[发明专利]基于机器视觉的双集装箱定位系统

说明书

技术领域

本发明属于图像分割和模式识别领域，具体地讲是一种基于机器视觉的双集装箱定位系统。

背景技术

由于大型港口装卸容量的不断扩大，生产效率日益提高，以生产过程中物料装卸搬运费用所占比例逐渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长。起重量越来越大，工作速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。起重装卸机械已成为港口自动化生产流程中的极其的装备。对于岸桥装卸设备而言，在装卸集装箱的过程中，如何实现路径优化，准确吊装以及节省吊装时间和劳动强度，一直是大型港口装备应用过程中十分关注的一个研究课题。港口起重装卸设备的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制以及检测方法的改进。将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术、先进检测技术应用到起重机械的驱动和控制系统，实现起重设备的自动化和智能化正成为发展的趋势。

为了提高港口起重设备的工作效率、起重量等性能，各领域的最新的成果不断被采用：差动原理的应用、交流变频调速系统的应用、自动控制技术的应用以及结构力学等等，都取得了不错的效果。在集装箱的自动抓取的研究方面，一种是采用的是GPS方案，属于半自动操作，有部分工作需要人工承担；另一种是自动抓取方案则采用了激光定位或雷达探测的方案，其造价成本相当高。目前，随着信息技术的不断发展，各种新的检测技术测出不穷，人工智能理论也不断发展，因此，将这些理论与技术应用于起重设备上，在可以接受的造价之内，实现起重设备的全自动、智能化的抓箱控制完全是可能的，是能够取得具有国际水平的应用成果。

由于桥吊司机在起重机驾驶室内视场有限，现在港口装卸一般是单箱操作，即起重机一次抓起一个集装箱。双40英尺箱双小车起重机是最新出现的高效起重机，理论上每小时可卸80～100个40英尺箱，堪称世界最快的起重机，但目前基本是半自动化操作，最终是由司机分别控制两个吊具与两个集装箱的对准，其效率不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用机器视觉和图像识别技术，直接模拟人的双眼处理景物，使引导桥吊司机方便地实现双集装箱的自动定位，引导桥吊司机的对箱操作，从而大大减轻司机的疲劳，大幅度地提高工作效率的基于机器视觉的双集装箱定位系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的方法是：在现场安装高分辨相机(千万级象素)，首先对相机进行标定，即确定相机的参数，包括相机进行图象采集时的内部结构所处的状态(内部参数的确定)和相机相对于所拍摄场景的位置和方向上的关系(外部参数的确定)，然后相机采集集装箱或集卡图像，从图像中提取集装箱下抓点的图像坐标，进行目标匹配后，结合相机标定的参数结果测量两个集装箱的相对位置的精确值(距离、角度)，最后将此计算数值传送至桥吊驾驶室，结合控制室的控制与检测装置，在空中调整两吊具的相对位置，实现两吊具与集装箱在空间上的匹配，桥吊司机只需对准其中一个集装箱，另一个集装箱就自动的对准了，进而实现从单箱操作向双箱操作的转化。

本发明的处理流程分以下三个部分：

第一部分为相机标定，以设定的已知参照物为标定，并与成像单元对应，建立物点的空间三维坐标和它们在相机图像坐标的关系。由于在码头现场相机的位置是固定的，所以只需在安装完相机后对它们标定一次，在相当长的时间内，都无需再次标定。所采用的是改进的直接线性变换法，该方法计算量小，方法直接，精度高，理论上可以达到毫米级，适应现场环境。标定结果经计算机处理后储存，作为第三部分的输入值之一。

第二部分为拍摄图像中目标提取和特征点匹配，解决在各种光照条件下集装箱的提取问题，一般可根据集装箱的具体特征加以分析，如角点、直线，并建立这特征点在两CCD成像的对应关系。设计适合现场环境各种变化的方案，并保证精度的稳定，提取的特征点图像坐标储存后作为第三部分的输入值之二。

在复杂背景下，从采集的图像中提取集装箱是一个重要的过程，它直接影响后面处理的结果。如光照条件得到充分保证，集装箱区域的灰度分布较为均匀，且高于背景，对其进行提取就相对易实现。但是，集装箱装卸一般是全天候进行，其作业环境十分复杂，因此，尽管可以增加辅助的照明光源，但阳光、雨水、雾、晚上等条件下的光照还是会或多或少受到影响，因此，这些都增加了目标提取的难度。

对集装箱的作业现场进行分析，并观察实际场景下拍摄的集装箱图像，可以发现：图像中地面的灰度分布较为均匀；在光照有一定保证的情况下，集装箱上部的灰度值高而且较为均匀。集装箱为立方体，其边缘在图像中的直线特征明显，各直线间的拓扑较为明确。