基于機器視覺的貨車位姿調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計

曹沖振， 曹美慧， 王鳳芹， 王晶蕊， 梁世友

(1 山東科技大學(xué) 交通學(xué)院， 山東 青島 266590； 2 山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

0 引 言

在物流領(lǐng)域裝卸活動是反復(fù)出現(xiàn)和進行的，每次裝卸活動都要花費很長時間，所以提高裝車速度往往成為決定物流速度的關(guān)鍵[1]。自動化裝車系統(tǒng)作為出庫裝車的設(shè)備之一，能夠起到提高裝車效率、降低人工成本的作用。因此，近幾年國內(nèi)外裝車系統(tǒng)相關(guān)的研究越來越多，裝車方案的研究主要包括：裝車系統(tǒng)與生產(chǎn)線直接相連，待裝貨車輛?？垦b車區(qū)域后，裝車系統(tǒng)自動測量車體位置，然后依靠多種技術(shù)，基本實現(xiàn)物料的全自動化裝車，在停車時，尤其對于車體較長，體積較大的貨車，人工停車難度大，位姿調(diào)整損耗時間長，大大降低了自動化撞車的效率。

基于國外碼垛機器人的應(yīng)用經(jīng)驗，徐東等人[2]研究開發(fā)了一套適用于集裝箱的自動裝車系統(tǒng)，該方案利用視覺系統(tǒng)測量車廂體內(nèi)部長寬高等尺寸數(shù)據(jù)。為了配合自動裝車設(shè)備工作，方便貨車位姿的調(diào)整，陳顯龍等人[3]設(shè)計了一套激光雷達測量車廂尺寸的方案。車廂測量系統(tǒng)由2個激光雷達組成，分別測量貨車的寬度、高度，以及車廂長度信息。

以啤酒行業(yè)為背景，在2017年，中國人均啤酒消費量達到34升/年，遠超世界平均水平[4]。伴隨著啤酒市場的擴大，各啤酒生產(chǎn)企業(yè)之間的競爭也日趨激烈[5]。為了搶占市場，獲得較高的利潤，各啤酒生產(chǎn)企業(yè)除了在技術(shù)領(lǐng)域不斷創(chuàng)新以外，還可以從其他方面提高周轉(zhuǎn)效率，在激烈的行業(yè)競爭中取得先機，如：啤酒運輸、儲存、出庫等方面，尤其是出庫問題。對于啤酒生產(chǎn)企業(yè)來講，成品啤酒出庫速度的快慢，直接影響企業(yè)的效益。

本文研究了一種機器視覺的貨車位姿調(diào)整系統(tǒng)方案，用以解決人工駕駛停靠位置不精確的問題。根據(jù)現(xiàn)有資料，設(shè)計測量系統(tǒng)與機械執(zhí)行系統(tǒng)，并利用SolidWork進行建模，呈現(xiàn)三維可視化展示。

1 整體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求分析

在快速裝車系統(tǒng)方案中，由于輸送線和裝車設(shè)備的位置相對固定，且車廂內(nèi)需要碼放2列托盤，車廂寬度裕量很小，因此貨車與裝車設(shè)備的相對位置應(yīng)保持一致且角度偏差在合理范圍之內(nèi)。但是在實際操作中，由于車輛長度較長，駕駛員駕駛車輛?？康奈恢煤徒嵌葻o法滿足裝車需要，往往需要進行多次調(diào)整，麻煩且浪費時間。因此，有必要借助相關(guān)設(shè)備對貨車位姿進行調(diào)整。

貨車位姿調(diào)整的作用是調(diào)整貨車與裝車設(shè)備之間的相對位置應(yīng)保持一致且角度偏差在合理范圍之內(nèi)。

由上述分析可以看出，貨車位姿調(diào)整系統(tǒng)的作用是改變貨車當前的位置和角度，將位姿調(diào)整在理想的范圍內(nèi)。具體工作內(nèi)容主要包括：

(1)貨車停穩(wěn)后，對貨車進行位姿的檢測，判斷?？康奈蛔耸欠穹涎b車要求；如果位姿不滿足裝車要求，則需要對獲得的停車位姿進行對比計算，最終得出調(diào)整距離，并由貨車位姿調(diào)整系統(tǒng)調(diào)整貨車位置和角度。位姿調(diào)整結(jié)束后，要再次進行位姿檢測，并判斷當前位姿是否已經(jīng)符合要求，若不符合要求，重復(fù)上述調(diào)整過程，直至位姿處于合理范圍之內(nèi)。

(2)伸縮裝車機在車廂內(nèi)裝完第一列貨物后，貨車位姿調(diào)整系統(tǒng)需要把貨車車廂位置橫向調(diào)整一個托盤的寬度，使伸縮裝車機能夠裝載第二列貨物。

1.2 整體方案介紹

根據(jù)設(shè)計要求和貨車位姿調(diào)整功能需求，本課題設(shè)計的貨車位姿調(diào)整系統(tǒng)整體方案三維圖如圖1所示。

1-貨車位姿信息處理系統(tǒng)； 2-機械執(zhí)行系統(tǒng)； 3-電控柜

該系統(tǒng)主要由貨車位姿信息處理系統(tǒng)、機械執(zhí)行系統(tǒng)以及電控柜組成。其中，位姿測量裝置利用機器視覺的原理，采用CCD攝像機作為測量元件捕捉貨車位姿的電子圖像，電子圖像將傳輸給計算機，系統(tǒng)利用圖像處理技術(shù)，對圖像進行分析，提取出有用數(shù)據(jù)[6]。機械執(zhí)行系統(tǒng)，主要由多組移動平臺、液壓缸、以及鋼輪和導(dǎo)軌組成，在移動平臺時帶動停放在其上的貨車，調(diào)整貨車位姿。

工作流程：貨車停穩(wěn)后，對貨車進行位姿的檢測，檢視其?？康奈蛔耸欠穹弦?是否達到要求)，如果位姿不滿足裝車要求，需要上位機進行有關(guān)處理后將需要調(diào)整的信息發(fā)送給相應(yīng)的電控柜，并由機械執(zhí)行部分調(diào)整貨車位置和角度，調(diào)整結(jié)束后，需要再次進行位姿檢測，重復(fù)上述的命令，直至貨車位姿符合標準。

2 機械執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計

2.1 功能要求分析

在本文中，該部分的主要作用是執(zhí)行調(diào)整命令，調(diào)整貨車位姿。針對整托啤酒的裝車過程，本機械執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計要求主要包括以下兩點：

(1)該裝置能夠承載滿載貨車的重量。

(2)對貨車的位姿進行精度較高的調(diào)整，既可以實現(xiàn)貨車在橫向方向上的調(diào)整，也可以實現(xiàn)貨車角度的調(diào)整，使貨車位姿能夠滿足裝車需要。

2.2 方案設(shè)計

在本文中，該部分的主要作用是執(zhí)行調(diào)整命令，調(diào)整貨車位姿。機械執(zhí)行系統(tǒng)方案擬采用將貨車車廂平移的方式調(diào)整其位姿，故考慮在貨車下安裝移動平臺。為實現(xiàn)調(diào)整貨車?？拷嵌鹊墓δ?，設(shè)計3組移動平臺，分別置于貨車的3組車輪下。

具體方案如下：機械執(zhí)行系統(tǒng)主要由液壓缸、移動平臺、導(dǎo)軌和鋼輪組成。其中，移動平臺位于地面的3個凹坑內(nèi)，3組移動平臺之間的距離分別與貨車的3組車輪之間的間隔相對應(yīng)；每個移動平臺上裝有6個鋼輪，分別安裝在移動平臺的兩側(cè)；液壓缸的數(shù)量為3組，3組液壓缸位于移動平臺的同一側(cè)，分別用于驅(qū)動3組移動平臺的運動。凹坑內(nèi)鋼輪下方設(shè)置有導(dǎo)軌，鋼輪沿導(dǎo)軌滑動實現(xiàn)移動平臺的橫向移動。利用SolidWork進行三維建模，如圖2所示。

圖2 移動平臺布置圖

2.3 機械執(zhí)行系統(tǒng)原理

(1)水平位置調(diào)整：3組移動平臺同時進行等距移動。

(2)角度調(diào)整：根據(jù)角度偏差方向決定各移動平臺的運動方向，通過3組平臺的組合運動來達到調(diào)整貨車角度的功能要求，如圖3所示。圖3中，實線代表貨車，虛線代表移動平臺。

圖3 貨車位姿調(diào)整具體過程

Fig. 3 Specific process of position and posture adjustment of freight cars

3 貨車位姿信息處理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

貨車位姿信息處理系統(tǒng)由2個相互連接的CCD攝像機、圖像采集卡、電控柜和計算機組成，地面畫有標準停車位姿的標志線，2臺攝像機分別設(shè)置于標準貨車車位標志線長度方向的三等分點，獲取的2張照片拼接后形成完整貨車位姿圖片；PC機與電控柜連接，電控柜與3組液壓缸的發(fā)動機連接，電控柜接收PC機發(fā)出的液壓缸啟停信號，通過控制通電情況來確定每個液壓缸的啟停，從而控制移動平臺的啟動時間與移動距離。

3.2 位姿信息處理原理

位姿信息處理系統(tǒng)通過攝像機獲取貨車位姿圖像，經(jīng)過圖像處理獲得車身三維點云數(shù)據(jù)，上位機將三維點云數(shù)據(jù)進行處理，主要包括建立被測對象的數(shù)學(xué)模型、坐標系轉(zhuǎn)換、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理等。上位機計算貨車當前位姿信息與預(yù)先設(shè)定的標準值的偏差，通過算法計算可以得到3塊移動平臺的調(diào)整距離，利用計算機算法將調(diào)整距離轉(zhuǎn)換為液壓缸的工作時間，將液壓缸的工作時間信息發(fā)送至電控柜，由電控柜控制液壓缸的啟停，機械執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行位姿調(diào)整命令將貨車位姿修正。具體步驟如下：

圖像處理系統(tǒng)獲得貨車位姿點云圖，見圖4左側(cè)圖。隨后，運用卡爾曼算法進行圖像邊框處理，得到貨車的實際位姿見4右側(cè)圖。

圖像處理系統(tǒng)根據(jù)貨車的實際位姿輪廓的頂點位置，生成中心線，將生成的中心線與系統(tǒng)中的標準貨車的參考中心線作對比，如圖5所示。

圖4 貨車位姿點云圖處理

Fig. 4 Cloud image processing of location and posture points of freight cars

圖5 貨車位姿信息提取示意圖

Fig. 5 Schematic diagram for extracting position and posture information of freight cars

2條中心線的夾角為貨車的角度偏差θ，3組移動平臺的中心線分別與2條中心線相交，被截取的距離記為L，則從前至后依次記為L1，L2，L3，并以液壓缸向外推的方向為正方向，即L在參考中心線以左為正數(shù)，以右為負數(shù)。

(1)當L1=L2=L3時，即2條中心線平行，不需要調(diào)整角度，則3組液壓缸同時動作伸長，或縮短相同的距離，將貨車移動到標準停車位置上。

(2)當貨車位姿的角度不標準時，即θ不等于零時，采取先調(diào)整角度再調(diào)整位置的順序，即先將中心線調(diào)整至與參考中心線平行，再調(diào)整至重合，對此可表述為：

① 先固定貨車車頭不動，調(diào)整位于最后端的移動平臺向右移動L3-L1的距離，同時調(diào)整位于中間的移動平臺向右移動L2-L1的距離，當L2-L1<0時，則為向左移動，并在移動完成后攝像頭再次檢測，根據(jù)檢測結(jié)果再做調(diào)整，直至貨車的水平線與參考水平線平行，即L1=L2=L3時，角度調(diào)整完成。

② 根據(jù)步驟(1)，將貨車移動到標準停車位置上。

4 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了一種貨車位姿調(diào)整系統(tǒng)，尤其適用于大型重載貨車的位姿調(diào)整。首先，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，指出了該系統(tǒng)的整體設(shè)計方向，繼而給出設(shè)計方案，明確設(shè)計的核心主要為位姿測量系統(tǒng)和機械執(zhí)行系統(tǒng)；其次，根據(jù)設(shè)計要求和功能需求，完成了機械執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計；最后，對位姿測量系統(tǒng)進行了研究，其中包括測量方案的設(shè)計和信息處理的原理設(shè)計。