激光扫描测距和视频图像处理下的集卡定位方法

陈翔

当代对于检测港口集装性卡车位置的严谨性要求，不仅需要将图像呈现得更清晰，还要做好细微之处的处理，利用激光扫描测距和视频图像处理相结合，排除周边环境的干扰，定位港口集装箱卡车的位置。通过图像处理的方式，计算出集装箱体之间的距离与夹角，确保集装箱卡车停车及预调双吊具的状态。通过这样的方式，加快装卸速度，提高了港口运行效率。

随着我国现代化进程脚步的加快，运用集装箱进行运输已成为经济、快速的物流运输重要方式。面对多家物流运输竞争的形式，想在物流行业中脱颖而出，就需要不断提升货运速度，降低运输成本。特别是码头集装箱吞吐量极多，需要运用吊箱的运输方式提升港口运转效率，而吊箱作业的效率正是港口运转效率的重要标志。这里面所说的吊箱，就是通过岸桥将不同规格的集装箱从货船上吊装到集装箱卡车上，或者从集卡的集装箱吊装到其他的货船中。岸桥操控员如果能快速对准集卡司机的停车位，迅速进行对集装箱的装卸操作，就可以有效提升运转效率。

在我国众多港口之中，多数的集卡定位依旧引用传统的人工定位方式进行岸桥作业。而少数的港口已经突破传统，引用新的定位方式。如：

传感器定位法，通过无线传感器对场地内定位节点进行定位，利用无线通信技术，对其定位节点与信标节点的距离进行计算，计算出自身的三维坐标信息进行录入，并将具体的参数发送给后台主机，通过主机将信标节点内容传输过去。引用該方式的前提，需要大量的固定通信节点，同时，每个集装箱上都需要安装传感器，这样的成本较高，而且还会因为传感器众多的原因，无法计算吊箱时的集装箱的角度与多个集装箱间的距离。

单视频图像定位法，利用图像获取集装箱及运送车的位置图像，经计算机处理与计算后，通过安装在岸桥上集卡定位显示板中的提示，了解集装箱集体位置。这时再将信息通知给集卡司机，调整车身位置，进行吊箱作业。然而，这样的方式，对于环境及天气要求极高，特别是当天气环境较为恶劣时背景光线会变得极为复杂，有关的处理结果将无法达到实际的精度，对箱体进行测试，反而给吊箱作业带去更多操作上的困难。

单激光测距扫描定位法，则是利用激光对岸桥多车道中的不同规格的集装箱、集卡进行举例测试与定位，通过显示屏对照相应的集卡信息，并将有关信息传输给集卡司机，使集装箱与集卡平板车对位，通过这样的方式实现精准定位。但实践起来，也有一定的前提条件，需要在车上安装发射装置，若当前的车位空车，将无法识别集装箱个数，将不能依照计算的内容偏移不同的集装箱。

GPS技术，就是在不同的集卡中装好GPS定位器，利用GPS信号进行定位，帮助操作员更快捷地吊箱作业。但这类操作易受岸桥遮挡，不仅成本高且无法计算集装箱体的偏差角及箱子的个数。

根据上述方式的总结，当前的集卡定位方式无法解决集装箱偏移、箱距与定位问题。也就是说，利用上述方式进行吊箱作业，无法得到快速、准确的操控。基于上述的方式，提出激光测距与图像处理相结合的方式，为了吊箱作业提升运转效率。

基于上述的方式的优缺点，利用激光测距与图像处理的优势对两者进行结合处理。一般岸桥工作区中有6条车道，正常的运输中，1-2条车道可以正常使用。本方法是将2个激光扫描器安装在高精度伺服电机驱动上，这样就是为了方便在运行动态时，可以自行选择扫描的区间，并根据扫描情况，在岸桥左右各安置一个高清的摄像头。通过这样的方式，使激光测距和图像处理对集装箱位置进行实时的计算，通知岸桥操作员对集装箱位置的扫描，了解该货物是否到达准确位置，减少装卸等待的时间。同时，通过图像处理中的摄像机，进行计算，分解出集装箱的偏移角度与箱距，吊具状态调整等提供数据，更便于操控。

（一）工作流程

建立岸桥的三维坐标系OXYZ，计算摄像机C1、C2的数据参数;

集卡行驶到摄像区域内后，进行运动区域的参数收集，利用上述的方式，得到具体的数据参数，掌握到集卡所在车道号。若所处环境较差，无法提供精准的参数，就要利用激光测距的方式，扫描车道区域，获得相应的车道号;

同时要做好对激光测距仪的控制与调整，在集卡进入相关车道后，进行扫描与抓拍，不断更新相关的坐标参数;

做好激光测距点的极坐标参数，通过改数据与集装箱中的坐标进行复位;

根据集装箱的边缘进行再次抓拍，与上述抓拍图片最对比，参考上述的集装箱位移像素，再根据一开始的参数内容，得出位置差;

通过不断修正激光扫描和图像处理所得到的位置信息进行集卡停车位的预判，在通过LED屏了解集卡当前位置，进行最终的位置确认;

最后利用图像处理技术，将箱距和双箱之间夹角参数汇总，传输到PLC中，做最终吊箱位置的调整;

（二）关键技术

本文设计方法是通过岸桥直角坐标系统R（OXYZ）、激光扫描极坐标系统 P（ρ，θ）和视觉定标图像坐标系统 I（U，V），以几何变换的方式进行计算，通过摄像机标定技术，对激光扫描、集装箱图像的边缘检测等内容进行精准匹配，最终，通过摄像机标定技术计算，是当前的边缘处理得的更精准。

特别是激光二维扫描至三维还原技术的运用，当集卡进入扫描区后，对伺服电机固定位进行前后扫描，计算每次扫描中，集装箱呈现出的不同坐标。根据坐标差进行二次固定与扫描。若坐标值小，集卡运动速度就会变慢，甚至停止。转动伺服电机，集卡进行左右扫描，设置每次旋转角度为0.5 度。从左到右依次扫描，大概可以扫描到20条线。经过2次扫描，可以扫描到80条扫描线。由扫描线进行计算，不断将集卡的边缘坐标位置与中心坐标位置相匹配，利用建模的方式，对中心位置坐标与准确的标准值相比较，若位置呈现的误差，需要通知集卡司机停车，通知岸桥操作员停止激光扫描。

（三）数据修正和融合

集卡向正确位置移动是，其激光扫描所得的位置与实际坐标位置有一定的偏差。为得到更精准的位置坐标，需利用图像标定技术对坐标值进行修正，减小误差的出现。在激光扫描时，进行抓拍，这样在扫描数据过程中，就会出现集卡中心位置坐标，再利抓拍图片。将视觉标定技术所得的图片，进行比对，找准两张图片中集卡边缘角点的实际坐标值，进行差值换算，而得到的差值，就是实时坐标位置的值。

在三维建模时，利用激光扫描所得到的值与视觉标定所得到的值进行前后边缘比对，这个值就是集装箱的边缘的值。而利用激光左右扫描集卡，所得到的值就是集卡前后边缘的坐标点，通过该边缘向，得出前后边缘的计算方式。再通过视觉标定技术，对集卡四个边缘角点进行坐标值的估算，所得到的集卡边缘线极为计算左右的方程。通过四条边缘线方程计算法对建模集卡表面的型号做出判断，其参数既为实际参数。

（四）集装箱位置坐标的修正

在对集卡车距离进行扫描时，位置较远其处理激光扫描点需要根据坐标轴进行转换，计算集装箱边缘坐标。同时，集卡在运动过程中，需要计算出当前坐标位置与集装箱的实际坐标位置，当偏差很大时，需要对此进行重新扫描。在进行扫描过程中，需要告知集卡司机车辆当前的位置，并利用集装箱中心的位置进行坐标的确立，方便集卡进入车道。同时利用摄像机C1、C2进行同时抓拍。抓拍集装箱图片。其中，对于集装箱边缘中心的实际坐标计算方式可用（x1v1=1）进行计算。当从激光扫描点计算出集装箱坐标后，再对集装箱进行抓拍，此次集装箱边缘的中心坐标计算方法为（x2y2=2）。在计算中，需考虑运动区域的X、Z坐标对位置的修正影响。一般情况下考虑集装箱距离与岸桥吊具的前后位置差即可，其位置偏差计算方式为：△d=△y=y2y1，集装箱中心的当前的坐标修正为：vn+△d对比吊具中线的坐标（已知），判断卡车是否需要移动以及移动的方向（向前或者向后）和距离并通知卡车司机。同时计算运动方向的偏移角度（与y轴夹角）：6= actg（x2-x|bvx-1D（ actg为反正切函数）。

集卡定位是一个动态过程，需要对集卡的实时坐标位进行计算，这样才能便于岸桥操作员掌握实体的岸桥数据，提高定位速度，加快装卸率。在实际的运行过程中，在集卡司机配合下，利用本方法进行定位，在340毫秒就对集卡进行准确定位，同时，单次装卸过程时间缩短了40%-50%，大大提高了集装箱的装卸效率。

经实验表明，利用激光扫描测距和视频图像处理下的集卡定位，其实践方式较为简单，花销成本适中，扩展性强、功能性大，在实际的岸桥吊箱作业过程中，解决很多货运运输中的问题，满足客户的实际操作需求。

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