CN103363898A - 集装箱对箱检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了集装箱对箱检测装置，保证起重机准确地将集装箱放在另一个集装箱上面，确保对箱准齐，防止对箱不齐造成安全事故。其技术方案为：装置包括摄像机、发光设备、支架、工控机，其中发光设备产生一光线，摄像机采集图像，支架上安装发光设备和摄像机，工控机连接摄像机，基于采集图像检测着箱过程中上下集装箱的对齐程度。

Description

集装箱对箱检测装置

技术领域

本发明涉及全自动轨道式门式集装箱起重机中的应用技术，尤其涉及用于轨道吊集装箱门式起重机在着箱的时候自动检测吊具上集装箱和地面上集装箱的偏差的装置。 

背景技术

目前，国内外集装箱码头正在朝全自动化方向发展，全自动化码头不仅可以提高码头装卸效率，还能够改善工人的工作环境，降低劳动强度，提高港口的综合竞争力。全自动化化码头设备包括岸边集装箱起重机，轨道式集装箱门式起重机，AGV等主要设备，其中轨道式集装箱门式起重机主要应用于码头后方堆场。 

轨道式集装箱门式起重机，又称轨道吊，是专门用来装卸集装箱的一种起重机，被广泛的用于码头、车站、货场等，用于集装箱的装卸，搬运和堆放。集装箱门式起重机最早出现在1958年，目前，国内外集装箱门式起重机正朝着全自动化方向发展，采用计算机控制起重机各种动作，安全，准确的将集装箱搬运到指定的位置。要实现轨道吊的全自动化，除了相应的电控系统外，还涉及到一序列的定位检测技术，也是非常关键的一部分，定位包括，起重机大车定位，起重机小车定位，起升高度定位，吊具微调定位，集装箱检测定位。定位过程综合应用了光、电、磁、机械、液压、图像处理等技术，各种定位方式相互补充，使定位准确可靠。 

在定位过程中通常会使用到机器视觉系统，机器视觉指的是用机器代替人眼做测量和判断。它综合了光学、机械、电子、计算机等方面的技术，涉及到计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。机器视觉系统是指通过机器视觉产品(图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)将要检测的目标转换成数字量信号，这些数字量信号再传送给专用的图像处理系统，图像处理系统根据要检测的任务要求来识别图像中一些特征信息，并进行相关的计算。 

机器视觉系统一般由光源、镜头、摄像器件、图像存储体、监视器以及计算机系统等环节组成。光源为视觉系统提供足够的照度，镜头将被测场景中的目标成像到视觉传感器(即摄像器件)的成像面上。图像存储体负责将电信号转变为数字图像，即把每一点的亮度转变为灰度级数据，并存储一幅或多幅图像。计算机系统负责对图像进行处理、分析、判断和识别，最终给出测量结果。 

计算机系统一般采用激光三角测量法来进行处理，激光三角测量法基于线激光三角测量法实现。 

激光三角测量法属于立体视觉测量系统，是光电检测技术的一种，由于结构简单、测试速度快、使用灵活、实时处理能力强等优点，在工业中长度、距离以及三维形貌检测中有广泛的应用。基于线激光三角测量法与激光三角测量法一个重要的区别在于，激光三角测量法是基于点光源，线激光三角测量法是基于线光源两者的数学模型也有一些不同。本专利主要用到的原理是线激光三角测量法，因此下面主要介绍线激光三角测量法基本原理。 

线激光三角测量原理如图8所示，其中点p位于激光面上，点u位于成像面上，该原理是将线激光器和摄像机成一定角度放置（25°-45°之间），一字线激光器器将光线垂直投射在物体表面上，与此同时，摄像机拍下激光器照射下的目标的图片。在空间中，处于激光器照射下的点，除了成像在二维坐标图片上外，同时还位于激光器投射的扇面上，利用摄像机成像原理和激光面的约束关系，可以求出每个点的三维空间坐标。将激光器和摄像机安装在轨道吊或岸桥的吊具上四个角上，激光器投射在集装箱上，为一条直线，如果上下两个集装箱完全对齐的情况下，激光器光刀打到下面集装箱的上表面的物理长度8-12mm，如果少于或者多于这个距离，说明上下集装箱没有对齐，通过计算可以得出偏差是多少，误差能够控制在3mm内。 

在轨道集装箱门式起重机的着箱过程中，就上下集装箱之间是否能对齐的这一检测技术，目前还没有一种较好的解决方案。 

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种集装箱对箱检测装置，保证起重机准确地将集装箱放在另一个集装箱上面，确保对箱准齐，防止对箱不齐造成安全事故。 

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种集装箱对箱检测装置，包括摄像机、发光设备、支架、工控机，其中： 

发光设备，产生一光线； 

摄像机，采集图像； 

支架，其上安装发光设备和摄像机； 

工控机，连接摄像机，基于采集图像检测着箱过程中上下集装箱的对齐程度。 

根据本发明的集装箱对箱检测装置的一实施例，该发光设备是激光器，该光线是红外不可见光。 

根据本发明的集装箱对箱检测装置的一实施例，该摄像机的镜头前安装红外滤光片。 

根据本发明的集装箱对箱检测装置的一实施例，该支架包括第一支架和第二支架，其中第一支架上安装激光器和摄像机，第一支架通过焊接在吊具上的第二支架安装在吊具的四个角上。 

根据本发明的集装箱对箱检测装置的一实施例，第一支架上的激光器和摄像机的安装是可调节式的安装，激光器和摄像机之间的夹角、距离以及激光器的垂直度是可调节的。 

根据本发明的集装箱对箱检测装置的一实施例，第二支架上设有固定孔，通过螺栓固定第一支架，并通过固定孔上的垫片调整第一支架相对于第二支架的夹角。 

根据本发明的集装箱对箱检测装置的一实施例，工控机包括： 

初定位模块，对采集到的图像进行初定位，去掉图像的边缘部分，保留感兴趣区域； 

二值化模块，对图像进行二值化处理，进行图像标记； 

去干扰模块，消除图像中的干扰因素； 

直线细化模块，对去干扰后的图像进行细化处理并找到图像中的直线段，存储直线段的两个端点坐标； 

目标直线段寻找模块，从找到的直线段中寻找目标直线段，基于目标直线段计算上下集装箱的偏差。 

根据本发明的集装箱对箱检测装置的一实施例，工控机还包括： 

图像截取模块，基于目标直线段截取局部图像，以使此后的目标直线段在所截取的局部图像中进行寻找。 

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的方案是装置包括工业摄像机、激光器、安装摄像机和激光器的支架、工控机，在轨道式集装箱门式起重机的对箱作业过程中，以非接触式自动检测吊具上的集装箱和地上集装箱两者之间的偏差，以帮助实现起重机作业的全自动化，利用该装置进行准确快速的检测集装箱之间的偏差，实现集装箱之间的定位。采用本发明的方案，可实现检测距离为2.5－3.5米，检测精度达到3mm。对比现有技术，本发明能够精确、快速检测上下集装箱之间的偏差，保证轨道集装箱门式起重机在着箱过程中能够准确着箱。该套检查设备和方法操作简单有效，成本相对较低，易于实现，检测精度高。通过该套检测系统，很好的帮助轨道吊在着箱过程中的实现对集装箱的定位，完成轨道吊着箱过程的自动化。 

附图说明

图1是本发明的集装箱对箱检测装置的较佳实施例的结构图。 

图2示出了图1所示实施例的工控机的细化结构图。 

图3示出了图1所示实施例的工控机的流程图。 

图4示出了本发明的集装箱对箱检测装置的较佳实施例的安装示意图。 

图5A－5D示出了图4所示实施例的第一支架的结构图。 

图6A－6B示出了图4所示实施例的第二支架的结构图。 

图7示出了第一支架和第二支架的装配结构图。 

图8示出了线激光三角测量原理的示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。 

图1示出了本发明的集装箱对箱检测装置的较佳实施例的结构。请参见图1，本实施例的装置主要包括：摄像机3（例如是工业黑白摄像机）、发光设备（图1示出为激光器1，发射红外不可见光）、支架（图1中未示出）、工控机（图1中由控制器5 和外部控制设备6组成）。此外，本发明还可以包括电源设备，例如图1中示出的220V电源和变压器，为摄像机3、控制器5和激光器1供电。较佳的，在摄像机3的镜头前安装850纳米的红外滤光片，滤除可见光，消除干扰。 

请同时参见图4，示出了本发明的集装箱对箱检测装置的安装示意图。在支架2上安装摄像机3和激光器1，并通过锁头固定在吊具7的四个角上。在本实施例中，支架2由第一支架21和第二支架22组成。请参见图5A－5D，第一支架21上安装摄像机3和激光器1，而且这种安装是可调价方式的安装，激光器1和摄像机3之间的夹角和距离以及激光器1的垂直度是可调节。通过调整激光器1和摄像机3之间的距离和夹角满足现场调试。 

第二支架22焊接在吊具7上，作为第一支架21和吊具7连接的桥梁。请参见图6A－6B，在第二支架22上有四个长条形固定孔，不仅可以用螺栓固定第一支架21，同时可以通过在上面两个安装孔上添加垫片来调整第一支架21相对于第二支架22的夹角。通过调整两者角度，保证摄像机3拍摄到实际应用所需要的图片。装置的具体装配结构请参见图7所示。 

首先，采用激光器1产生一字线激光光，然后通过摄像机3采集图像，送入工控机中进行处理，工控机基于采集图像检测着箱过程中上下集装箱的对齐程度。工控机的原理请参见图2所示，包括：初定位模块、二值化模块、去干扰模块、直线细化模块、目标直线段寻找模块。 

请同时参见图3，初定位模块对采集到的图像进行初定位，去掉图像的边缘部分，保留感兴趣区域。二值化模块对图像进行二值化处理，进行图像标记。去干扰模块消除图像中的干扰因素。直线细化模块对去干扰后的图像进行细化处理并找到图像中的直线段，存储直线段的两个端点坐标。目标直线段寻找模块从找到的直线段中寻找目标直线段，基于目标直线段计算上下集装箱的偏差。 

较佳的，在工控机中还包括图像截取模块，基于目标直线段截取局部图像，以使此后的目标直线段在所截取的局部图像中进行寻找。 

工控机的运行流程如下：首先，对图像进行初定位，将图像的边缘部分去掉。对图像进行二值化，对图像中像素为255的块进行标记，并记录每个块的信息，包括最左边点坐标，最右边点坐标，最上边坐标，最下边坐标，和块像素的个数。将图像中的干扰去掉，比如块的宽度超过20个像素，则认为是干扰，将其归零。干扰去掉以后， 对激光器打出去的光刀进行细化，细化以后将图像的直线段都找出来，并将直线段的两个端点坐标存储。对找出来点直线段利用像素长度，以及直线上的点空间z坐标等进行约束，最终找到目标直线段，利用标定好的激光平面计算直线段在y轴方向的绝对长度，及为上下集装箱的偏差。找到目标直线段以后，下次寻找，就只在这个局部范围进行目标直线段寻找，缩小搜索范围，提高计算速度。 

较佳的，在本实施例的集装箱对箱检测装置还包括前期的安装与调节的过程，第一步，将摄像机3和激光器1安装在吊具7的四个角上面，安装后以后，摄像头3和激光器1通电，需要保证激光器1垂直打到集装箱上表面，调整好摄像机3和激光器1之间的夹角和距离，保证激光器1投射出去的光刀尽量处在图像的中间，这样可以保证更大的量程，整体安装示意图如图4所示。 

第二步：焦距调节，调整镜头对焦调节环，保证目标清晰成像。 

第三步：摄像头标定，标定得到相机内部参数，包括：纵向名义焦距，横向名义焦距，主点横坐标，主点纵坐标以及四个畸变系数（包括纵向径向畸变，横向径向畸变，纵向切向畸变，横向切向畸变）一共八个参数。 

第四步：激光平面标定，分以下几小步： 

1）选取一个标定阶梯状标定块，阶梯块的外观尺寸，高度信息都是已知。激光器平面垂直打在标定平面上。通过图像处理，编写相应的算法，本检测设备采用的是最小二乘法来找出目标图片三个转折点在二维图片中的像素坐标。 

3）利用摄像机成像原理和激光平面方程的约束，求出三个点在以摄像机光心为原点的空间坐标。 

4）三点确定一个平面，通过三个点，求可以求出激光平面在以摄像机光心为原点坐标系中的平面方程。至此激光器平面标定完毕。 

在完成上述步骤以后，对箱检测装置安装调节完毕，就可以进入对箱检测。 

吊具7上抓取一个集装箱，地上面放一个集装箱，吊具7上集装箱相对地面集装箱距离大概为0-30cm，让吊具7上集装箱相对下面集装箱向左（或向右）移动5mm，10mm，20mm，30mm，40mm。对比实际检测距离和标准值，如果误差控制在3mm内，说明检测系统工作正常，精度满足要求。 

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现和使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书所提到的创新性特征的最大范围。 

Claims (8)

1.一种集装箱对箱检测装置，包括摄像机、发光设备、支架、工控机，其中：

发光设备，产生一光线；

摄像机，采集图像；

支架，其上安装发光设备和摄像机；

工控机，连接摄像机，基于采集图像检测着箱过程中上下集装箱的对齐程度。

2.根据权利要求1所述的集装箱对箱检测装置，其特征在于，该发光设备是激光器，该光线是红外不可见光。

3.根据权利要求2所述的集装箱对箱检测装置，其特征在于，该摄像机的镜头前安装红外滤光片。

4.根据权利要求2或3所述的集装箱对箱检测装置，其特征在于，该支架包括第一支架和第二支架，其中第一支架上安装激光器和摄像机，第一支架通过焊接在吊具上的第二支架安装在吊具的四个角上。

5.根据权利要求4所述的集装箱对箱检测装置，其特征在于，第一支架上的激光器和摄像机的安装是可调节式的安装，激光器和摄像机之间的夹角、距离以及激光器的垂直度是可调节的。

6.根据权利要求4所述的集装箱对箱检测装置，其特征在于，第二支架上设有固定孔，通过螺栓固定第一支架，并通过固定孔上的垫片调整第一支架相对于第二支架的夹角。

7.根据权利要求1所述的集装箱对箱检测装置，其特征在于，工控机包括：

初定位模块，对采集到的图像进行初定位，去掉图像的边缘部分，保留感兴趣区域；

二值化模块，对图像进行二值化处理，进行图像标记；

去干扰模块，消除图像中的干扰因素；

直线细化模块，对去干扰后的图像进行细化处理并找到图像中的直线段，存储直线段的两个端点坐标；

目标直线段寻找模块，从找到的直线段中寻找目标直线段，基于目标直线段计算上下集装箱的偏差。

8.根据权利要求1所述的集装箱对箱检测装置，其特征在于，工控机还包括：

图像截取模块，基于目标直线段截取局部图像，以使此后的目标直线段在所截取的局部图像中进行寻找。

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