本發(fā)明屬于起重運輸設備領域，涉及一種基于視覺的集裝箱自動對接起吊系統(tǒng)及起吊方法，尤其涉及一種集裝箱起吊過程中，實現(xiàn)集裝箱對接角件自動識別并定位，進而實現(xiàn)集裝箱自動對接起吊的方案。

背景技術：

隨著國內經濟的發(fā)展，集裝箱物流運輸增長快速，集裝箱起重機械運輸在現(xiàn)代物流、國民生產各領域中發(fā)揮著極其重要的作用。在現(xiàn)有的集裝箱起吊過程中，往往用的方法是人工操作，需要幾個工人協(xié)同工作。要有工人在集裝箱周邊對集裝箱對接部位進行觀察，并告知工友對起吊平臺進行操作，進而實現(xiàn)起吊平臺與集裝箱的對接。這種對接起吊方法耗時長，效率低，所需工人較多，造成勞動力浪費。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于視覺的集裝箱自動對接起吊系統(tǒng)及起吊方法，能夠克服在起吊平臺與集裝箱對接角件進行對接時，傳統(tǒng)方法所產生的對接工時長，效率低的缺陷；能夠提高勞動生產率，提升智能化制造水平。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：

首先，本發(fā)明提供的基于視覺的集裝箱自動對接起吊系統(tǒng)，包括：視覺系統(tǒng)、起吊平臺、控制系統(tǒng)和安裝在集裝箱的對接角件；視覺系統(tǒng)由圖像采集設備和圖像處理系統(tǒng)組成；其中，

起吊平臺為四自由度平臺，可以進行直角坐標系中X、Y、Z三個方向的平移運動，以及繞Z軸的旋轉運動；

圖像采集設備至少為2個，安裝在起吊平臺頂部的頂角處，用于采集對接角件的圖像并傳送給圖像處理系統(tǒng)；

圖像處理系統(tǒng)，用于對所接收圖像中的對接角件進行位置識別，根據(jù)對接角件與目標對接位置的位置關系，解算令起吊平臺的對接部位向對接位置運動的運動參數(shù)，并傳送給控制系統(tǒng)；

控制系統(tǒng)，用于根據(jù)所接收的運動參數(shù)控制起吊平臺的運動，從而調節(jié)起吊平臺的位置和角度，直到起吊平臺的對接部位與集裝箱的對接角件對接，最后實現(xiàn)集裝箱起吊。

優(yōu)選地，所述圖像采集設備包括三個CCD攝像機，通過支撐架安裝在起吊平臺的其中3個頂角；三個CCD攝像機定義為攝像機A、攝像機B和攝像機C；攝像機A、攝像機B位于起吊平臺頂面一條邊的兩端，攝像機B和攝像機C位于起吊平臺頂面另一條邊的兩端；攝像機A、攝像機B的光軸與所在起吊平臺角位置上的對接部位的軸線四者在同一平面內；攝像機C的光軸與所在起吊平臺角位置上的對接部位的軸線在同一平面內；攝像機B和攝像機C的光軸平行。

優(yōu)選地，對接角件的頂面開設有對接孔洞；所述圖像處理系統(tǒng)對對接角件頂面的對接孔洞進行位置識別，獲得對接孔洞中心位置的當前坐標；根據(jù)所述當前坐標與已知的目標對接位置坐標進行比對，解算令起吊平臺的對接部位向對接角件運動的運動參數(shù)。

優(yōu)選地，所述圖像處理系統(tǒng)解算獲得運動參數(shù)的過程為：

第一次使用本起吊系統(tǒng)時，人為控制起吊平臺進行精確對接，獲取精確對接時各圖像采集設備采集到的相應對接角件上方對接孔洞的中心位置坐標，作為目標對接位置坐標；其中，任意兩個圖像采集設備M和N采集的圖像經圖像識別獲得的相應目標對接位置坐標分別為M1(X_M1,Y_M1,Z_M1)和N1(X_N1,Y_N1,Z_N1)，并以圖像采集設備M的坐標系為世界坐標系；

之后使用本起吊系統(tǒng)時，根據(jù)圖像采集設備M和N所采集的圖像實時獲得的相應對接孔洞中心位置坐標分別為M2(X_M2,Y_M2,Z_M2)和N2(X_N2,Y_N2,Z_N2)；

解算起吊平臺的旋轉參數(shù)θ和三個方向的平移參數(shù)ΔX、ΔY、ΔZ為：

ΔX＝X_M2-X_M1

ΔY＝Y_M2-Y_M1

ΔZ＝Z_M2-Z_M1。

優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)控制起吊平臺的運動的過程如下：

(1)控制起吊平臺做旋轉運動；

控制系統(tǒng)首先根據(jù)起吊平臺的旋轉參數(shù)θ控制起吊平臺做旋轉運動，直到目標對接位置坐標M1(X_M1,Y_M1,Z_M1)與N1(X_N1,Y_N1,Z_N1)組成的矢量的方向與實時檢測到的中心點位置坐標M2(X_M2,Y_M2,Z_M2)和N2(X_N2,Y_N2,Z_N2)組成的矢量的方向一致；

(2)控制起吊平臺做水平方向上平移運動；

控制系統(tǒng)根據(jù)起吊平臺的平移參數(shù)(ΔX,ΔY)控制起吊平臺做水平方向平移運動，直到目標對接位置坐標M1(X_M1,Y_M1,Z_M1)與N1(X_N1,Y_N1,Z_N1)與實時檢測到的中心點位置坐標M2(X_M2,Y_M2,Z_M2)和N2(X_N2,Y_N2,Z_N2)的X、Y分量重合；

(3)控制起吊平臺做豎直方向上平移運動

控制系統(tǒng)根據(jù)起吊平臺的平移參數(shù)ΔZ控制起吊平臺做豎直方向的平移運動，直到起吊平臺的對接部位與對應對接角件實現(xiàn)對接，完成起吊平臺與集裝箱的對接過程。

本提供的基于視覺的集裝箱自動對接起吊方法，包括如下步驟：

步驟一：搭建具有四自由度起吊平臺的起吊裝置，起吊平臺可以進行直角坐標系中X、Y、Z三個方向的平移運動，以及繞Z軸的旋轉運動；集裝箱上安裝對接角件；起吊平臺頂部的頂角處安裝至少2個圖像采集設備；

步驟二：在第一次使用起吊裝置時，人為控制起吊平臺進行精確對接，獲取精確對接時各圖像采集設備采集到的相應對接角件上方對接孔洞的中心位置坐標，作為目標對接位置坐標；其中，任意兩個圖像采集設備M和N采集的圖像經圖像識別獲得的相應目標對接位置坐標分別為M1(X_M1,Y_M1,Z_M1)和N1(X_N1,Y_N1,Z_N1)，并以圖像采集設備M的坐標系為世界坐標系；

步驟三：圖像采集設備M和N實時采集對接角件的圖像信息，通過圖像識別，獲得對應的對接孔洞中心位置坐標分別為M2(X_M2,Y_M2,Z_M2)和N2(X_N2,Y_N2,Z_N2)；

步驟四：解算起吊平臺的旋轉參數(shù)θ和三個方向的平移參數(shù)ΔX、ΔY、ΔZ為：

ΔX＝X_M2-X_M1

ΔY＝Y_M2-Y_M1

ΔZ＝Z_M2-Z_M1

步驟五：控制系統(tǒng)根據(jù)旋轉參數(shù)和平移參數(shù)，控制起吊平臺實現(xiàn)與集裝箱的對接。

優(yōu)選地，所述步驟五具體為：

步驟51：控制起吊平臺做旋轉運動；

控制系統(tǒng)首先根據(jù)起吊平臺的旋轉參數(shù)θ控制起吊平臺做旋轉運動，直到目標對接位置坐標M1(X_M1,Y_M1,Z_M1)與N1(X_N1,Y_N1,Z_N1)組成的矢量的方向與實時檢測到的中心點位置坐標M2(X_M2,Y_M2,Z_M2)和N2(X_N2,Y_N2,Z_N2)組成的矢量的方向一致；

步驟52：控制起吊平臺做水平方向上平移運動；

控制系統(tǒng)根據(jù)起吊平臺水平兩方向的平移參數(shù)(ΔX,ΔY)控制起吊平臺做水平方向平移運動，直到目標對接位置坐標M1(X_M1,Y_M1,Z_M1)與N1(X_N1,Y_N1,Z_N1)與實時檢測到的中心點位置坐標M2(X_M2,Y_M2,Z_M2)和N2(X_N2,Y_N2,Z_N2)的X、Y分量重合；

步驟53：控制起吊平臺做豎直方向上平移運動；

控制系統(tǒng)根據(jù)起吊平臺豎直方向的平移參數(shù)ΔZ控制起吊平臺做豎直方向的平移運動，直到起吊平臺的對接部位與對應對接角件實現(xiàn)對接，完成起吊平臺與集裝箱的對接過程。

優(yōu)選地，所述步驟三為：采用最大類間方差OSTU自適應閾值提取方法對采集的圖像信息進行二值化處理并進行高斯濾波，再進行輪廓線檢測，對所得輪廓信息進行面積約束，得到集裝箱對接角件上對接孔洞的位置，進而獲得對接孔洞中心點坐標。

優(yōu)選地，步驟一在搭建起吊裝置時，在起吊平臺頂部的三個頂角處安裝CCD攝像機；三個CCD攝像機定義為攝像機A、攝像機B和攝像機C；攝像機A、攝像機B位于起吊平臺頂面一條邊的兩端，攝像機B和攝像機C位于起吊平臺頂面另一條邊的兩端；攝像機A、攝像機B的光軸與所在起吊平臺角位置上的對接部位的軸線四者在同一平面內；攝像機C的光軸與所在起吊平臺角位置上的對接部位的軸線在同一平面內；攝像機B和攝像機C的光軸平行。

有益效果：

(1)與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明集裝箱自動對接起吊系統(tǒng)在進行集裝箱起吊平臺與集裝箱對接時，利用集裝箱對接角件上方的孔洞，通過視覺系統(tǒng)自動獲取集裝箱對接角件的位置信息，解算出起吊平臺所需要的運動參數(shù)，傳遞給控制系統(tǒng)，從而由控制系統(tǒng)控制調整起吊平臺的姿態(tài)使集裝箱與起吊平臺實現(xiàn)自動對接起吊，智能高效，可以快速、準確地實現(xiàn)對接起吊過程，避免了傳統(tǒng)對接起吊中人工觀測對接所產生的工作量，減少工人勞動強度，提高勞動生產效率。

(2)本集裝箱自動對接起吊系統(tǒng)，原理簡單，魯棒性好。由前述可知理論上只需兩個CCD攝像機采集的信息即可完成對接起吊過程。使用三個CCD攝像機的目的一是為了保證在復雜工作環(huán)境或特殊情況下導致某一攝像機檢測錯誤時自動對接起吊系統(tǒng)仍能夠正常工作，二是為了增加一組約束條件，增強目標檢測的魯棒性，精度高，可靠性好。

(3)對三個CCD攝像機進行共面、光軸平行的安裝限制，便于攝像機系統(tǒng)進行標定。

附圖說明

圖1為集裝箱示意圖；

圖2為集裝箱對接部位示意圖；

圖3為裝有三個CCD攝像機的起吊平臺示意圖；

圖4為起吊平臺左視圖示意圖；

圖5為起吊平臺俯視圖示意圖；

圖6為基于視覺系統(tǒng)的集裝箱自動對接起吊系統(tǒng)示意圖；

圖中，1-集裝箱；2、3、4、5-對接角件；6-圓角矩形孔洞；7、8-圓形孔洞；9-起吊平臺；10-攝像機A；11-攝像機B；12-攝像機C；13-龍門架；14-接線盒；15-控制箱；16-圖像處理系統(tǒng)；17-控制系統(tǒng)；18-支架平臺。

具體實施方式

下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

本發(fā)明提供了一種基于視覺的集裝箱自動對接起吊系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)包括視覺系統(tǒng)、起吊平臺9、控制系統(tǒng)17和安裝在集裝箱四角的對接角件2,3,4,5。

如圖1所示，集裝箱1為長方體結構，頂面的四個角上分別固定有對接角件2、3、4、5，主要用于與起吊平臺9實現(xiàn)對接。如圖2所示為本實施例中對接角件的放大示意圖，對接角件2、3、4、5的頂面上開設有對接孔洞，這里為圓角矩形孔洞，當然還可以為其他形狀。對接角件開設用于扣合起吊平臺對接部位的圓形孔洞7、8。采用圓角矩形對接孔洞，其特征比較明顯，與圓形孔洞相區(qū)別，通過圖像處理算法可以方便的提取其輪廓信息，從而檢測到對接位置信息。

如圖3所示，起吊平臺9安裝于龍門架13上，起吊平臺9有四個自由度，通過控制系統(tǒng)17的控制，可以實現(xiàn)直角坐標系XYZ中X、Y、Z三個方向的平移運動，以及繞Z軸的旋轉運動。起吊平臺9的四個角上安裝有與對接角件形狀相符、位置對應的對接部位，對接部位的端部具有扣合機構，可以扣合到對接角件上。

視覺系統(tǒng)由圖像采集設備和圖像處理系統(tǒng)16組成。其中，

圖像采集設備至少為2個，安裝在起吊平臺頂部的頂角處，一個頂角安裝一個，用于采集對接角件的圖像并傳送給圖像處理系統(tǒng)16。本實施例中，圖像采集設備包括三個CCD攝像機，分別為CCD攝像機A 10、CCD攝像機B 11和CCD攝像機C 12，分別通過支撐架固定安裝于起吊平臺9的其中三個頂角處，圖中，將三個CCD攝像機分別安裝在對接角件2、3、4處，用以采集對接角件2、3、4的圖像信息。如圖4和圖5所示，攝像機A、攝像機B位于起吊平臺頂面一條邊的兩端，攝像機B和攝像機C位于起吊平臺頂面另一條邊的兩端；攝像機A、攝像機B的光軸與所在起吊平臺角位置上的對接部位的軸線四者在同一平面內；攝像機C的光軸與所在起吊平臺角位置上的對接部位的軸線在同一平面內；攝像機B和攝像機C的光軸平行。這樣安裝便于攝像機系統(tǒng)進行標定。

圖像處理系統(tǒng)16，用于根據(jù)所接收圖像中的對接角件進行位置識別，根據(jù)對接角件與目標對接位置的位置關系，解算令起吊平臺的對接部位向對接位置運動的運動參數(shù)，并傳送給控制系統(tǒng)。其運動參數(shù)的解析主要依靠圖像處理，利用對接角件頂面的對接孔洞進行位置識別，獲得對接孔洞中心位置的當前坐標；根據(jù)獲得的當前坐標與已知的目標對接位置坐標進行比對，解算令起吊平臺的對接部位向對接角件運動的運動參數(shù)。

如圖4所示，所述控制系統(tǒng)17由控制器、驅動器及其他外圍電路板組成，放置在控制箱15里面，主要用來接收圖像處理系統(tǒng)16傳來的運動參數(shù)，完成起吊平臺9的反解運算，通過調節(jié)起吊平臺的位置和角度，直到起吊平臺的對接部位與集裝箱的對接角件圓角矩形孔洞對準，進而控制系統(tǒng)控制起吊平臺與集裝箱對接角件圓形孔洞卡扣從而實現(xiàn)對接，進而控制運動機構實現(xiàn)集裝箱起吊。

在連接上，接線盒14安裝于龍門架13底部，接線盒14一端通過網線與CCD攝像機A、B、C連接，通過電纜線與起吊平臺9連接，接線盒14另一端通過電纜線與控制系統(tǒng)17連接，通過網線與圖像處理系統(tǒng)16連接，控制系統(tǒng)17放置在控制箱15里面，控制系統(tǒng)17通過網線與圖像處理系統(tǒng)16連接，控制箱15與圖像處理系統(tǒng)16放置于支架平臺18上。

如圖4所示為基于視覺的集裝箱自動對接起吊系統(tǒng)結構示意圖，具體工作方法如下：

步驟一：按照圖3搭建本自動對接起吊系統(tǒng)。

步驟二：利用攝像機ABC獲取對接目標點坐標。

首先，對攝像機ABC進行系統(tǒng)標定，獲取三個攝像機之間的位置坐標關系。這個標定過程是為了統(tǒng)一幾個攝像機之間的坐標系，后面用到的攝像機ABC采集到的各個對接角件中心點坐標是在攝像機標定完成后統(tǒng)一到某一攝像機坐標系如A作為世界坐標系下的坐標，以此坐標求解運動參數(shù)。

在第一次使用該起吊系統(tǒng)時，人為控制起吊平臺9進行精確對接，以獲取實現(xiàn)精確對接時攝像機ABC分別采集到的其對應集裝箱對接角件上方對接孔洞中心位置坐標，作為目標中心位置坐標。攝像機ABC采集的圖像經圖像識別后，獲得的對接孔洞中心位置坐標，即目標中心位置坐標分別為A₁(X_A1,Y_A1,Z_A1)、B₁(X_B1,Y_B1,Z_B1)、C₁(X_C1,Y_C1,Z_C1)。

雖然本實施例設置了三個攝像機，其實只是用其中的兩個。本實施例中，以攝像機A和攝像機B為例，并以攝像機A的坐標系為世界坐標系。

步驟三：后續(xù)再進行起吊時，視覺系統(tǒng)實時信息采集與處理。

采集：三個CCD攝像機ABC對包含集裝箱對接角件圖像信息的集裝箱頂部進行圖像獲取，以采集到包含集裝箱對接角件2、3、4的數(shù)字圖形信息。

處理：首先對由三個CCD攝像機ABC組成的視覺系統(tǒng)采集的圖像信息進行預處理，采用最大類間方差(OSTU)自適應閾值提取方法對圖像進行二值化處理，之后對所得圖像進行高斯濾波，濾出噪點得到清晰的圖像后進行輪廓線檢測，對所得輪廓信息進行面積約束可得到集裝箱對接角件2、3、4的位置，并進一步分別得到對接角件2、3、4上方對接孔洞6的位置，進而獲得對接孔洞中心點坐標。根據(jù)CCD攝像機ABC實時采集的圖像獲得的相應對接孔洞中心點坐標分別為A₂(X_A2,Y_A2,Z_A2)、B₂(X_B2,Y_B2,Z_B2)、C₂(X_C2,Y_C2,Z_C2)。本實施例中，采用攝像機A和B的數(shù)據(jù)A₂(X_A2,Y_A2,Z_A2)、B₂(X_B2,Y_B2,Z_B2)即可，攝像機C的數(shù)據(jù)作為備份使用。

步驟四：解算出起吊平臺的運動參數(shù)。

運動平臺9只有四個自由度：旋轉參數(shù)θ與三個方向的平移參數(shù)ΔX、ΔY、ΔZ。

設目標中心點位置坐標A₁(X_A1,Y_A1,Z_A1)和B₁(X_B1,Y_B1,Z_B1)構成的矢量為實時檢測到的中心點位置坐標A₂(X_A2,Y_A2,Z_A2)和B₂(X_B2,Y_B2,Z_B2)構成的矢量則通過矢量變換獲得起吊平臺9的旋轉參數(shù)θ和三個方向的平移參數(shù)ΔX、ΔY、ΔZ，方法如下：

(1)獲取起吊平臺9的旋轉參數(shù)θ

集裝箱起吊平臺9要與集裝箱1實現(xiàn)精確對接，其旋轉參數(shù)θ可以用目標中心點位置坐標A₁(X_A1,Y_A1,Z_A1)和B₁(X_B1,Y_B1,Z_B1)構成的矢量與其對應的實時檢測到的對接孔洞中心點位置坐標A₂(X_A2,Y_A2,Z_A2)、B₂(X_B2,Y_B2,Z_B2)構成的矢量之間的參數(shù)變換得到，即在世界坐標系下：

矢量可表示為：

矢量可表示為：

由于集裝箱對接角件2、3、4、5處于同一水平面上，故矢量可表示為：

同理，矢量可表示為：

由此可求得起吊平臺9的旋轉參數(shù)

(2)解算出起吊平臺9的平移參數(shù)

由于起吊平臺9對接部位之間位置固定，集裝箱1的四個對接角件2、3、4、5位置固定，故而集裝箱1要與起吊平臺9實現(xiàn)精確對接，其平移參數(shù)(ΔX,ΔY)只需求得其中一個目標孔洞6中心點位置坐標A₁(X_A1,Y_A1,Z_A1)與其對應實時檢測到的孔洞6中心點位置坐標A₂(X_A2,Y_A2,Z_A2)之間的相對位置關系即可，即在世界坐標系下：

可求得起吊平臺9的平移參數(shù)：

經上述步驟即得到了對接所需要的起吊平臺9的旋轉參數(shù)θ和平移參數(shù)(ΔX,ΔY，ΔZ)，發(fā)送給控制系統(tǒng)17。

步驟五：控制系統(tǒng)17根據(jù)旋轉參數(shù)θ和平移參數(shù)ΔX、ΔY、ΔZ，控制起吊平臺9實現(xiàn)與集裝箱1的對接。具體控制過程為：

步驟51：控制起吊平臺9做旋轉運動。

圖像處理系統(tǒng)16將所得到的起吊平臺9旋轉參數(shù)θ傳送給控制系統(tǒng)17，控制系統(tǒng)17首先根據(jù)旋轉參數(shù)θ控制起吊平臺9做旋轉運動，直到矢量與矢量的方向一致，此時起吊平臺9與集裝箱1正對，只需進行平移運動即可實現(xiàn)對接。

步驟52：控制起吊平臺9做水平方向上平移運動。

圖像處理系統(tǒng)16將所得到的起吊平臺9平移參數(shù)(ΔX,ΔY)傳送給控制系統(tǒng)17，控制系統(tǒng)17根據(jù)起吊平臺水平兩方向的平移參數(shù)(ΔX,ΔY)，控制起吊平臺16做水平方向平移運動，直到實時檢測孔洞6中心點坐標A₂、B₂與其對應的目標孔洞6中心點坐標A₁、B₁的X、Y分量一致，此時對接部位與其對接所對應的圓角矩形孔洞6在Z方向上處于同一條中心線上，只需進行垂直方向上的平移運動即可實現(xiàn)對接。

步驟53：控制起吊平臺9做豎直方向上平移運動

在步驟52完成后，起吊平臺9要與集裝箱1實現(xiàn)對接只需進行豎直方向上的平移運動，圖像處理系統(tǒng)16將平移參數(shù)ΔZ傳送給控制系統(tǒng)17，控制系統(tǒng)17根據(jù)ΔZ控制起吊平臺9做豎直方向上的平移運動，直到對接部位與其對應的對接孔洞6實現(xiàn)對接，即完成起吊平臺9與集裝箱1的對接過程。

綜上所述，本發(fā)明的目的是為了克服在集裝箱與起吊平臺進行對接起吊時，傳統(tǒng)方法所產生的對接工時長，效率低的缺陷，為提高勞動生產率，提升智能化制造水平，提出一種基于視覺的集裝箱自動對接起吊系統(tǒng)及其工作方法。所述基于視覺的集裝箱自動對接起吊系統(tǒng)能夠通過視覺系統(tǒng)自動獲取集裝箱和起吊平臺對接部位的位置信息，解算出起吊平臺所需要的運動參數(shù)，傳遞給控制系統(tǒng)，從而由控制系統(tǒng)控制調整起吊平臺的姿態(tài)使集裝箱與起吊平臺實現(xiàn)自動對接起吊，智能高效，可以快速、準確地實現(xiàn)對接起吊過程，避免了傳統(tǒng)對接起吊中人工觀測對接所產生的工作量，減少工人勞動強度，提高勞動生產效率；所述基于視覺的集裝箱自動對接起吊系統(tǒng)，原理簡單，由前述可知理論上只需兩個CCD攝像機采集的信息即可完成對接起吊過程，使用三個CCD攝像機的目的一是為了保證在復雜工作環(huán)境或特殊情況下導致某一攝像機檢測錯誤時自動對接起吊系統(tǒng)仍能夠正常工作，二是為了增加一組約束條件，增強目標檢測的魯棒性，精度高，可靠性好；三個CCD攝像機采用同側共面安裝方式，這種安裝方式便于攝像機系統(tǒng)進行標定。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。