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    一種基于視覺識別技術(shù)的輪胎式龍門起重機自動糾偏和防撞系統(tǒng)

    2022-07-06 13:29:10楊鄭明
    港口裝卸 2022年3期
    關(guān)鍵詞:大車防撞障礙物

    楊鄭明

    福建電子口岸股份有限公司

    1 引言

    集裝箱碼頭是水陸聯(lián)運的樞紐站,是集裝箱貨物在轉(zhuǎn)換運輸方式時的過渡和交接點,因此,集裝箱碼頭在貨物運輸過程中具有重要地位[1-3]。隨著全球貿(mào)易高速發(fā)展,貨物吞吐量持續(xù)上漲,給集裝箱碼頭帶來極大挑戰(zhàn)。不少碼頭已采用激光雷達進行輪胎式龍門起重機(以下簡稱輪胎吊)糾偏和防撞智能化改造,但根據(jù)多家企業(yè)試點使用后反饋,激光雷達存在準(zhǔn)確率低、誤報率高、成本高等問題。

    結(jié)合集裝箱碼頭堆場和輪胎吊智能化實際情況,設(shè)計了一種集自動糾偏和防撞為一體的大車智能化系統(tǒng),利用視覺識別技術(shù)將自動采集圖像進行模擬訓(xùn)練,通過TCP通信方式將結(jié)果反饋給PLC系統(tǒng),PLC系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)計的邏輯程序發(fā)出控制指令,實現(xiàn)輪胎吊自動糾偏和防撞減速/停止,對提升輪胎吊作業(yè)效率、降低安全事故風(fēng)險具有重要意義[4-5]。

    2 系統(tǒng)研發(fā)與測試

    2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

    集裝箱碼頭工作環(huán)境復(fù)雜,條件惡劣,考慮到輪胎吊自動糾偏和防撞對于通信傳輸及時性要求較高,在全面評估無線和有線的通信特點后,本系統(tǒng)全部采用有線通信方式,確保通信的穩(wěn)定性和及時性[6-8]。整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。系統(tǒng)上層由PLC和控制器組成,兩者通過TCP進行信息交互。分別在輪胎吊電池房和電器房0°兩側(cè)和90°位置安裝圖像采集器進行現(xiàn)場圖像采集,圖像采集器全部通過網(wǎng)線與交換機進行通信。同時,考慮到本系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)信息傳輸量大,為實現(xiàn)快速將圖片上傳到工控機進行存儲和分析等功能,故輪胎吊電池房和電氣房交換機采用光纖通信,將電器房側(cè)交換機和控制器用網(wǎng)線連接,實現(xiàn)采集層、通信層、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)層、控制層在系統(tǒng)上的高效協(xié)同集成。

    圖1 整體系統(tǒng)架構(gòu)圖

    2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括PLC糾偏和防撞程序設(shè)計與智能系統(tǒng)程序設(shè)計。PLC程序部分增加自動糾偏和防撞兩個功能模塊,在主模塊中分別進行調(diào)用。智能系統(tǒng)也包括自動糾偏和防撞兩個單獨子系統(tǒng)。自動糾偏方面,利用安裝在輪胎吊0°前后兩個圖像采集器,實時獲取作業(yè)區(qū)跑道前進方向的跑道線,根據(jù)行駛動力學(xué)模型得出輪胎吊運動軌跡分析表達式,結(jié)合視覺識別、跟蹤技術(shù)、跑道線魯棒檢測等技術(shù),評測實際行駛路線和預(yù)定路線偏差[9-10],結(jié)合允許距離偏差,利用最優(yōu)路徑方法和控制模型控制輪胎吊海側(cè)驅(qū)動器,實現(xiàn)輪胎吊自動糾偏。防撞方面,利用基于粗粒度動態(tài)可重構(gòu)深度學(xué)習(xí)視頻分析方法,對圖像采集器傳輸回的圖片如集卡、人、反光錐等目標(biāo)進行實時識別,如果智能系統(tǒng)在大車行進方向中檢測到10 m范圍內(nèi)存在目標(biāo)障礙物,則向PLC反饋,PLC及時發(fā)出減速指令;如果目標(biāo)障礙物出現(xiàn)在5 m范圍內(nèi),則PLC及時發(fā)出停止指令。系統(tǒng)工作流程圖見圖2。

    圖2 系統(tǒng)工作流程圖

    啟動智能系統(tǒng)后,可以分別或同時啟動糾偏、防撞功能進行作業(yè)。當(dāng)系統(tǒng)啟動時,首先檢查通信狀態(tài)和相機狀態(tài),通信或相機檢測異常PLC發(fā)出減速指令,并將通信異常信息反饋給智能系統(tǒng),智能系統(tǒng)根據(jù)反饋的信息能及時發(fā)現(xiàn)故障情況;通信正常則進入PLC與智能系統(tǒng)信息交互步驟。智能系統(tǒng)在獲取輪胎吊狀態(tài)信息后開始進行圖像采集工作,對采集的圖像進行識別、分析、存儲。

    2.3 系統(tǒng)測試

    在系統(tǒng)進行整體功能測試之前,首先要檢查PLC與智能系統(tǒng)的通信接口表和攝像機是否正常。通信接口表檢查,主要是驗證PLC與智能系統(tǒng)兩者之間通信是否正常,信息點位是否正確;攝像頭主要檢查IP配置是否正確,與智能智能系統(tǒng)通信是否正常。

    2.3.1 糾偏測試

    在進行自動糾偏功能測試之前,需要根據(jù)實際作業(yè)區(qū)跑道進行大車輪胎距離標(biāo)定(見圖3)。

    圖3 大車糾偏標(biāo)定示意圖

    以陸側(cè)為例,大車兩側(cè)輪胎中心盡量停止在跑道中心,L1與L2距離差值和L3與L4距離差值的一半都要保持在50 mm以內(nèi),且L1與L3(或者L2與L4)誤差保持在30 mm以內(nèi)。大車停正后,攝像機抓拍跑道線進行AI學(xué)習(xí)和圖像分析(見圖4)。

    圖4 大車跑道分析模擬圖

    大車以不同速度向左行駛,停止后左側(cè)輪胎離車道線中心偏差需在±50 mm以內(nèi),測試3次取平均值。同理,大車以不同速度向右行駛進行測試。經(jīng)過對不同作業(yè)區(qū)跑道左右行駛共50余次,測得大車在啟動階段偏差較大,行駛過程中不斷糾偏后,中心線逐漸調(diào)整到50 mm以內(nèi)。

    2.3.2 防撞測試

    在輪胎吊前進方向距離20 m處放置障礙物,大車以任何速度向目標(biāo)障礙物行駛,檢查輪胎吊預(yù)設(shè)置范圍內(nèi)是否能正常識別障礙物,并在距離障礙物10 m范圍內(nèi)是否減速,在5 m范圍內(nèi)是否停止。經(jīng)過實驗,智能系統(tǒng)在大車行進中能及時抓拍并識別目標(biāo)障礙物、人、集卡,并且結(jié)合大車行進方向、預(yù)設(shè)范圍將數(shù)據(jù)信息反饋給PLC。同時,智能系統(tǒng)能對采集圖像進行存儲以備后續(xù)查詢。

    2.3.3 測試結(jié)果

    對廈門某集裝箱碼頭5臺輪胎吊進行相關(guān)功能的測試,通過近1個月的試驗后,將每天現(xiàn)場測試記錄進行對比,得出以下3個結(jié)論。

    (1)從攝像機圖像抓取傳輸?shù)街悄芟到y(tǒng)圖像分析,系統(tǒng)相應(yīng)時間小于400 ms(不含與PLC通信),最大傳輸時間為380 ms,信號穩(wěn)定,且數(shù)據(jù)傳輸滿足12 h不間斷傳輸。

    (2)自動糾偏功能識別跑道距離準(zhǔn)確,輪胎吊整體偏移量小于50 mm,滿足設(shè)計要求。

    (3)防撞功能正常識別,對于人、集卡、輪胎吊等目標(biāo)障礙物誤檢率、漏檢率和識別率分別達到0%、0%和100%。

    3 結(jié)語

    利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和AI,基于視覺識別技術(shù)的自動糾偏和防撞系統(tǒng),能實現(xiàn)輪胎吊作業(yè)快速行駛,作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)障礙物立即減速/停止。該系統(tǒng)可靠性強、成本低、通信信號穩(wěn)定,具有較大推廣價值和應(yīng)用前景。系統(tǒng)未來研究內(nèi)容主要是3個方面,第一是加強不同環(huán)境條件(如陰影、油污、新老跑道線交替等)跑道的識別,不斷提高系統(tǒng)在復(fù)雜作業(yè)區(qū)的適應(yīng)性;第二是增加不同形狀擋板等障礙物的模型訓(xùn)練,拓展障礙物識別范圍;第三是提高信息安全保障能力,加強企業(yè)防火墻和設(shè)備通信端安全建設(shè),確保港內(nèi)外數(shù)據(jù)交互安全性。

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