全景影像在大馬力推土機(jī)的應(yīng)用研究

劉曰奇，黃曉婷，徐 卓，萬(wàn)光前

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

推土機(jī)在工程建設(shè)中發(fā)揮重要作用的同時(shí)，也往往伴隨著安全生產(chǎn)問(wèn)題。大馬力推土機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，整機(jī)外形龐大，因設(shè)計(jì)原因不可避免地存在視野盲區(qū)，僅靠后視鏡及現(xiàn)有視野范圍很難保證周圍安全。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，安全生產(chǎn)問(wèn)題越來(lái)越受到整個(gè)社會(huì)的關(guān)注和重視。安全施工不僅要依靠駕駛員的個(gè)人技術(shù)和安全意識(shí)，也需要提升車輛的安全設(shè)施和智能化水平。全景影像系統(tǒng)可以為駕駛員提供設(shè)備周圍影像，有效減少視野盲區(qū)，有助于提高施工安全性。近年來(lái)，全景影像系統(tǒng)在汽車上應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但在工程車輛特別是推土機(jī)上的應(yīng)用還很少。我司某型大馬力推土機(jī)配置全景影像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了推土機(jī)智能化和定制化的突破，此外該系統(tǒng)數(shù)據(jù)既能本地實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，也可實(shí)時(shí)上傳至后臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理、調(diào)控，有效提升智慧礦山的建設(shè)水平。

1 全景影像系統(tǒng)簡(jiǎn)介

全景影像系統(tǒng)通過(guò)安裝在周圍的圖像采集設(shè)備進(jìn)行圖像采集，把圖像信息傳輸至主機(jī)進(jìn)行圖像處理，最后將處理后的圖像傳輸至顯示屏上。顯示屏安裝于駕駛室內(nèi)，駕駛員通過(guò)顯示屏可直觀觀察車輛周圍情況，為安全駕駛提供便利，提高整機(jī)運(yùn)行的安全。

為得到大馬力推土機(jī)車身周圈全景環(huán)繞視圖，需在推土機(jī)上安裝圖像采集設(shè)備。圖像采集設(shè)備一般為不同類型攝像頭，常見(jiàn)的有平角攝像頭、廣角攝像頭。魚眼攝像頭是一種焦距短，視角大的廣角攝像頭，優(yōu)點(diǎn)在于超大的視角，可包含更大的場(chǎng)景范圍，但也存在采集的圖像嚴(yán)重畸變的缺點(diǎn)，該畸變圖像不符合正常的視覺(jué)習(xí)慣，需要進(jìn)行算法矯正。全景影像系統(tǒng)的方案流程如圖1 所示。

圖1 全景影像系統(tǒng)方案流程圖

2 大馬力推土機(jī)視野分析

司機(jī)視野直接影響車輛主動(dòng)安全性，是整車總布置及造型設(shè)計(jì)要始終關(guān)注的基本方面。本文采用CREO 中的Manikin 模塊，人體模型選擇ISO 3411 男性5%、50%、95%人體，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16937-2010《土方機(jī)械 司機(jī)視野 試驗(yàn)方法和性能準(zhǔn)則》和ISO 5006：2017 等對(duì)某型大馬力推土機(jī)進(jìn)行視野分析，該推土機(jī)外形尺寸為11.5m×5.3m×4.6m，使用重量110t。

依據(jù)GB/T 16937-2010《土方機(jī)械 司機(jī)視野 試驗(yàn)方法和性能準(zhǔn)則》相關(guān)規(guī)定，如圖2 所示，對(duì)推土機(jī)進(jìn)行12m 可視性實(shí)驗(yàn)圓視野計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算分析，實(shí)驗(yàn)眼距按205mm 計(jì)算，分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 推土機(jī)可視性實(shí)驗(yàn)的定位

圖3 大馬力推土機(jī)12m實(shí)驗(yàn)圓遮影圖

根據(jù)分析計(jì)算可知，遮影范圍主要有前機(jī)罩和駕駛室A 柱、駕駛室B 柱、防翻滾架以及駕駛室C 柱，其中前機(jī)罩和A 柱12m 實(shí)驗(yàn)圓上遮影寬度較大，視野區(qū)域A 遮影寬度約為6 000mm；視野區(qū)域B、C 范圍內(nèi)，左右B 柱遮影寬度約為800mm；防翻滾架遮影約為900mm；左右C 柱遮影范圍較小，可忽略不計(jì)。

由于大馬力推土機(jī)外形尺寸較大，前機(jī)罩在推土機(jī)1m 距離處遮影較大。其他方向視野情況較好，后側(cè)可直接觀察到松土器齒尖，兩側(cè)可直接觀察到履帶以及推土機(jī)鏟刀刀角，工作裝置視野情況較好，司機(jī)可觀察推土機(jī)工作裝置的工作情況。

綜上所述，大馬力推土機(jī)工作視野良好，受限于車體尺寸，前方視野及防翻滾架兩側(cè)區(qū)域周圍環(huán)境存在視野盲區(qū)，存在安全駕駛隱患。

3 全景影像系統(tǒng)在大馬力推土機(jī)上的應(yīng)用

全景影像系統(tǒng)一般需要多個(gè)攝像頭協(xié)同采集圖像數(shù)據(jù)，為滿足系統(tǒng)的需求，同時(shí)盡量減少系統(tǒng)復(fù)雜性，本文采用4 個(gè)視角為180°魚眼攝像頭，分別安裝在推土機(jī)四周，用于采集推土機(jī)周圍區(qū)域的圖像信息，如圖4 所示。左右鏡頭視角與車身平行；前后鏡頭視角與車身垂直。

圖4 鏡頭安裝示意圖

全景影像系統(tǒng)需要對(duì)攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：畸變矯正、俯視投影變換、圖像配準(zhǔn)以及圖像融合等運(yùn)算，系統(tǒng)須具備強(qiáng)大的計(jì)算處理能力、優(yōu)良的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)。采用HI3521 系統(tǒng)為核心，主要包括：電源模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊、協(xié)同處理模塊、存儲(chǔ)模塊以及CAN 通信模塊等。

圖5 是采集的4 幅魚眼圖像。得到魚眼圖像后對(duì)其使用標(biāo)定方法進(jìn)行圖像矯正。本文采用調(diào)試布坐標(biāo)點(diǎn)方式進(jìn)行圖像矯正，調(diào)試布規(guī)格：大黑格1×1m，棋盤小黑格0.2×0.2m，調(diào)試布放置示意圖如圖6 所示。

圖5 魚眼鏡頭采集圖像

圖6 推土機(jī)調(diào)試布示意圖

經(jīng)圖像融合，選取適當(dāng)范圍的圖像作為俯視圖像，將推土機(jī)整機(jī)三維模型置于圖像中心，即得到了推土機(jī)全景效果圖，如圖7 所示。整機(jī)實(shí)際使用時(shí)，顯示屏顯示區(qū)域分為兩部分，左側(cè)顯示整機(jī)俯視圖，右側(cè)顯示車輛正前方視圖。同時(shí)系統(tǒng)支持CAN 協(xié)議，通過(guò)CAN 總線的輸入信號(hào)來(lái)控制圖像采集、圖像處理以及圖像顯示模塊的工作狀態(tài)，如當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到CAN 總線的R 檔信號(hào)，顯示屏右側(cè)視圖自動(dòng)切換至后方圖像。

圖7 圖像矯正拼接后圖像效果

限于推土機(jī)的外形尺寸及前、后工作裝置的工作特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)整機(jī)完全成像，滿足全景影像拼接效果，推土機(jī)駕駛員視野盲區(qū)未完全消除。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，盲區(qū)范圍：前方鏟刀正前約3m，左右兩側(cè)刀角至履帶寬度約0.7m，松土器正后約1.5m。與未安裝全景影像系統(tǒng)相比，司機(jī)視野盲區(qū)范圍明顯減小。

經(jīng)推土機(jī)在礦山工作中實(shí)際測(cè)試，全景影像系統(tǒng)顯示效果良好，無(wú)明顯拼接痕跡，整體亮度均衡，且視頻輸出穩(wěn)定，達(dá)到25 幀/s，左右轉(zhuǎn)向及前進(jìn)后退切換時(shí)，視頻顯示無(wú)明顯延遲和卡頓，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性良好，滿足實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，大馬力推土機(jī)施工過(guò)程中，如何應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下人員或工程車輛靠近及避免碰撞的發(fā)生，是施工方和設(shè)備廠商亟須解決的問(wèn)題，研究全景影像系統(tǒng)在大馬力推土機(jī)上的應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義。大馬力推土機(jī)配置全景影像系統(tǒng)，為駕駛室實(shí)時(shí)呈現(xiàn)推土機(jī)周圍360°環(huán)境影像，可明顯減小視野盲區(qū)，提高施工安全性。