激光掃描測(cè)距和視頻圖像處理下的集卡定位方法

陳翔

當(dāng)代對(duì)于檢測(cè)港口集裝性卡車位置的嚴(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，確保集裝箱卡車停車及預(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?，無(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，需要在車上安裝發(fā)射裝置，若當(dāng)前的車位空車，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?；谏鲜龅姆绞剑岢黾す鉁y(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條車道，正常的運(yùn)輸中，1-2條車道可以正常使用。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，掃描車道區(qū)域，獲得相應(yīng)的車道號(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，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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