基于機(jī)器視覺的岸橋集卡定位系統(tǒng)探討

于代成 吳逸霏

摘要：當(dāng)下經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其是在國(guó)內(nèi)外港口自動(dòng)化智能化的要求下，岸橋集卡定位系統(tǒng)也逐步取代了以往以人為主的對(duì)位方式。同時(shí)，岸橋集卡定位系統(tǒng)也不存在像激光雷達(dá)、GPS、電磁定位等自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用范圍窄、技術(shù)成本高、操作難度難等弊端，能直接有效的以當(dāng)下的技術(shù)手段進(jìn)行延伸用較低的成本解決上述集卡定位難的問題。而且，基于機(jī)器視覺的岸橋集卡定位系統(tǒng)既能準(zhǔn)確確定集卡定位點(diǎn)、工作區(qū)域車道等要素，還能同時(shí)對(duì)多點(diǎn)、多區(qū)域進(jìn)行同步定位，高效智能的規(guī)劃安排了裝卸工作，有效提升了裝卸效率。本文主要探討了機(jī)器視覺技術(shù)在集卡定位系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)思路、應(yīng)用設(shè)計(jì)、操作流程和工作特點(diǎn)等基礎(chǔ)信息，目的在于為岸橋集卡定位系統(tǒng)開發(fā)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺技術(shù);岸橋集卡定位;智能化;自動(dòng)化

引言

科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，很多機(jī)械設(shè)備已經(jīng)在仿真擬人科技方面有了突破性的進(jìn)展，一部分科技人員通過模擬人的思路構(gòu)成思想的形態(tài)，也就是人工智能。而且在其中很關(guān)鍵的一部分就是對(duì)人的器官進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)、研究。目前，機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于完善，目前的模擬仿真重點(diǎn)就是人眼研究，也就是延伸出的電子攝影機(jī)、照相機(jī)等基礎(chǔ)科技產(chǎn)品的再創(chuàng)造。雖然攝影機(jī)、照相機(jī)已經(jīng)能夠勝任信息收集、分類的進(jìn)程，但是在信息的處理、分析方面還是有許多可突破的點(diǎn)的，本文就主要探討了機(jī)器視覺在岸橋集卡定位系統(tǒng)方面的應(yīng)用特點(diǎn)。

一、機(jī)器視覺技術(shù)特點(diǎn)

近幾年，智能視覺系統(tǒng)逐步進(jìn)入了車輛定位的操作系統(tǒng)中，并取得了一些進(jìn)展。Ahmed根據(jù)即時(shí)的路況AVI視覺數(shù)據(jù)，利用貝葉斯更新框架即時(shí)作出交通規(guī)劃，進(jìn)而推測(cè)交通事故的發(fā)生概率。數(shù)據(jù)表明，這種方案對(duì)追尾事故的預(yù)測(cè)正確率到了75.93%，對(duì)車輛碰撞事故的預(yù)測(cè)正確率為72.92%。而元海文、肖長(zhǎng)詩等人應(yīng)用單目視覺檢測(cè)車輪來定位車輛[1];YCai則應(yīng)用單目和雙目視覺來跟蹤車輛[2]。但是，這兩種應(yīng)用手段都不能及時(shí)判斷集卡工作狀態(tài)、工作區(qū)域情況，很難應(yīng)用在環(huán)境極度復(fù)雜的港口集裝箱領(lǐng)域。

機(jī)械視覺技術(shù)是信息技術(shù)的一種，它是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理算法、人工智能、機(jī)械自動(dòng)化、光學(xué)以及仿真學(xué)等學(xué)科共同構(gòu)成。機(jī)械視覺主要就是由計(jì)算機(jī)模擬人的眼睛，由此得到所視物體的相關(guān)信息和所處環(huán)境相關(guān)信息，進(jìn)而完成機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)。利用視覺引導(dǎo)系統(tǒng)來擬真人的眼睛和大腦對(duì)信息的交流，以此來對(duì)所視物體進(jìn)行分析，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)人眼視覺的解放和擴(kuò)充。而且，機(jī)械視覺在精度、穩(wěn)定度、安全度、記錄廣度上都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于人眼視覺，機(jī)械視覺還有著更全面的資源校正機(jī)制。在重復(fù)、機(jī)械、高精度、高強(qiáng)度的工作環(huán)境中，機(jī)械視覺有著更為寬廣的前景。所以，在環(huán)境復(fù)雜、應(yīng)用強(qiáng)度高的港口，岸橋集卡的定位最好應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)做技術(shù)支持。

二、岸橋集卡定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

以往集卡定位都是以電射雷達(dá)、紅外傳感等技術(shù)為依托，應(yīng)用成本價(jià)格居高不下，而且缺點(diǎn)很多，主要有以下幾點(diǎn)：

（一）不能分辨車輛運(yùn)動(dòng)軌跡。

（二）不能實(shí)現(xiàn)多車道即時(shí)工作。

（三）工作進(jìn)程里不允許無關(guān)車輛、人員、物件入內(nèi)，不能確定運(yùn)動(dòng)物件和集卡的關(guān)系。

因以上缺點(diǎn)急需解決，且岸橋環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜、即時(shí)操作要求難度大，本文就基于機(jī)器視覺的岸橋集卡定位系統(tǒng)進(jìn)行探討。這套系統(tǒng)對(duì)集卡的定位是由背景搭建算法來實(shí)現(xiàn)，將即時(shí)視覺圖像與背景作出比較，劃分卡車的概率區(qū)域，詳細(xì)操作如下：

（一）背景搭建：先將操作環(huán)境的RGB圖像灰度轉(zhuǎn)換，在利用高斯混合模型來進(jìn)行背景搭建。以現(xiàn)實(shí)應(yīng)用狀況考慮，精確的背景搭建直接決定其定位精度。所以，針對(duì)IMBS背景減除進(jìn)行了優(yōu)化，也就是對(duì)部分暗面進(jìn)行矢量排除，完成了中高速下的岸橋背景提取。將原算法和優(yōu)化后的進(jìn)行比較，例如兩輛集卡之間經(jīng)過原算法處理之后存在連通背景搭建，然而采用以背景搭建色調(diào)比對(duì)分析的改進(jìn)方法，造成聯(lián)通的暗面搭建能夠被有效消除掉。因此，這種更新的方法能夠更精確地提取和計(jì)算出目標(biāo)輪廓。對(duì)每一個(gè)提取到輪廓的車輛輪胎進(jìn)行背景搭建，以此得到準(zhǔn)確的輪胎位置，并作為集卡在車道上的背景位置。

（二）背景排除：背景排除即排除很多不在目標(biāo)集卡的小圖像塊。在正常排除時(shí)，不在目標(biāo)集卡的小圖像塊也會(huì)出現(xiàn)在圖像中，這是因?yàn)榘l(fā)生了圖像塊聚類。所以，為得到集卡的正確位置，要在系統(tǒng)中篩選連通域的長(zhǎng)、寬、高、體積以及白色像素占比等參數(shù)。這里，設(shè)置中高速下的連續(xù)背景，并進(jìn)行測(cè)試：將ROI背景搭建的集卡作分析對(duì)象，逐一定位車輛目標(biāo)在背景中的位置，即現(xiàn)實(shí)相對(duì)定位。一般來說，每個(gè)車輛的輪胎背景搭建結(jié)果都不相同，再進(jìn)行視覺單應(yīng)性平面投影變換處理，就能獲得相應(yīng)的空間位置。所以背景排除不但實(shí)現(xiàn)了集卡的現(xiàn)實(shí)定位，同時(shí)也能判定出集卡的車型、尺寸、速度、與車道間的偏角等車況信息。也就是說，這就能在多車道定位時(shí)在每一輛集卡定位的過程中互相作為背景，能夠逐一、準(zhǔn)確的確定到每一輛集卡的位置。

三、岸橋集卡定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

CPS是LED引導(dǎo)顯示屏、計(jì)算服務(wù)器、集卡定位相機(jī)。

（一）引導(dǎo)顯示屏設(shè)計(jì)

顯示屏屏幕高度可調(diào)，默認(rèn)以集卡司機(jī)視線高度為準(zhǔn)，一般安置于海陸側(cè)側(cè)底梁兩側(cè)，視線距離不低于20m。

顯示項(xiàng)目包括但不限于：拖車司機(jī)前/后調(diào)整提示，CPS待命，拖車作業(yè)車道號(hào)，拖車到位和駛離提示，拖車調(diào)整距離值，集卡車道偏角，CPS故障等信息。

畫面顏色：車道號(hào)（黃色）、偏移距離（紅色）、方向信號(hào)（綠色）、停車信號(hào)（紅色）。

LED集卡引導(dǎo)顯示屏提供引導(dǎo)定位信息給集卡司機(jī)。

（二）CPS計(jì)算服務(wù)器設(shè)計(jì)

CPS服務(wù)器進(jìn)行與岸橋的信息交流，以采集的視覺圖像流即時(shí)分析集卡位置狀態(tài)。CPS服務(wù)器一般安置于電氣房，是岸橋集卡定位引導(dǎo)系統(tǒng)的核心。

（三）集卡定位相機(jī)設(shè)計(jì)

兩個(gè)集卡定位相機(jī)能夠即時(shí)采集雙向多車道的集卡作業(yè)視覺圖像流。為了達(dá)到定位精度的標(biāo)準(zhǔn)，集卡定位相機(jī)安置于岸橋中間車道的橫梁，且僅照射1～2條作業(yè)車道，首先保證集卡定位的準(zhǔn)確性。

四、岸橋集卡定位系統(tǒng)運(yùn)行流程

CPS系統(tǒng)運(yùn)行流程：指令發(fā)送、集卡駛?cè)?、集卡定位、顯示屏引導(dǎo)、集卡到位、開始裝卸。具體流程如下。

（一）指令發(fā)送：岸橋和集卡司機(jī)作業(yè)開始，根據(jù)CPS系統(tǒng)指令（由TOS系統(tǒng)發(fā)送）去往指示岸橋位置及車道作業(yè)。

（二）集卡駛?cè)耄杭ㄋ緳C(jī)到達(dá)指示車道后，查看車頭面岸橋引導(dǎo)顯示屏，岸橋引導(dǎo)顯示屏信號(hào)指示燈變綠后，集卡向岸橋底部出發(fā)。

（三）集卡定位：集卡到達(dá)CPS覆蓋區(qū)域，定位相機(jī)即時(shí)采集視覺圖像流發(fā)送到CPS服務(wù)器中并進(jìn)行視覺圖像流分析。搜索到運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，啟動(dòng)判定功能，初步判斷運(yùn)動(dòng)物體是否為集卡。當(dāng)初步判斷運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為集卡，啟動(dòng)集卡精確定位，設(shè)定集卡的準(zhǔn)確車道位置。

（四）顯示屏引導(dǎo)：視覺圖像分析后，岸橋集卡引導(dǎo)顯示屏即時(shí)顯示涉及到的集卡的位置信息，并顯示行駛中的集卡位置。

（五）集卡到位：集卡司機(jī)在位置狀態(tài)顯示屏指示下操作集卡到達(dá)指定位置，這時(shí)指示燈變綠。位置狀態(tài)指示燈由紅色變?yōu)榫G色，且唯一距離顯示為“00”時(shí)，集卡成功到位。

（六）開始裝卸：岸橋司機(jī)根據(jù)司機(jī)室集卡到位指示燈可以判斷集卡是否到位到可以作業(yè)位置。指示燈變紅則說明集卡未到位，指示燈變綠則說明集卡已就緒，可正常作業(yè)。

五、結(jié)束語

目前人工引導(dǎo)和機(jī)械自動(dòng)化集卡定位在集卡定位中有許多缺陷，主要集中在定位方式的不智能上。本文對(duì)集卡定位的機(jī)器視覺解決方案作出了基本表述，也就是以集卡定位相機(jī)為基礎(chǔ)，由采集到的視覺圖像流來分析出集卡車頭的面向和準(zhǔn)確位置，而且集卡的位置數(shù)據(jù)還將即時(shí)分布在現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)屏幕，以此來指示集卡司機(jī)精準(zhǔn)停靠在準(zhǔn)確位置。CPS系統(tǒng)避免了人工引導(dǎo)的費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不需要高經(jīng)驗(yàn)高強(qiáng)度的指揮人力，極大降低了原有機(jī)器視覺技術(shù)的成本，提升了集卡定位系統(tǒng)的作業(yè)精度，對(duì)岸橋作業(yè)的效率提升不言而喻。各國(guó)都極度重視機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展研究，并投入大量資源、人力來搜集數(shù)據(jù)、建立模型、案例分析、智能制造。目前看來，這項(xiàng)技術(shù)不能局限于簡(jiǎn)單的采集數(shù)據(jù)、分析處理以及結(jié)果判定，自動(dòng)化、智能化、開放化、高效化是機(jī)器視覺的發(fā)展優(yōu)勢(shì)也是機(jī)器視覺未來的發(fā)展方向，持續(xù)對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行投入、開發(fā)、應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)智能化的前提。

參考文獻(xiàn)：

[1]元海文，肖長(zhǎng)詩，修素樸，等.基于單應(yīng)性平面投影的高速車輛檢測(cè)與定位方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2017，41（1）：76-81.

（作者單位：上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司）