本發(fā)明涉及集裝箱碼頭或堆場的集裝箱起重機(jī)大車定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于機(jī)器視覺的起重機(jī)大車方向精確定位系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)物的特征，進(jìn)而識別測量目標(biāo)物坐標(biāo)，根據(jù)其實(shí)時(shí)坐標(biāo)與理論基準(zhǔn)坐標(biāo)比較的結(jié)果，來控制設(shè)備相應(yīng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)精確定位、對位。

集裝箱碼頭或堆場作業(yè)時(shí)，集裝箱起重機(jī)在實(shí)現(xiàn)大車精確定位過程中，司機(jī)通常是坐在司機(jī)室彎著腰，低著頭操作設(shè)備；操作時(shí)設(shè)備本身晃動(dòng)就比較大，加上一直彎腰低頭，司機(jī)很容易疲勞，且容易患腰椎或頸椎損傷等方面的職業(yè)病。如果能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)定位將大大降低起重機(jī)司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

當(dāng)集裝箱起重機(jī)大車上吊具中心點(diǎn)在大車行進(jìn)方向與需對位的目標(biāo)物（待吊箱或待放列為頂部集裝箱或集卡車板或地面箱位標(biāo)識線）的中心在地球絕對坐標(biāo)系里完全重合時(shí)，起重機(jī)能準(zhǔn)確抓放箱，此時(shí)從相機(jī)坐標(biāo)系測得的目標(biāo)物在大車行進(jìn)方向的坐標(biāo)值為理論基準(zhǔn)坐標(biāo)值，集裝箱起重大車方向精確定位的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)需對位的成組目標(biāo)物實(shí)測值與理論基準(zhǔn)值一致。

目前龍門式起重機(jī)大車方向定位通常是通過在堆場上安裝定位用磁釘、磁條、格雷母線等通過編碼的方式來實(shí)現(xiàn)，也有通過dgps技術(shù)實(shí)現(xiàn)。格雷母線、磁釘、磁條定位直線精度可保證，即裝磁釘、磁條或格雷母線一側(cè)的位置精度可以保證。但這些定位方法由于磁條、磁釘、格雷母線及配套的讀寫器硬件成本本身就高昂，加上磁釘、磁條預(yù)埋、格雷母線架設(shè)施工成本?？傮w成本十分高昂。且這些方案還存在定位精度無法滿足使用要求，需其他機(jī)構(gòu)輔助進(jìn)一步定位。例如使用磁條、格雷母線，起重機(jī)與集卡車道跑偏夾角無法測量，而rtg跑偏量較大，夾角很大，此誤差會(huì)導(dǎo)致rtg在該貝位作業(yè)時(shí)，起重機(jī)吊具中心點(diǎn)與該貝位上待吊的各列箱的中心點(diǎn)前后方向的偏差超過堆箱的國際標(biāo)準(zhǔn)(38mm)。對于吊具在無大車方向無防搖機(jī)構(gòu)及微動(dòng)機(jī)構(gòu)的起重機(jī)而言，大車方向定位不準(zhǔn)，在抓放箱時(shí)，需點(diǎn)動(dòng)大車來消除這個(gè)定位偏差，而大車點(diǎn)動(dòng)，意味著要犧牲效率。

橋式起重機(jī)大車方向目前尚無自動(dòng)定位解決方案，基本依靠起重機(jī)司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)人工進(jìn)行，定位經(jīng)常不準(zhǔn)，需要司機(jī)手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)微調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致吊具搖晃，影響整條船的裝卸效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供基于機(jī)器視覺的起重機(jī)大車方向精確定位系統(tǒng)及方法，其利用機(jī)器視覺技術(shù)，對需對位的分別起重機(jī)及地面(或船面上)的一組目標(biāo)物的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行比較后發(fā)出定位指令，設(shè)備簡單，成本低廉，維護(hù)方便，大大提高了起重機(jī)大車方向的定位效率。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：

基于機(jī)器視覺的起重機(jī)大車方向精確定位系統(tǒng)，包括有主控機(jī)，主控機(jī)與攝像設(shè)備以及起重機(jī)大車系統(tǒng)的plc控制器信號連接，攝像設(shè)備安裝于起重機(jī)上，攝像設(shè)備用于拍攝需對位的成組目標(biāo)物的現(xiàn)場實(shí)時(shí)畫面，并將其傳輸至主控機(jī)上，成組目標(biāo)物包括設(shè)置于操作場地上的目標(biāo)物a以及設(shè)置于起重機(jī)上的目標(biāo)物b，主控機(jī)采用圖像識別軟件分別獲取目標(biāo)物a和目標(biāo)物b的實(shí)時(shí)位置，得出目標(biāo)物a與目標(biāo)物b之間的坐標(biāo)差，再由plc控制器根據(jù)該坐標(biāo)差控制大車行走機(jī)構(gòu)或吊具橫移機(jī)構(gòu)沿大車方向橫向移動(dòng)相應(yīng)的距離，完成起重機(jī)大車方向的精確定位。

優(yōu)化的技術(shù)措施還包括：

上述的攝像設(shè)備為單目攝像設(shè)備或者雙目攝像設(shè)備，雙目攝像設(shè)備為雙鏡頭的主動(dòng)攝像設(shè)備或者成對的單鏡頭主動(dòng)攝像設(shè)備。

上述的主控機(jī)與服務(wù)器信號連接，服務(wù)器用于存儲存含貝位號及集裝箱箱號信息的生產(chǎn)作業(yè)指令系統(tǒng)，主控機(jī)根據(jù)所述攝像設(shè)備攝取的貝位號、集裝箱箱號與從所述服務(wù)器獲取的正確作業(yè)的貝位號以及集裝箱箱號進(jìn)行對比。

上述的主控機(jī)與所述服務(wù)器之間通過數(shù)據(jù)i/o接口連接配合。

上述的成組目標(biāo)物:當(dāng)目標(biāo)物a為鋪設(shè)或者樹立于大車跑道附近的標(biāo)識板時(shí)，對應(yīng)的目標(biāo)物b為設(shè)置于小車車架或者鞍梁上指向標(biāo)識板的箭頭對位板；當(dāng)目標(biāo)物a為作業(yè)列位堆在頂部的集裝箱或者地面箱位畫線時(shí)，對應(yīng)的目標(biāo)物b吊具上架、吊具或者吊具下懸吊的集裝箱。

上述的大車行走機(jī)構(gòu)包括大車變頻器、馬達(dá)、譯碼器、聯(lián)軸器、減速箱以及大車車輪。

上述的吊具橫移機(jī)構(gòu)包括吊具上架、橫移滑軌或懸垂臂以及推桿，推桿連接于所述吊具上架和吊具之間。

上述的攝像設(shè)備為工業(yè)相機(jī)或者監(jiān)控相機(jī)，攝像設(shè)備上設(shè)置有補(bǔ)光裝置；主控機(jī)為工業(yè)電腦或者單片機(jī)。

基于機(jī)器視覺的起重機(jī)大車方向精確定位系統(tǒng)的定位方法，包括以下步驟：

步驟一、起重機(jī)接到作業(yè)指令，大車向目標(biāo)貝位移動(dòng)完成粗定位，使目標(biāo)物進(jìn)入攝像設(shè)備的拍攝范圍內(nèi)；

步驟二、攝像設(shè)備啟動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，并將含有目標(biāo)物的實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏斨林骺貦C(jī)；

步驟三、主控機(jī)用圖像處理軟件根據(jù)目標(biāo)物的目標(biāo)特征分別識別目標(biāo)物a和目標(biāo)物b的實(shí)時(shí)位置，推算出目標(biāo)物中心點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)物a和目標(biāo)物b中心點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)相對比，得出兩者中心點(diǎn)在大車行進(jìn)方向的坐標(biāo)差，并將該坐標(biāo)差傳輸至plc控制器；

步驟四、plc控制器根據(jù)所獲得的坐標(biāo)差控制大車行走機(jī)構(gòu)或者吊具橫移機(jī)構(gòu)沿大車行進(jìn)方向移動(dòng)相應(yīng)距離，完成大車方向的精確定位。

作為改進(jìn)，基于機(jī)器視覺的起重機(jī)大車方向精確定位系統(tǒng)的定位方法，包括以下步驟：

步驟一、起重機(jī)接到作業(yè)指令，大車向目標(biāo)貝位移動(dòng)完成粗定位，使成組目標(biāo)物進(jìn)入攝像設(shè)備的拍攝范圍內(nèi)；

步驟二、攝像設(shè)備啟動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，并將含有成組目標(biāo)物的實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏斨林骺貦C(jī)；

步驟三、主控機(jī)通過字符識別軟件識別畫面中目標(biāo)物a上的貝位號或者集裝箱箱號，與服務(wù)器上作業(yè)指令中正確的貝位號或者集裝箱箱號進(jìn)行對比，錯(cuò)誤操作停止，正確操作繼續(xù)；

步驟四、主控機(jī)用圖像處理軟件根據(jù)目標(biāo)物的目標(biāo)特征分別識別目標(biāo)物a和目標(biāo)物b的實(shí)時(shí)位置，推算出目標(biāo)物中心點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)物a和目標(biāo)物b中心點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)相對比，得出兩者中心點(diǎn)在大車行進(jìn)方向的坐標(biāo)差，并將該坐標(biāo)差傳輸至plc控制器；

步驟五、plc控制器根據(jù)所獲得的坐標(biāo)差控制大車行走機(jī)構(gòu)或者吊具橫移機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置調(diào)整，調(diào)整后重復(fù)步驟四，得到新的坐標(biāo)差；

步驟六、將步驟五中的坐標(biāo)差與設(shè)定的誤差允許值進(jìn)行比較，大于誤差允許值則重復(fù)步驟五，小于或者等于誤差允許值則停止循環(huán)，完成起重機(jī)大車方向精確定位。

本發(fā)明的基于機(jī)器視覺的起重機(jī)大車方向精確定位系統(tǒng)，利用機(jī)器視覺技術(shù)，由攝像設(shè)備拍攝實(shí)時(shí)圖像并傳輸至主控機(jī)，由主控機(jī)內(nèi)安裝的圖像識別軟件根據(jù)目標(biāo)特征獲取成組目標(biāo)物的實(shí)時(shí)位置，對比目標(biāo)物a與和目標(biāo)物b的實(shí)時(shí)位置，得出目標(biāo)物a與目標(biāo)物b之間的坐標(biāo)差，plc控制器根據(jù)坐標(biāo)差控制大車行走機(jī)構(gòu)或者吊具橫移機(jī)構(gòu)完成精確定位；其設(shè)備簡單，成本低廉，維護(hù)方便，能夠大大提高了起重機(jī)大車方向的定位效率。

另外，由主控機(jī)內(nèi)安裝的數(shù)字識別軟件對目標(biāo)物上的貝位號、集裝箱箱號進(jìn)行識別，將識別得到的貝位號、集裝箱箱號與從服務(wù)器中獲得的正確的貝位號、集裝箱箱號進(jìn)行對比驗(yàn)證，確認(rèn)正確后再進(jìn)行后續(xù)操作；通過貝位號、集裝箱箱號的驗(yàn)證，保證了操作的正確性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的框架示意圖；

圖2是本發(fā)明的定位系統(tǒng)完成起重機(jī)大車方向定位的流程圖；

圖3是本發(fā)明的裝置安裝示意圖；

圖4是圖3中i部放大后的左視圖；

圖5是圖3的俯視圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

其中的附圖標(biāo)記為：目標(biāo)物a、目標(biāo)物b、主控機(jī)1、攝像設(shè)備2、補(bǔ)光裝置21、plc控制器3、大車行走機(jī)構(gòu)4、集裝箱5、起重機(jī)大梁6、服務(wù)器7、數(shù)據(jù)i/o接口71、吊具橫移機(jī)構(gòu)8、吊具上架81、懸垂臂82、推桿83、吊具84。

實(shí)施例一、基于機(jī)器視覺的起重機(jī)大車方向精確定位系統(tǒng)，包括有主控機(jī)1，主控機(jī)1與攝像設(shè)備2以及起重機(jī)大車系統(tǒng)的plc控制器3信號連接，攝像設(shè)備2安裝于起重機(jī)上，攝像設(shè)備2用于拍攝成組目標(biāo)物的現(xiàn)場實(shí)時(shí)畫面，并將其傳輸至主控機(jī)1上，成組目標(biāo)物包括設(shè)置于操作場地上的目標(biāo)物a以及設(shè)置于起重機(jī)上的目標(biāo)物b，主控機(jī)1采用圖像識別軟件分別獲取目標(biāo)物a和目標(biāo)物b的實(shí)時(shí)位置，得出目標(biāo)物a與目標(biāo)物b之間的坐標(biāo)差，再由plc控制器3根據(jù)該坐標(biāo)差控制大車行走機(jī)構(gòu)4或吊具橫移機(jī)構(gòu)8沿大車方向橫向移動(dòng)相應(yīng)的距離，完成起重機(jī)大車方向的精確定位。

實(shí)施例中，攝像設(shè)備2為單目攝像設(shè)備或者雙目攝像設(shè)備，雙目攝像設(shè)備為雙鏡頭的主動(dòng)攝像設(shè)備或者成對的單鏡頭主動(dòng)攝像設(shè)備。

攝像設(shè)備2可以安裝在起重機(jī)大梁6上，起重機(jī)的鞍梁上，也可以安裝在小車車架上，只要保證攝像設(shè)備2能夠拍攝到目標(biāo)物即可。

基于機(jī)器視覺的起重機(jī)大車方向精確定位系統(tǒng)的定位方法，包括以下步驟：

步驟一、起重機(jī)接到作業(yè)指令，大車向目標(biāo)貝位移動(dòng)完成粗定位，使目標(biāo)物進(jìn)入攝像設(shè)備2的拍攝范圍內(nèi)；

步驟二、攝像設(shè)備2啟動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，并將含有目標(biāo)物的實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏斨林骺貦C(jī)1；

步驟三、主控機(jī)1用圖像處理軟件根據(jù)目標(biāo)物的目標(biāo)特征分別識別目標(biāo)物a和目標(biāo)物b，并測量得到二者的實(shí)時(shí)位置，推算出目標(biāo)物中心點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)物a和目標(biāo)物b中心點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)相對比，得出兩者中心點(diǎn)在大車行進(jìn)方向的坐標(biāo)差，并將該坐標(biāo)差傳輸至plc控制器3；

步驟四、plc控制器3根據(jù)所獲得的坐標(biāo)差控制大車行走機(jī)構(gòu)4或者吊具橫移機(jī)構(gòu)8沿大車行進(jìn)方向移動(dòng)相應(yīng)距離，完成大車方向的精確定位。

實(shí)施例中，大車行走機(jī)構(gòu)4包括大車變頻器、馬達(dá)、譯碼器、聯(lián)軸器、減速箱以及大車車輪。

實(shí)施例中，吊具橫移機(jī)構(gòu)8包括吊具上架81、橫移滑軌或懸垂臂82以及推桿83，推桿83連接于所述吊具上架81和吊具84之間。懸垂臂82為連桿或者吊鏈，通過橫移滑軌或懸垂臂82的連接，使吊具84與吊具上架81之間能夠完成橫向移動(dòng)，移動(dòng)時(shí)通過推桿83的作用完成。

由于大車的移動(dòng)會(huì)引起吊具的晃動(dòng)，因此在小范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，如起重機(jī)中安裝有吊具橫移機(jī)構(gòu)8，盡可能選擇吊具橫移機(jī)構(gòu)8完成精確定位。

本起重機(jī)大車方向精確定位系統(tǒng)，其目標(biāo)物成組出現(xiàn)，通過對比目標(biāo)物a與目標(biāo)物b中心點(diǎn)實(shí)時(shí)坐標(biāo)完成起重機(jī)大車方向的精確定位。

所述的成組目標(biāo)物:當(dāng)目標(biāo)物a為鋪設(shè)或者樹立于大車跑道附近的標(biāo)識板時(shí)，對應(yīng)的目標(biāo)物b為設(shè)置于小車車架或者鞍梁上指向標(biāo)識板的箭頭對位板；當(dāng)目標(biāo)物a為作業(yè)列位堆在頂部的集裝箱或者地面箱位畫線(作業(yè)列位上未堆放集裝箱)時(shí)，對應(yīng)的目標(biāo)物b吊具上架81、吊具84或者吊具84下懸吊的集裝箱。

標(biāo)志板為矩形結(jié)構(gòu)，矩形的標(biāo)志板由白色背景板以及黑色的貝位號構(gòu)成。

標(biāo)識板可采用其它形式，如由沿對角線分開的白色三角形和黑色三角形構(gòu)成；標(biāo)識板也可以采用外方內(nèi)圓的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的圓內(nèi)切于外部的正方形，內(nèi)部的圓為黑色，外部的正方形為白色；或者將內(nèi)外的黑白色相調(diào)換；標(biāo)識板還可以采用外圓內(nèi)方的結(jié)構(gòu)，外部的圓外切于內(nèi)部的正方形，外部的圓為黑色，內(nèi)部的正方形為白色；或者將內(nèi)外的黑白色相調(diào)換；標(biāo)識板亦可以采用由黑白間隔的圓形或者四邊形圖案、條形碼及二維碼等易于進(jìn)行圖像識別的圖案構(gòu)成。

標(biāo)識板采用黑白色圖塊構(gòu)成，反差明顯，易于識別，能提高攝像設(shè)備2獲取的效率。標(biāo)識板只要易于攝像設(shè)備2識別即可，圖案的構(gòu)成可以自行設(shè)計(jì)、選擇。

無論以標(biāo)識板作為對比目標(biāo)物，還是以作業(yè)列位作為對比目標(biāo)物，雖然目標(biāo)物不同，但是其原理和定位方法相同。

由于目標(biāo)物均為標(biāo)準(zhǔn)尺寸(標(biāo)志板人為設(shè)置，其尺寸規(guī)格可自行設(shè)置；而集裝箱的尺寸規(guī)格則有國際標(biāo)準(zhǔn)；吊具84、吊具上架81的尺寸規(guī)格也是一定的)，所以目標(biāo)物上目標(biāo)特征與目標(biāo)物的中心點(diǎn)距離存在著一一對應(yīng)關(guān)系，測得目標(biāo)特征坐標(biāo)值，即可推算出目標(biāo)物中心的坐標(biāo)值。

在具體實(shí)施過程中，標(biāo)志板以及作業(yè)列位可以同時(shí)作為對比目標(biāo)物，兩者相互輔助、應(yīng)證。當(dāng)以標(biāo)志板為主要對比目標(biāo)物時(shí)，作業(yè)列位上的集裝箱或者地面箱位畫線即為輔助對比目標(biāo)物，相反當(dāng)作業(yè)列位上的集裝箱或者地面箱位畫線為主要目標(biāo)物時(shí)，標(biāo)志板即為輔助對比目標(biāo)物。

實(shí)施例中，攝像設(shè)備2為工業(yè)相機(jī)或者監(jiān)控相機(jī)，攝像設(shè)備2上設(shè)置有補(bǔ)光裝置21；主控機(jī)1為工業(yè)電腦或者單片機(jī)。

實(shí)施例二、在上述起重機(jī)大車精確定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)和拓展：

實(shí)施例中，主控機(jī)1與服務(wù)器7信號連接，服務(wù)器7用于存儲存含貝位號及集裝箱箱號信息的生產(chǎn)作業(yè)指令系統(tǒng)，主控機(jī)1根據(jù)所述攝像設(shè)備2攝取的貝位號、集裝箱箱號與從所述服務(wù)器7獲取的正確作業(yè)的貝位號以及集裝箱箱號進(jìn)行對比。

實(shí)施例中，主控機(jī)1與所述服務(wù)器7之間通過數(shù)據(jù)i/o接口71連接配合。

如圖2所示的流程圖，基于機(jī)器視覺的起重機(jī)大車方向精確定位系統(tǒng)的定位方法，包括以下步驟：

步驟一、起重機(jī)接到作業(yè)指令，大車向目標(biāo)貝位移動(dòng)完成粗定位，使目標(biāo)物進(jìn)入攝像設(shè)備2的拍攝范圍內(nèi)；

步驟二、攝像設(shè)備2啟動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，并將含有目標(biāo)物的實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏斨林骺貦C(jī)1；

步驟三、主控機(jī)1通過字符識別軟件識別畫面中目標(biāo)物a上的貝位號或者集裝箱箱號，與服務(wù)器7上作業(yè)指令中正確的貝位號或者集裝箱箱號進(jìn)行對比，錯(cuò)誤操作停止，正確操作繼續(xù)；

步驟四、主控機(jī)1用圖像處理軟件根據(jù)目標(biāo)物的目標(biāo)特征分別識別目標(biāo)物a和目標(biāo)物b的實(shí)時(shí)位置，推算出目標(biāo)物中心點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)物a和目標(biāo)物b中心點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)相對比，得出兩者中心點(diǎn)在大車行進(jìn)方向的坐標(biāo)差，并將該坐標(biāo)差傳輸至plc控制器3；

步驟五、plc控制器3根據(jù)所獲得的坐標(biāo)差控制大車行走機(jī)構(gòu)4或者吊具橫移機(jī)構(gòu)8進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后重復(fù)步驟四，得到新的坐標(biāo)差；

步驟六、將步驟五中的坐標(biāo)差與設(shè)定的誤差允許值進(jìn)行比較，大于誤差允許值則重復(fù)步驟五，小于或者等于誤差允許值則停止循環(huán)，完成起重機(jī)大車方向精確定位。

本實(shí)施例中的定位方法在完成精確定位前，增加了對貝位號、集裝箱箱號的對比確認(rèn)過程，保證了抓放集裝箱5操作的準(zhǔn)確性，避免了誤操作。

本起重機(jī)大車方向精確定位系統(tǒng)不僅適用于龍門式起重機(jī)，也適用于橋式起重機(jī)。應(yīng)用于橋式起重機(jī)時(shí)，目標(biāo)物a可以鋪設(shè)或樹立于船舷附近。

本發(fā)明的最佳實(shí)施例已闡明，由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員做出的各種變化或改型都不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。