雙目避障系統在橋式起重機上的應用

劉 曦 柳文軒 阿麗米熱·阿布來提 麥吾蘭·伊力哈木

（新疆大學機械工程學院，烏魯木齊 830017）

近年來，各種大型機械層出不窮，雖然為社會的發展帶來了便捷，但是隨之而來的還有多種安全事故。如何降低大型機械安全事故的發生率成為了當代社會的重要課題。橋式起重機在生活中應用范圍較廣，如港口、工廠、工地等場所中都會用到橋式起重機[1]。在橋式起重機運行過程中，由于操控者視野范圍有限，需要地面的指揮人員實時觀察并向操控者反映運行狀況，若是配合不當或操作失誤，橋式起重機可能會連帶目標物共同撞在障礙物上，從而導致吊鉤沖頂、負重超載、擠壓碰撞以及吊繩斷裂等安全事故，輕則造成經濟損失，重則造成人員傷亡。

若是有一種自動避障系統，可以根據現場的實時情況，直接作出相應指令或提醒操控者出現安全隱患待處理，并且能夠在危險來臨前自動執行避障、制動等操作，使橋式起重機免于安全事故，就可以多一份安全保障，同時降低安全事故的發生率。針對這個問題，課題研究小組提出了利用雙目攝像頭掃描橋式起重機運行環境中所有物體的邊緣像素點，構建三維虛擬環境，并根據實時數據計算橋式起重機及目標物與障礙物之間的實時距離，通過得出的數據與提前設定好的安全值進行比較，從而確定系統是否需要作出警告、避障、制動等指令的方法。

1 雙目視覺避障系統

1.1 雙目視覺的成像原理

雙目視覺是計算機視覺研究領域的熱點，它通過利用雙目攝像頭采集信息，然后由計算機的軟硬件進行分析、計算，并對采集到的圖像進行處理，來達到模仿動物雙眼所形成的視覺效果[2]。該原理可以通過兩臺完全一致的攝像機獲取環境的三維信息，與人的雙眼類似，它能夠通過看到的圖像觀察物體與自身之間的距離，并獲得較為明顯的深度感[3]。本文主要研究如何利用雙目視覺原理來進行避障。

雙目視覺系統由兩個完全一致的攝像頭平行放置組成，能夠同步獲取前方物體的位置信息，因為三維空間中兩臺相機之間有一定的距離，所以目標物上的目標點在左右兩幅圖像中成像的像素點有一定偏差，這個偏差即為視差[4]。雙目視覺系統是基于視差，由三角法原理獲取三維信息，并由兩個攝像機的圖像平面和另一側物體之間構成一個三角形，利用兩個攝像頭之間的位置關系，得知目標物的三維尺寸以及特征點的空間坐標的成像方法。由雙目視覺基本原理可知，要想獲得三維空間內某一點的坐標，則需要在兩臺攝像機中找該點的對應點，如圖1 所示。

圖1 雙目立體成像原理圖

1.2 雙目視覺三維測量原理

由圖1 可知，兩臺攝像機投影中心連線的直線距離為基線距離B，相機焦距為f，P為兩臺攝像機在同一時刻看到物體的特征點，分別在“左目”和“右目”上獲取P點的圖像，坐標分別為P1=（X1，Y1）；P2=（X2，Y2），由幾何關系可得：

可推算出視差D=X1-X2，再由此來推算出P點的三維坐標為：

由此可知，只要兩臺攝像機可以找到對應的匹配點就可以確定該點的三維坐標。并且基線越長，測量范圍就越遠。

1.3 雙目視覺避障系統的流程

雙目視覺避障系統的流程如圖2 所示，具體判斷位置的方式為：通過攝像頭獲取前方的環境圖像，判斷前方是否有目標對象，若有則獲取目標對象的深度信息，然后判斷目標對象中是否存在障礙物，若存在，則獲取起重機與障礙物之間的距離，從而根據距離進行避障，若不存在，則說明目標對象僅為地面，則不采取避障措施。

圖2 雙目避障系統在起重機上的避障原理

關于安全值的設定，需根據目標物的形狀、現場的環境等因素進行選擇。確定安全值R0之后，系統會根據虛擬環境中的實時數據計算橋式起重機和目標物與障礙物之間的實時距離R1，然后自動比較R0和R1的值，若R1＞R0，則系統不發出危險指令，反之則發出危險指令，提醒操控者可能會出現危險；若操控者未及時作出有效處理，當R1≤0.5R0時，避障系統會立即對橋式起重機進行制動處理，直至工作人員對障礙物作出了有效處理。

2 雙目避障系統在起重機上的應用

起重機運行時所遇到的障礙物類型主要分為靜態障礙物和動態的障礙物2 類。對于起重機而言，靜態障礙物是在運行之前便能觀察到的，可以在運行之前規劃好路線及時躲避；動態障礙物在起重機運行過程中出現的時間及位置都無法預知，因此無法提前規劃路線[5]。雙目避障系統可以對其捕捉到的動態障礙物進行跟蹤，并通過跟蹤的結果判斷接下來的運動趨勢，從而達到更好地避障效果。

2.1 雙目立體相機的應用

考慮到橋式起重機的作業場景和安裝成本等，本文選用雙目立體相機作為避障系統中獲取信息的儀器。與單目相機只能簡單獲取二維的場景信息相比，雙目相機不但可以獲取圖像，還可以運用三角測量原理對所測量場景進行三維重建，從而直觀地獲取障礙物的空間位置及形狀大小等信息。

雙目立體相機的鏡頭焦距、兩攝像頭之間基線長度等因素決定了雙目避障系統的結構，并且對系統的測量范圍有著直接影響，傳統雙目立體相機的外殼已經封裝好，其焦距以及基線長度都無法改變，對于使用場景的局限性較大。因此，為了增大雙目避障系統在橋式起重機上的使用范圍，本文采用自建相機的形式來完成在橋式起重機上的運用。自建相機由于不受外殼的限制，其基線及焦距均可根據使用場景及視野范圍進行調整，使用范圍更廣，使用時限制的條件也更少。自建相機分為傳感器和處理器兩部分，其中傳感器部分主要由如圖3 所示的兩臺工業相機組成，該相機可根據使用條件及場景更換不同的鏡片從而組合出所需焦距。

圖3 SENTECH 工業相機

雙目立體相機的安裝位置可根據需求進行選擇，起重機中可供工業相機選擇的安裝位置如圖4 所示，其中深色方塊所示區域即是工業相機的安裝位置。安裝時，兩相機之間的基線距離可根據使用范圍的大小進行調整。另外，對于圖4 中沒有展現到的單梁橋式起重機也可根據實際情況安裝工業相機。相機的處理器部分可以安裝在起重機的控制室內，通過控制室顯示屏向控制者實時傳輸地面狀況，從而使控制者作出準確及時的判斷。

圖4 可供工業相機選擇的安裝位置

2.3 雙目避障系統在起重機限位器上的應用

限位器是保護起重機升降機構安全運行的裝置，起重機升降機構上分別有上升極限限位器和下降極限限位器。在起重機作業過程中，當升降機構到達設定的極限位置時，限位器會及時發出報警信號，同時自動切斷向危險方向運行的動力源。由于限位器在工作時會出現老化、磨損等情況，若不及時檢查和維護，會出現限位器失靈的情況，容易發生重大事故，從而威脅到人身安全，造成不可逆的后果。雙目攝像頭很好地避免了限位器后期需要檢查維護的工作，當升降機構的吊鉤上升到設定的距離時，它能夠通過精準的算法判斷是否會發生危險，然后把信息傳到起重機動力系統，從而自動切斷動力源，制止升降機構的運行。

3 結論

本文構建了一種雙目避障系統在橋式起重機上的應用方法，結論如下：

（1）將雙目避障系統與橋式起重機相結合，可以減少起重機在運行時遇到視覺盲區而引發事故的情況；

（2）在運行中，由系統捕捉周圍環境的實時畫面并傳輸到起重機控制室，能夠幫助操控者了解地面情況，從而確定障礙物位置；

（3）結合避障系統算法對物體進行三維重建，判斷出作業區域的障礙物位置信息，能夠使起重機安全平穩地運行。