激光掃描測距和視頻圖像處理下的集卡定位方法

陳翔

當代對于檢測港口集裝性卡車位置的嚴謹性要求，不僅需要將圖像呈現得更清晰，還要做好細微之處的處理，利用激光掃描測距和視頻圖像處理相結合，排除周邊環境的干擾，定位港口集裝箱卡車的位置。通過圖像處理的方式，計算出集裝箱體之間的距離與夾角，確保集裝箱卡車停車及預調雙吊具的狀態。通過這樣的方式，加快裝卸速度，提高了港口運行效率。

隨著我國現代化進程腳步的加快，運用集裝箱進行運輸已成為經濟、快速的物流運輸重要方式。面對多家物流運輸競爭的形式，想在物流行業中脫穎而出，就需要不斷提升貨運速度，降低運輸成本。特別是碼頭集裝箱吞吐量極多，需要運用吊箱的運輸方式提升港口運轉效率，而吊箱作業的效率正是港口運轉效率的重要標志。這里面所說的吊箱，就是通過岸橋將不同規格的集裝箱從貨船上吊裝到集裝箱卡車上，或者從集卡的集裝箱吊裝到其他的貨船中。岸橋操控員如果能快速對準集卡司機的停車位，迅速進行對集裝箱的裝卸操作，就可以有效提升運轉效率。

在我國眾多港口之中，多數的集卡定位依舊引用傳統的人工定位方式進行岸橋作業。而少數的港口已經突破傳統，引用新的定位方式。如：

傳感器定位法，通過無線傳感器對場地內定位節點進行定位，利用無線通信技術，對其定位節點與信標節點的距離進行計算，計算出自身的三維坐標信息進行錄入，并將具體的參數發送給后臺主機，通過主機將信標節點內容傳輸過去。引用該方式的前提，需要大量的固定通信節點，同時，每個集裝箱上都需要安裝傳感器，這樣的成本較高，而且還會因為傳感器眾多的原因，無法計算吊箱時的集裝箱的角度與多個集裝箱間的距離。

單視頻圖像定位法，利用圖像獲取集裝箱及運送車的位置圖像，經計算機處理與計算后，通過安裝在岸橋上集卡定位顯示板中的提示，了解集裝箱集體位置。這時再將信息通知給集卡司機，調整車身位置，進行吊箱作業。然而，這樣的方式，對于環境及天氣要求極高，特別是當天氣環境較為惡劣時背景光線會變得極為復雜，有關的處理結果將無法達到實際的精度，對箱體進行測試，反而給吊箱作業帶去更多操作上的困難。

單激光測距掃描定位法，則是利用激光對岸橋多車道中的不同規格的集裝箱、集卡進行舉例測試與定位，通過顯示屏對照相應的集卡信息，并將有關信息傳輸給集卡司機，使集裝箱與集卡平板車對位，通過這樣的方式實現精準定位。但實踐起來，也有一定的前提條件，需要在車上安裝發射裝置，若當前的車位空車，將無法識別集裝箱個數，將不能依照計算的內容偏移不同的集裝箱。

GPS技術，就是在不同的集卡中裝好GPS定位器，利用GPS信號進行定位，幫助操作員更快捷地吊箱作業。但這類操作易受岸橋遮擋，不僅成本高且無法計算集裝箱體的偏差角及箱子的個數。

根據上述方式的總結，當前的集卡定位方式無法解決集裝箱偏移、箱距與定位問題。也就是說，利用上述方式進行吊箱作業，無法得到快速、準確的操控。基于上述的方式，提出激光測距與圖像處理相結合的方式，為了吊箱作業提升運轉效率。

基于上述的方式的優缺點，利用激光測距與圖像處理的優勢對兩者進行結合處理。一般岸橋工作區中有6條車道，正常的運輸中，1-2條車道可以正常使用。本方法是將2個激光掃描器安裝在高精度伺服電機驅動上，這樣就是為了方便在運行動態時，可以自行選擇掃描的區間，并根據掃描情況，在岸橋左右各安置一個高清的攝像頭。通過這樣的方式，使激光測距和圖像處理對集裝箱位置進行實時的計算，通知岸橋操作員對集裝箱位置的掃描，了解該貨物是否到達準確位置，減少裝卸等待的時間。同時，通過圖像處理中的攝像機，進行計算，分解出集裝箱的偏移角度與箱距，吊具狀態調整等提供數據，更便于操控。

（一）工作流程

建立岸橋的三維坐標系OXYZ，計算攝像機C1、C2的數據參數;

集卡行駛到攝像區域內后，進行運動區域的參數收集，利用上述的方式，得到具體的數據參數，掌握到集卡所在車道號。若所處環境較差，無法提供精準的參數，就要利用激光測距的方式，掃描車道區域，獲得相應的車道號;

同時要做好對激光測距儀的控制與調整，在集卡進入相關車道后，進行掃描與抓拍，不斷更新相關的坐標參數;

做好激光測距點的極坐標參數，通過改數據與集裝箱中的坐標進行復位;

根據集裝箱的邊緣進行再次抓拍，與上述抓拍圖片最對比，參考上述的集裝箱位移像素，再根據一開始的參數內容，得出位置差;

通過不斷修正激光掃描和圖像處理所得到的位置信息進行集卡停車位的預判，在通過LED屏了解集卡當前位置，進行最終的位置確認;

最后利用圖像處理技術，將箱距和雙箱之間夾角參數匯總，傳輸到PLC中，做最終吊箱位置的調整;

（二）關鍵技術

本文設計方法是通過岸橋直角坐標系統R（OXYZ）、激光掃描極坐標系統 P（ρ，θ）和視覺定標圖像坐標系統 I（U，V），以幾何變換的方式進行計算，通過攝像機標定技術，對激光掃描、集裝箱圖像的邊緣檢測等內容進行精準匹配，最終，通過攝像機標定技術計算，是當前的邊緣處理得的更精準。

特別是激光二維掃描至三維還原技術的運用，當集卡進入掃描區后，對伺服電機固定位進行前后掃描，計算每次掃描中，集裝箱呈現出的不同坐標。根據坐標差進行二次固定與掃描。若坐標值小，集卡運動速度就會變慢，甚至停止。轉動伺服電機，集卡進行左右掃描，設置每次旋轉角度為0.5 度。從左到右依次掃描，大概可以掃描到20條線。經過2次掃描，可以掃描到80條掃描線。由掃描線進行計算，不斷將集卡的邊緣坐標位置與中心坐標位置相匹配，利用建模的方式，對中心位置坐標與準確的標準值相比較，若位置呈現的誤差，需要通知集卡司機停車，通知岸橋操作員停止激光掃描。

（三）數據修正和融合

集卡向正確位置移動是，其激光掃描所得的位置與實際坐標位置有一定的偏差。為得到更精準的位置坐標，需利用圖像標定技術對坐標值進行修正，減小誤差的出現。在激光掃描時，進行抓拍，這樣在掃描數據過程中，就會出現集卡中心位置坐標，再利抓拍圖片。將視覺標定技術所得的圖片，進行比對，找準兩張圖片中集卡邊緣角點的實際坐標值，進行差值換算，而得到的差值，就是實時坐標位置的值。

在三維建模時，利用激光掃描所得到的值與視覺標定所得到的值進行前后邊緣比對，這個值就是集裝箱的邊緣的值。而利用激光左右掃描集卡，所得到的值就是集卡前后邊緣的坐標點，通過該邊緣向，得出前后邊緣的計算方式。再通過視覺標定技術，對集卡四個邊緣角點進行坐標值的估算，所得到的集卡邊緣線極為計算左右的方程。通過四條邊緣線方程計算法對建模集卡表面的型號做出判斷，其參數既為實際參數。

（四）集裝箱位置坐標的修正

在對集卡車距離進行掃描時，位置較遠其處理激光掃描點需要根據坐標軸進行轉換，計算集裝箱邊緣坐標。同時，集卡在運動過程中，需要計算出當前坐標位置與集裝箱的實際坐標位置，當偏差很大時，需要對此進行重新掃描。在進行掃描過程中，需要告知集卡司機車輛當前的位置，并利用集裝箱中心的位置進行坐標的確立，方便集卡進入車道。同時利用攝像機C1、C2進行同時抓拍。抓拍集裝箱圖片。其中，對于集裝箱邊緣中心的實際坐標計算方式可用（x1v1=1）進行計算。當從激光掃描點計算出集裝箱坐標后，再對集裝箱進行抓拍，此次集裝箱邊緣的中心坐標計算方法為（x2y2=2）。在計算中，需考慮運動區域的X、Z坐標對位置的修正影響。一般情況下考慮集裝箱距離與岸橋吊具的前后位置差即可，其位置偏差計算方式為：△d=△y=y2y1，集裝箱中心的當前的坐標修正為：vn+△d對比吊具中線的坐標（已知），判斷卡車是否需要移動以及移動的方向（向前或者向后）和距離并通知卡車司機。同時計算運動方向的偏移角度（與y軸夾角）：6= actg（x2-x|bvx-1D（ actg為反正切函數）。

集卡定位是一個動態過程，需要對集卡的實時坐標位進行計算，這樣才能便于岸橋操作員掌握實體的岸橋數據，提高定位速度，加快裝卸率。在實際的運行過程中，在集卡司機配合下，利用本方法進行定位，在340毫秒就對集卡進行準確定位，同時，單次裝卸過程時間縮短了40%-50%，大大提高了集裝箱的裝卸效率。

經實驗表明，利用激光掃描測距和視頻圖像處理下的集卡定位，其實踐方式較為簡單，花銷成本適中，擴展性強、功能性大，在實際的岸橋吊箱作業過程中，解決很多貨運運輸中的問題，滿足客戶的實際操作需求。

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