具有无线通信和全景视觉功能的集装箱吊具

具有无线通信和全景视觉功能的集装箱吊具
汤一平;杨冠宝
【摘要】集装箱吊装过程中将集装箱吊具上的四角旋锁对准集装箱的角孔是一项高难度的工作,针对目前在吊装作业时集装箱的角孔位置看不见,对不准等问题,提出了一种具有无线通讯和全景视觉功能的集装箱吊具;首先,采用全方位视觉传感器(Omni-Direction-al Vision Sensors,ODVS)来采集集装箱的顶部全景视频图像,以便装卸人员能快速地将集装箱吊具对准集装箱的角孔;其次,利用无线通讯技术将所采集的全景视频图像传输到驾驶室的显示屏幕上;通过对1m和30m位置的图像采集试验结果说明,这种带有无线通讯和全景视觉功能的集装箱吊具抗干扰性能好、无需布线、安装方便等优点,可以实现集装箱装卸过程的全景实时无死角监控.%It' s a difficult job for container spreader system to make the rotating lock blocks aim at the corner holes in the direction of four top apex angles, which easily lead to be caught invisibly sight of the location of the corner holes and fail to aim at the holes correctly. This paper discusses a new container spreader system based on wireless communication and panoramic view. Firstly, it can get panoramic images of the top view of containers by Omni-Directional Vision Sensors (ODVS) so as to help operators conveniently aim at the corner holes; Secondly, this system transfers the collected images to the display screens in the operating room by wireless communication being implemented by embedded system. And the results of experiments by simulation equipments show that this system has many advantages, such as anti-jamming function, no disposal for
cables, and convenience of installing, at without dead angle monitoring manipulation of carrying containers in Real - time.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2011(019)004
【总页数】3页(P924-926)
【关键词】集装箱吊具;无死角全方位视觉传感器;无线通讯;嵌入式系统
【作者】汤一平;杨冠宝
【作者单位】浙江工业大学信息工程学院,浙江,杭州,310032;浙江工业大学信息工程学院,浙江,杭州,310032
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.4
0 引言
集装箱运输是非常常见的大规模运输手段之一,尤其多见于海上远洋跨国运输。

集装箱是占用空间较大的标准钢结构体,体积相庞大,在码头空间资源短缺的情况下,码头放置费用昂贵[1],而集装箱吊具通常采用高强度钢制作,从结构上看像一个钢制框架,四角配备扭锁和导向装置,由驾驶室遥控。

大量的研究结果表明,集装箱码头的设备即使再先进,其运行效率也取决于集装箱吊具。

目前基本上都是靠高技术工人用手动控制的方式来完成这项高难度的工作的。

目前在驾驶室中操作集装箱吊具的基本动作,如向前、向后、向左、向右、向下、向上等基本动作都是凭借操作人员的眼睛来观察,然后做出决策判断,最终通过操作
手柄来实现控制的。

有时候集装箱之间由于相互叠放,所叠放的高度往往会超过驾
驶员的视野高度,即存在着看不见的问题。

另外由于驾驶室与要吊装的集装箱距离
过远,存在着驾驶员看不清楚的问题。

1 相关技术
针对上述问题,有些学者尝试采用模拟视频技术来帮助驾驶员来拓展视野范围[2],将模拟摄像头安装在集装箱吊具上,然后利用线缆将视频信息传输到驾驶室内。

这种
解决方案存在着以下几点不足:(1)由于模拟摄像头的视野范围有限,一般只有45°左右的视场范围,使得驾驶员难以快速把握吊具与集装箱的相互位置;(2)有线模拟视频信号的传输距离有限,信号容易产生衰减、畸变,并且易受干扰,使图像质量下降;(3)
集装箱吊具经常要实现起吊、平移、回转动作,由于在终端数据采集装置与控制室
之间的线缆距离比较长,伸缩范围比较大,并且有线介质本身容易老化而失去信号传
输功能。

针对上述存在的问题,本文提出了一种具有无线通讯和全景视觉功能的集装箱吊具。

近几年发展起来的无死角全方位视觉传感器为实时获取集装箱顶部的全景图像提供了一种全新的解决方案。

再结合无线传输技术使得操作人员能通过驾驶室内的显示屏指示快速地将集装箱吊具对准集装箱的角孔。

这种解决方案就好比将集装箱吊具上装上了一副远程全球眼,且具有视频信号传输稳定、安装维护容易等优点。

下面
本文从嵌入式技术、无线局域网组网技术以及数字视频监控技术和全方位视觉技术等4个方面进行阐述。

2 具有无线通讯和全景视觉功能的集装箱吊具的设计
2.1 集装箱吊具系统的结构
嵌入式系统是指以计算机技术为基础、以应用为中心、软件硬件具有可裁剪功能,
对可靠性、功耗、体积、成本等有着严格要求的专用计算机系统。

无线网络的发展为视频音频这样大数据量的业务在无线网络上应用提供了契机[3]。

无线视频通信是视频和移动通信这两个领域的技术相互交叉的产物,它除了提供视
频服务外,还具有建设速度快,安装灵活方便等优点,还能在布线困难的地方实现视频通信,因此无线视频通信具有广阔的应用前景。

与传统的有线、模拟视频传输系统相比,数字化无线视频传输系统具有如下特点:①
便于进行压缩、分析、存储和显示;②数字信息抗干扰能力强,不易受传输线路信号
衰减的影响等[4]。

由于这些无法比拟的优点,数字视频传输正逐步取代模拟传输,广泛应用于各行各业,特别适用于在移动物体内的无线视频监控。

并结合多媒体、图
像处理、网络技术与信息技术,可以完全满足人们对远程视频图像获取的需求。

具有无线通信和全景视觉功能的集装箱吊具采用嵌入式系统与无线收发模块实现视频数据采集和无线传输;通过用户应用程序实现吊具在起吊、平移、回转动作的实
时监控。

图1为具有无线通讯和全景视觉功能的集装箱吊具系统的结构图。

图1 具有无线通讯和全景视觉功能的集装箱吊具系统的结构图
吊具的下方中央安置无死角的全方位视觉传感器(Omni-Directional Vision Sensors,ODVS),并且将其视频数据与嵌入式系统相连接。

嵌入式系统主要负责操
作系统管理、视频数据的采集和无线视频数据的收发,与嵌入式系统相连接的还有DSP芯片;DSP芯片主要负责图像的压缩,压缩后的视频图像经内置无线网卡用视频服务器的方式发送出去。

无线收发模块,用于无线局域网内的无线通信。

WLAN(无线局域网)有多种配置方式,能够根据需要灵活选择。

目前常见的无线网络标准[5]有IEEE 802.11b、802.11a、802.11g。

802.11 g接入点支持802.11b和802.11g客户设备,本系统采用了802.11b/g标准,可以按需求使用不同的标准进行通信而无须更换设备。

IEEE802.11b/g无线通信作为监控视频通信的优点主要体现在:1)速度快,最大数据
传输速率为54Mb/s,无须直线传播;2)可靠性高,使用与以太网类似的连接协议和数
据包确认,来提供可靠的无线视音频数据传送和网络带宽的有效使用;3)漫游支持功能[6]。

2.2 无死角全方位视觉传感器
ODVS的特点是视野广(360°),能把一个半球视野中的信息压缩成一幅图像,一幅图像的信息量更大;获取一个场景图像时,ODVS在场景中的安放位置更加自由;监视环境时ODVS不用瞄准目标。

本文将ODVS配置在集装箱吊具的正中央,以便通过ODVS能俯视整个集装箱的顶部。

由于目前的ODVS技术都存在着死角,即在ODVS的正下方或者正上方存在部分死角。

为了能获取整个集装箱的顶部的视频图像,本文采用了无死角的ODVS,图2为无死角ODVS的结构图[7]。

具体实现方法是:在一次折反射镜面的顶部留出一个小孔,摄像机通过该小孔能拍摄到一次折反射镜面后面的图像信息,通过该小孔能拍摄到一次折反射镜面后面的图像信息的大部分二次折反射镜面上所折反射的图像;另一方面将广角镜头配置在二次折反射镜面上,通过摄像部件镜头与广角镜头的组合方式加上第一折反射镜面以及第二折反射镜面的设计,能有效地覆盖原来的ODVS的死角部分。

具体无死角ODVS的设计方法请参考文献[8]。

图2 全方位视觉传感器结构图
本文中将无死角的 ODVS配置在吊具下部中央,使得ODVS能捕获到整个集装箱顶部视图。

图3为具有无线传输功能的无死角ODVS实物图。

图3 具有无线传输功能的无死角ODVS实物图
2.3 嵌入式系统和无线收发模块的设计
2.3.1 BootLoader的设计
BootLoader指系统启动后,在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。

用Jtag 电缆连接通用PC机的并口和嵌入式板子的Jtag口,然后用Jflash-s3c2410烧写程序将BootLoader(本系统采用vivi作为BootLoader)烧录到s3c2410板子的
nand flash中[9]。

2.3.2 准备交叉编译环境
系统采用3.4.1版本的ARM-Linux-GCC交叉编译工具包,交叉编译工具包可以自已编译生成,也可以到网上下载,然后将工具链路径加入系统路径PAT H中。

2.3.3 嵌入式Linux操作系统移植
首先从官方网站上下载Linux 2.6.14内核。

修改少量的代码就能顺利地移植到
S3C2410板子上,然后修改内核源码相应的文件,添加对USB驱动以及CS8900A 网卡驱动的支持。

对内核进行适当的配置是一个量体裁衣的过程。

由于2.6内核会根据本地系统配置进行初始设置,可以导入内核源码默认s3c2410的配置文件,方便加载内核基本配置,然后再选择所需选项。

对内核进行编译产生zImage的内核映像。

Linux支持多种文件系统,本系统使用CRAMFS格式的只读根文件系统,而将FLASH中的USER区使用支持可读写的YAFFS文件系统格式,方便添加自己的应用程序。

使用BusyBox可以方便地创建根文件系统,只需建立一些必备的目录,添加所需配置文件,如fstab、inittab等,然后添加必要的动态函数库,最后使用mkyaffsimage命令将整个根文件系统制作成映像文件。

烧录内核映像文件和根文件系统。

采用串口连接线连接通用PC机的串口和
s3c2410板子的串口,使用windows环境中的超级终端(在Linux环境中可以使用minicom),进行必要的设置后启动嵌入式板的BootLoader。

在vivi的提示符下使用命令“load flash kernel x”把内核映象烧录到nand flash中;用命令“load flash root x”将根文件系统映像文件烧入nand flash中。

2.3.4 USB无线网卡驱动的移植
本系统采用TP-LINK公司生产的USB无线网卡,该无线网卡的linux驱动程序可以
到网站/下载。

通过交叉编译器编译USB无线网卡驱动,然后编译成USB无线网卡驱动模块。

为了方便地对无线的工作参数进行设置,还需要移植无线扩充工具包,生成无线配置命令。

2.4 图像压缩标准
本系统采用的视频传输格式采用MPEG4压缩技术,MPEG是数字音频压缩技术。

它是一个影音串流视讯压缩技术及商业标准格式,继 MPEG2、MP3、VCD、DVD 之后,MPEG4之优势压缩比(最大可达4000∶1),低位元速率,较少核心程式空间,加强运算功能及强大通讯应用整合能力,己成为影音数位视讯产业最重要之功及标准格式[10]。

本系统采用MPEG4压缩标准,压缩算法在DSP芯片中实现。

3 实验研究
模拟集装箱吊装过程中将集装箱吊具上的四角旋锁对准集装箱的角孔的操作动作,目的是要获得集装箱吊具与集装箱的相对位置关系。

试验参数为:Celeron 1.5Ghz 1G内存,Windows平台,ODVS全景装置,内置CCD 550线摄像头。

实验中采用乒乓球桌模拟集装箱,在乒乓球桌的中心点放置一个标记物品模拟集装箱的中心点;将无死角ODVS固定在模拟集装箱吊具上,无死角ODVS上配置有无线视频数据传输功能嵌入式系统;将带有无线网卡的手提电脑模拟驾驶室内的显示屏,具有无线通讯功能的无死角ODVS与手提电脑之间采用点对点的无线通讯,实验装置如图4所示。

并且,从图4手提电脑中能够看到整个乒乓球桌面的视频图像。

图5为将手提电脑分别移动到距离无死角ODVS为1m和30m时获取的视频图像。

实验结果表明,从拍摄图像中可以清晰地识别桌面中心的标志物品和整个乒乓球桌面,以便操作人员有效地通过视频方式观测下方目标,并通过角度和方向调整来达到预期位置。

4 结论与展望
本文设计的具有无线通讯和全景视觉功能的集装箱吊具具有抗干扰性能好、无需布
线、安装方便等优点;实验结果论证了嵌入式无线发送模块设计的有效性以及无死角全方位在获取全景视频图像方面的优势。

在本实验测试中,超过50m数据FPS 信号明显衰退,每分钟帧率 (FPS)急剧减少,当距离ODVS为100m时视频信号很微弱。

这是由于无线视频信息在室内墙壁上受到了遮挡,如果在空旷的室外情况下,有效传输距离可以达到100m,能满足驾驶室和集装箱吊具之间的无线通讯要求。

图4 具有无线传输和全景视觉功能的实验装置
图5 通过无线通讯方式采集的全景视频实验数据
展望今后的研究工作,我们将致力于计算机视觉方面以及集装箱吊具的自动控制方面的研究。

尝试通过边缘检测等检测算法自动计算集装箱吊具对准集装箱的角孔所需的旋转角度与偏移量,最终实现智能化的集装箱吊具系统。

参考文献:
【相关文献】
[1]韩福峰.新型折叠式双40英尺集装箱吊具——新型绳牵引并联机器人机构综合与分析[D].上海:上海交通大学,2006.
[2]周远大.一种集装箱吊具[P].中国专利:200510101948,7,2007:06-13.
[3]A.Mainwaring,J.Polastre,R.Szewczyk,et al.Wireless sensor networks for habitat monitoring[A].Proceedings of the 1st ACM international workshop on Wireless sensor networks and applications[C].New York:ACM Press,2002:88-97.
[4]陈龙.为什么数字监控系统正取代模拟系统[J].中国安防产品信息,2002,(1):37-39.
[5]杨文东.IEEE 802.11无线局域网标准发展历程及其发展方向[J].电信工程技术与标准
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[6]葛广英.网络化多媒体实时监控系统的应用研究[J].电视技术,2001,(4):81-84.
[7]汤一平,富吉勇,陈耀宇.基于全方位计算机视觉的遗留物检测系统[J].计算机测量与控
制,2010,(3):517-519.
[8]汤一平,严海东,陈龙艳,等.无死角的全方位视觉传感器的设计[J].仪器仪表学报,2009,30(5):1-5.
[9]汤一平,赵煦华,周宗思.基于无线通信的电梯视频监控系统[J].计算机工程,2008,(3):264-265.
[10]仲丛久,张芝贤,等.视频图像压缩处理的研究与应用[J].数据采集与处理,2006,(1):75-77.。