)入正常作業(yè)流程。

        4 總結(jié)

        對(duì)于人工方式及現(xiàn)有自動(dòng)化集卡引導(dǎo)方式的不足,本文提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的低成本解決方案。通過(guò)在岸橋橫梁的車(chē)道兩端布設(shè)兩臺(tái)高清識(shí)別相機(jī),根據(jù)視頻流分析分別完成集卡車(chē)頭部位的精確定位,并將集卡位置信息實(shí)時(shí)反饋到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)大屏幕上,引導(dǎo)集卡司機(jī)準(zhǔn)確停到目標(biāo)位置。本系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)人工引導(dǎo)的耗時(shí)耗力以及現(xiàn)有技術(shù)的高成本低精度缺陷,具備低成本高精度的技術(shù)優(yōu)勢(shì),能極大提高岸橋作業(yè)效率。

        圖1 硬件安裝位置示意圖(左)和LED顯示屏設(shè)計(jì)(右)

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