基于機器視覺的貨車位姿調整系統設計

曹沖振， 曹美慧， 王鳳芹， 王晶蕊， 梁世友

(1 山東科技大學 交通學院， 山東 青島 266590； 2 山東科技大學 機械電子工程學院， 山東 青島 266590)

0 引 言

在物流領域裝卸活動是反復出現和進行的，每次裝卸活動都要花費很長時間，所以提高裝車速度往往成為決定物流速度的關鍵[1]。自動化裝車系統作為出庫裝車的設備之一，能夠起到提高裝車效率、降低人工成本的作用。因此，近幾年國內外裝車系統相關的研究越來越多，裝車方案的研究主要包括：裝車系統與生產線直接相連，待裝貨車輛停靠裝車區域后，裝車系統自動測量車體位置，然后依靠多種技術，基本實現物料的全自動化裝車，在停車時，尤其對于車體較長，體積較大的貨車，人工停車難度大，位姿調整損耗時間長，大大降低了自動化撞車的效率。

基于國外碼垛機器人的應用經驗，徐東等人[2]研究開發了一套適用于集裝箱的自動裝車系統，該方案利用視覺系統測量車廂體內部長寬高等尺寸數據。為了配合自動裝車設備工作，方便貨車位姿的調整，陳顯龍等人[3]設計了一套激光雷達測量車廂尺寸的方案。車廂測量系統由2個激光雷達組成，分別測量貨車的寬度、高度，以及車廂長度信息。

以啤酒行業為背景，在2017年，中國人均啤酒消費量達到34升/年，遠超世界平均水平[4]。伴隨著啤酒市場的擴大，各啤酒生產企業之間的競爭也日趨激烈[5]。為了搶占市場，獲得較高的利潤，各啤酒生產企業除了在技術領域不斷創新以外，還可以從其他方面提高周轉效率，在激烈的行業競爭中取得先機，如：啤酒運輸、儲存、出庫等方面，尤其是出庫問題。對于啤酒生產企業來講，成品啤酒出庫速度的快慢，直接影響企業的效益。

本文研究了一種機器視覺的貨車位姿調整系統方案，用以解決人工駕駛停靠位置不精確的問題。根據現有資料，設計測量系統與機械執行系統，并利用SolidWork進行建模，呈現三維可視化展示。

1 整體方案設計

1.1 系統需求分析

在快速裝車系統方案中，由于輸送線和裝車設備的位置相對固定，且車廂內需要碼放2列托盤，車廂寬度裕量很小，因此貨車與裝車設備的相對位置應保持一致且角度偏差在合理范圍之內。但是在實際操作中，由于車輛長度較長，駕駛員駕駛車輛停靠的位置和角度無法滿足裝車需要，往往需要進行多次調整，麻煩且浪費時間。因此，有必要借助相關設備對貨車位姿進行調整。

貨車位姿調整的作用是調整貨車與裝車設備之間的相對位置應保持一致且角度偏差在合理范圍之內。

由上述分析可以看出，貨車位姿調整系統的作用是改變貨車當前的位置和角度，將位姿調整在理想的范圍內。具體工作內容主要包括：

(1)貨車停穩后，對貨車進行位姿的檢測，判斷停靠的位姿是否符合裝車要求；如果位姿不滿足裝車要求，則需要對獲得的停車位姿進行對比計算，最終得出調整距離，并由貨車位姿調整系統調整貨車位置和角度。位姿調整結束后，要再次進行位姿檢測，并判斷當前位姿是否已經符合要求，若不符合要求，重復上述調整過程，直至位姿處于合理范圍之內。

(2)伸縮裝車機在車廂內裝完第一列貨物后，貨車位姿調整系統需要把貨車車廂位置橫向調整一個托盤的寬度，使伸縮裝車機能夠裝載第二列貨物。

1.2 整體方案介紹

根據設計要求和貨車位姿調整功能需求，本課題設計的貨車位姿調整系統整體方案三維圖如圖1所示。

1-貨車位姿信息處理系統； 2-機械執行系統； 3-電控柜

該系統主要由貨車位姿信息處理系統、機械執行系統以及電控柜組成。其中，位姿測量裝置利用機器視覺的原理，采用CCD攝像機作為測量元件捕捉貨車位姿的電子圖像，電子圖像將傳輸給計算機，系統利用圖像處理技術，對圖像進行分析，提取出有用數據[6]。機械執行系統，主要由多組移動平臺、液壓缸、以及鋼輪和導軌組成，在移動平臺時帶動停放在其上的貨車，調整貨車位姿。

工作流程：貨車停穩后，對貨車進行位姿的檢測，檢視其停靠的位姿是否符合要求(是否達到要求)，如果位姿不滿足裝車要求，需要上位機進行有關處理后將需要調整的信息發送給相應的電控柜，并由機械執行部分調整貨車位置和角度，調整結束后，需要再次進行位姿檢測，重復上述的命令，直至貨車位姿符合標準。

2 機械執行系統設計

2.1 功能要求分析

在本文中，該部分的主要作用是執行調整命令，調整貨車位姿。針對整托啤酒的裝車過程，本機械執行系統的設計要求主要包括以下兩點：

(1)該裝置能夠承載滿載貨車的重量。

(2)對貨車的位姿進行精度較高的調整，既可以實現貨車在橫向方向上的調整，也可以實現貨車角度的調整，使貨車位姿能夠滿足裝車需要。

2.2 方案設計

在本文中，該部分的主要作用是執行調整命令，調整貨車位姿。機械執行系統方案擬采用將貨車車廂平移的方式調整其位姿，故考慮在貨車下安裝移動平臺。為實現調整貨車停靠角度的功能，設計3組移動平臺，分別置于貨車的3組車輪下。

具體方案如下：機械執行系統主要由液壓缸、移動平臺、導軌和鋼輪組成。其中，移動平臺位于地面的3個凹坑內，3組移動平臺之間的距離分別與貨車的3組車輪之間的間隔相對應；每個移動平臺上裝有6個鋼輪，分別安裝在移動平臺的兩側；液壓缸的數量為3組，3組液壓缸位于移動平臺的同一側，分別用于驅動3組移動平臺的運動。凹坑內鋼輪下方設置有導軌，鋼輪沿導軌滑動實現移動平臺的橫向移動。利用SolidWork進行三維建模，如圖2所示。

圖2 移動平臺布置圖

2.3 機械執行系統原理

(1)水平位置調整：3組移動平臺同時進行等距移動。

(2)角度調整：根據角度偏差方向決定各移動平臺的運動方向，通過3組平臺的組合運動來達到調整貨車角度的功能要求，如圖3所示。圖3中，實線代表貨車，虛線代表移動平臺。

圖3 貨車位姿調整具體過程

Fig. 3 Specific process of position and posture adjustment of freight cars

3 貨車位姿信息處理系統設計

3.1 系統方案設計

貨車位姿信息處理系統由2個相互連接的CCD攝像機、圖像采集卡、電控柜和計算機組成，地面畫有標準停車位姿的標志線，2臺攝像機分別設置于標準貨車車位標志線長度方向的三等分點，獲取的2張照片拼接后形成完整貨車位姿圖片；PC機與電控柜連接，電控柜與3組液壓缸的發動機連接，電控柜接收PC機發出的液壓缸啟停信號，通過控制通電情況來確定每個液壓缸的啟停，從而控制移動平臺的啟動時間與移動距離。

3.2 位姿信息處理原理

位姿信息處理系統通過攝像機獲取貨車位姿圖像，經過圖像處理獲得車身三維點云數據，上位機將三維點云數據進行處理，主要包括建立被測對象的數學模型、坐標系轉換、點云數據預處理等。上位機計算貨車當前位姿信息與預先設定的標準值的偏差，通過算法計算可以得到3塊移動平臺的調整距離，利用計算機算法將調整距離轉換為液壓缸的工作時間，將液壓缸的工作時間信息發送至電控柜，由電控柜控制液壓缸的啟停，機械執行系統執行位姿調整命令將貨車位姿修正。具體步驟如下：

圖像處理系統獲得貨車位姿點云圖，見圖4左側圖。隨后，運用卡爾曼算法進行圖像邊框處理，得到貨車的實際位姿見4右側圖。

圖像處理系統根據貨車的實際位姿輪廓的頂點位置，生成中心線，將生成的中心線與系統中的標準貨車的參考中心線作對比，如圖5所示。

圖4 貨車位姿點云圖處理

Fig. 4 Cloud image processing of location and posture points of freight cars

圖5 貨車位姿信息提取示意圖

Fig. 5 Schematic diagram for extracting position and posture information of freight cars

2條中心線的夾角為貨車的角度偏差θ，3組移動平臺的中心線分別與2條中心線相交，被截取的距離記為L，則從前至后依次記為L1，L2，L3，并以液壓缸向外推的方向為正方向，即L在參考中心線以左為正數，以右為負數。

(1)當L1=L2=L3時，即2條中心線平行，不需要調整角度，則3組液壓缸同時動作伸長，或縮短相同的距離，將貨車移動到標準停車位置上。

(2)當貨車位姿的角度不標準時，即θ不等于零時，采取先調整角度再調整位置的順序，即先將中心線調整至與參考中心線平行，再調整至重合，對此可表述為：

① 先固定貨車車頭不動，調整位于最后端的移動平臺向右移動L3-L1的距離，同時調整位于中間的移動平臺向右移動L2-L1的距離，當L2-L1<0時，則為向左移動，并在移動完成后攝像頭再次檢測，根據檢測結果再做調整，直至貨車的水平線與參考水平線平行，即L1=L2=L3時，角度調整完成。

② 根據步驟(1)，將貨車移動到標準停車位置上。

4 結束語

本文實現了一種貨車位姿調整系統，尤其適用于大型重載貨車的位姿調整。首先，根據系統的功能需求，指出了該系統的整體設計方向，繼而給出設計方案，明確設計的核心主要為位姿測量系統和機械執行系統；其次，根據設計要求和功能需求，完成了機械執行系統的設計；最后，對位姿測量系統進行了研究，其中包括測量方案的設計和信息處理的原理設計。