機(jī)器視覺技術(shù)在岸邊集裝箱起重機(jī)下集卡對(duì)位系統(tǒng)中的應(yīng)用

同寧方　黃秀松　張志勇

0引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和普及,數(shù)字圖像處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域。智能化的集裝箱碼頭閘口系統(tǒng)的核心正是基于圖像處理的集裝箱箱號(hào)識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的集裝箱裝卸工藝中,集卡在岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸邊吊)下等待裝卸集裝箱的位置,是由橋邊指揮員通過在岸邊吊下方設(shè)置標(biāo)識(shí)或觀察吊具下落位置確定的,并由其指揮集卡司機(jī)控制集卡停放,使吊具可以準(zhǔn)確抓取集裝箱扭鎖。如有偏差,集卡司機(jī)通過回頭觀察吊具位置,對(duì)車輛作前進(jìn)、后退的調(diào)整。實(shí)踐證明,這樣的操作程序不但影響裝卸效率,而且增加能源消耗,同時(shí)存在一定的安全隱患。

近年來裝卸機(jī)械技術(shù)水平不斷提升。雙40英尺吊具的岸邊吊對(duì)集卡的停放要求更高,不但要求集卡在岸邊吊下方停放的位置非常準(zhǔn)確,而且對(duì)相鄰集卡的位置調(diào)整提出要求。例如,相鄰集卡上2個(gè)相鄰箱的箱沿鎖孔經(jīng)常由于集卡停放位置不正呈現(xiàn)“正八字”或“倒八字”,集卡司機(jī)為調(diào)整位置需要花費(fèi)大量時(shí)間,雙40英尺岸邊吊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)因此被抵消。諸如此類的問題導(dǎo)致雙40英尺岸邊吊的裝卸操作難度遠(yuǎn)高于單吊具岸邊吊。正是在這樣的背景下,本系統(tǒng)創(chuàng)新性地將機(jī)器視覺技術(shù)運(yùn)用在二維平面內(nèi)的目標(biāo)辨識(shí)、目標(biāo)跟蹤和目標(biāo)位移測(cè)量計(jì)算中,以解決這一裝卸工藝難題。

1系統(tǒng)設(shè)想及目標(biāo)

針對(duì)在這一應(yīng)用領(lǐng)域存在的問題,采用數(shù)字視頻處理技術(shù),基于機(jī)器視覺技術(shù),研發(fā)岸邊吊集卡對(duì)位系統(tǒng)。這套系統(tǒng)適用于不同箱型,不但能迅速、準(zhǔn)確地確定集卡停放位置,而且能測(cè)量停放的集裝箱的前后沿間距,將這些信息提供給岸邊吊司機(jī),并引導(dǎo)集卡司機(jī)嚴(yán)格控制其駕駛車輛與相鄰集卡的相對(duì)位置。在進(jìn)行視覺檢測(cè)時(shí),目標(biāo)辨識(shí)準(zhǔn)確,不受非正常工作車道過車的干擾。此外,系統(tǒng)可將測(cè)得的數(shù)據(jù)提供給岸邊吊運(yùn)動(dòng)控制PLC,由PLC控制吊具間距姿態(tài),使吊具間距自動(dòng)與并列箱位置間距相吻合,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。

2系統(tǒng)工作原理

2.1原理簡介

本系統(tǒng)利用高清晰智能數(shù)碼攝像機(jī),實(shí)時(shí)捕捉在岸邊吊下方行駛的集卡裝載的集裝箱,運(yùn)用特征提取等圖像處理技術(shù),精確鎖定集裝箱鎖孔位置,并進(jìn)行行駛軌跡跟蹤(見圖1)。系統(tǒng)虛擬內(nèi)置平面直角坐標(biāo)系統(tǒng),將鎖孔的位置運(yùn)算成二維平面坐標(biāo),通過對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)的連續(xù)運(yùn)算,得出行駛位置及行駛軌跡。

中央處理單元按照一定邏輯,將歸一化后的位置信息發(fā)送給安裝在不同位置的LED顯示屏。需要提供給岸邊吊司機(jī)的集裝箱間距信息,通過無線通信模塊傳輸給岸邊吊駕駛室無線車載終端,并以人性化的界面提示給集卡司機(jī)。

系統(tǒng)具體工作過程如下:岸邊吊作業(yè)路確定之后,車道選擇單元將集卡的車道信息、行駛方向和箱型信息發(fā)送給中央處理單元;中央處理單元按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯,通知檢測(cè)當(dāng)前使用車道的攝像機(jī)進(jìn)行工作,并將實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理單元;攝像機(jī)得到工作指令后,視頻檢測(cè)系統(tǒng)開始逐幀檢測(cè)跟蹤下方車道內(nèi)的集卡運(yùn)行狀態(tài),攝像機(jī)連續(xù)不斷地發(fā)送坐標(biāo)信息給中央處理單元;中央處理單元處理這些坐標(biāo)點(diǎn),將其轉(zhuǎn)換成岸邊吊司機(jī)和集卡司機(jī)需要的距離信息,然后控制不同的通信單元,將信息分別發(fā)送給岸邊吊司機(jī)和集卡司機(jī)。

2.2系統(tǒng)邏輯控制原理

本系統(tǒng)的邏輯控制原理如圖2所示。

2.3基于差影法的集卡定位

利用圖像捕捉并跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在許多領(lǐng)域有廣泛的運(yùn)用。目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)圖像序列為低信噪比情況下的目標(biāo)檢測(cè)提供比目標(biāo)靜止時(shí)更多的有用信息,利用圖像序列可以檢測(cè)出單幀圖像中很難檢測(cè)出的目標(biāo)。由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)形成的圖像序列可以分為2種:一種是背景靜止的,另一種是背景變化的。攝像機(jī)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)通常產(chǎn)生前一種圖像,攝像機(jī)處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)通常產(chǎn)生后一種圖像。對(duì)于圖像的處理方法,一般是采用突出目標(biāo)或消除背景的思路,對(duì)前一種圖像的處理可以采用消除背景的方法,對(duì)后一種圖像的處理比較復(fù)雜。岸邊吊作業(yè)時(shí),攝像機(jī)相對(duì)于岸邊吊是靜止的,而集卡是運(yùn)動(dòng)目標(biāo),因此本文不考慮后一種。

將同一背景不同時(shí)刻的圖像進(jìn)行比較,可以反映運(yùn)動(dòng)物體在此背景下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。簡單的比較方法是將圖像作“差分”或“相減”運(yùn)算,從“相減”后的圖像中很容易發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體信息。

在“相減”后的圖像中,灰度不發(fā)生變化的部分被減掉(包括大部分背景和一小部分目標(biāo))。若背景比目標(biāo)灰度低,則前區(qū)為正,后區(qū)為負(fù),其他部分為零。通過檢出的部分可以大致確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在圖像上的位置,使用相關(guān)法縮小搜索范圍。

在集卡對(duì)位系統(tǒng)中,通過高清晰的網(wǎng)絡(luò)相機(jī),不停地采集視頻圖像并保存到內(nèi)存,形成動(dòng)態(tài)的視頻流。通過比較相鄰2幀的視頻數(shù)據(jù),可以準(zhǔn)確地定位圖像中的集卡。

3系統(tǒng)性能分析

研發(fā)后期,在實(shí)際工況下對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行功能、效能、效率等方面的測(cè)試。功能測(cè)試主要測(cè)試在不同集裝箱、不同行駛軌跡、不同裝卸流程等條件下,系統(tǒng)在裝卸過程中對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工況的滿足性;效能和效率測(cè)試主要測(cè)試運(yùn)用本系統(tǒng)進(jìn)行的裝卸作業(yè),相對(duì)于傳統(tǒng)岸邊吊裝卸作業(yè)的工藝變革以及效率提高的具體程度等。

裝卸效率提高的程度可以通過實(shí)際工況下裝卸作業(yè)與傳統(tǒng)裝卸作業(yè)的裝卸耗時(shí)、集卡到位準(zhǔn)確率等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得到。表1列出在某一時(shí)段內(nèi),人工對(duì)位耗時(shí)、準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)與自動(dòng)對(duì)位耗時(shí)、準(zhǔn)確率的對(duì)比。表2是針對(duì)表1數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析。

表1和表2中的數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析取自某一工班時(shí)段內(nèi),正常工況情況下,同一岸邊吊,同一岸邊吊駕駛員的作業(yè)記錄統(tǒng)計(jì)表。從表2的數(shù)據(jù)分析中可以發(fā)現(xiàn),運(yùn)用本系統(tǒng)后,岸邊吊裝卸效率明顯得到提升。

4結(jié)束語

經(jīng)過對(duì)上海洋山深水港區(qū)3期A標(biāo)碼頭的102號(hào)雙40尺吊具岸邊吊的多批次作業(yè)測(cè)試后發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)大幅度減少作業(yè)時(shí)間。根據(jù)模擬測(cè)試,在集卡駕駛員熟悉本系統(tǒng)的情況下,對(duì)位準(zhǔn)確率可以達(dá)到98%以上,平均作業(yè)時(shí)間減少到左右。相信隨著系統(tǒng)的大規(guī)模投入使用,系統(tǒng)將得到不斷優(yōu)化和完善,并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn):

[1] 岡薩雷斯. 數(shù)字圖像處理[M].2版. 阮秋琦,譯. 北京:電子工業(yè)出版社,2006.

(編輯:吳磊明收稿日期:2009-05-19)