LiTH Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Kravspecifikation. Mikael Ögren Version 1.3. Status PROJEKTIDENTITET

Transkript

1 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Mikael Ögren Version.3 Granskad Godkänd Status PROJEKTIDENTITET 09/HT, CaPS Linköpings tekniska högskola, ISY

2 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Namn Ansvar Telefon E-post Mohsen Alami designansvarig (DES) Tobias Andersson dokumentansvarig (DOK) Fredik Bodesund designansvarig (DES) Isac Duhan Emil Granberg Erik Jakobsson testansvarig (TST) Axel Landgren hemsideansvarig (HEM) Olof Larsson Mikael Ögren projektledare (PL) E-postlista för hela gruppen: Hemsida: Kund: ABB, Västerås, tele: , fax: , info@se.abb.com Kontaktperson hos kund: Johan Sjöberg, , johan.sjoberg@se.abb.com Beställare: Martin Skoglund, , ms@isy.liu.se Kursansvarig: David Törnqvist, , tornqvist@isy.liu.se Handledare: Fredrik Lindsten, , lindsten@isy.liu.se 2

3 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Innehåll DOKUMENTHISTORIK...6 INLEDNING...7. PARTER SYFTE OCH MÅL ANVÄNDNING BAKGRUNDSINFORMATION DEFINITIONER ÖVERSIKT AV SYSTEMET GROV BESKRIVNING AV PRODUKTEN PRODUKTKOMPONENTER BEROENDEN TILL ANDRA SYSTEM INGÅENDE DELSYSTEM Bildbehandling Sensorfusion Reglering Simuleringsmiljö AVGRÄNSNINGAR DESIGNFILOSOFI GENERELLA KRAV PÅ HELA SYSTEMET BILDBEHANDLING GENERELLA KRAV PÅ BILDBEHANDLINGEN GRÄNSSNITT SENSORFUSION GENERELLA KRAV PÅ SENSORFUSIONEN GRÄNSSNITT REGLERING GENERELLA KRAV PÅ REGULATORN GRÄNSSNITT SIMULERINGSMILJÖ GENERELLA KRAV PÅ SIMULERINGSMILJÖN GRÄNSSNITT EKONOMI LEVERANSKRAV OCH DELLEVERANSER DOKUMENTATION UTBILDNING...25 UNDERHÅLLSBARHET...25 APPENDIX A - GRUPPKONTRAKT GRUPPKONTRAKT FÖR CAPS I TSRT GRUPPAKTIVITETER OCH GRUPPMÖTEN

4 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar BEMÖTANDE OCH KOMMUNIKATION PRIORITERINGAR OCH AKTIVITETER

5 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Dokumenthistorik version datum utförda förändringar utförda av granskad Fjärde versionen, ändrat krav 30 och 43 MÖ TA Tredje versionen, ändrade formuleringar, ändrade prioriteter samt tillkomna krav MA MÖ Andra versionen, ändrade krav MÖ MS Första versionen CaPS MÖ, MS Tredje utkastet CaPS MÖ, MS, FL Andra utkastet CaPS MÖ, MS Första utkastet CaPS MÖ, MS 5

6 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Inledning Projektets syfte är att utvärdera hur långt man kan nå med att använda standardvideokameror för att skatta positionen för en hamnkran med dess last. Kranens uppgift är att förflytta containrar i ett containermagasin. Således skall det även utredas vilka reglermöjligheter det finns för att styra containerpositionering utifrån skattad position. Figur. Systemet i dess omgivning. Kraven beskrivs enligt nedanstående; kravnummer, eventuella förändringar, beskrivning av kravet och prioritet för kravet. Krav med prioritet är obligatoriskt för godkänd slutleverans. Prioritet 2 är möjlig utökning i mån av tid. Förändring Kravtext för krav nr X prioritet. Parter Parter som ingår i projektet är ABB PA/Cranes och Reglerteknik (ISY) vid Linköpings Universitet samt projektgrupp från Linköpings Universitet. Kund: Johan Sjöberg (ABB) Beställare: Martin Skoglund (Reglerteknik, ISY) Examinator: David Törnqvist (Reglerteknik, ISY) Projektgrupp Projektledare: Mikael Ögren Dokumentansvarig: Tobias Andersson 6

7 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Testansvarig: Erik Jakobsson Designansvarig bildbehandling: Fredrik Bodesund Designansvarig mekanik: Mohsen Alami Hemsideansvarig: Axel Landgren Isac Duhan Emil Granberg Olof Larsson.2 Syfte och mål Syftet är att med ett kamerasystem skatta en kranboms och en lasts position för hamnkranar, se figur. Målet är att utvärdera om det är möjligt att använda konventionella kameror vid denna typ av positionsskattning samt att utvärdera om positionsskattningen är tillräcklig för reglering..3 Användning Ett kamerabaserat system skulle kunna ersätta eller komplettera det befintliga laserbaserade positioneringsystemet..4 Bakgrundsinformation I hamnar är automatiska spårkranar vanliga. Kranarna används för att stapla containrar som nyligen anlänt till hamnen. Det är mycket viktigt att reglersystemet som används för att stapla containrar gör det med hög precision, samtidigt finns det ett intresse av att hitta billigare lösningar. Det är därför intressant att skatta positionen med hjälp av kamera samt utvärdera om skattningen duger för reglering/positionering. 7

8 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Definitioner Se figur 2 för en överblick av definitioner. Bom/Girder Trolley/Trall a Gauntry Spreader Hoist Container Räls Figur 2. Överblick av definitioner Hoist Längden från tralla till spreadern. Trolley/Tralla Vagnen som löper över bomen. Spreadern Anordningen som fäster vid containern. Gauntry Hela ställningen som utgör kranen. Container Den last som kranen lyfter. Landmärken En punkt som kan beskrivas i ett fixt, globalt koordinatsystem. Featurepunkt En punkt som relaterar till ett fysiskt landmärke, typiskt containerhörn. 8

9 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Översikt av systemet Kamerafilm Bildbehandling Simuleringsmiljö Sensorfusion Regulator Simulerad bildbehanding Figur 3. Översikt av systemet 2. Grov beskrivning av produkten Figur 3 visar en grov översikt av systemet. Systemets uppgift är att skatta position hos kranbom och last utifrån videosekvenser. Videobilder från ett antal kameror signalbehandlas i bildbehandlingsblocket. Den behandlade informationen från varje kamera samlas i sensorfusionsblocket som utnyttjar samma data för att med hjälp av en mekanikmodell bestämma aktuella tillstånd (position, hastighet) för last och kran. Regleringsblocket använder dessa tillstånd för att reglera kranen. Kranen simuleras i en simuleringsmiljö. 2.2 Produktkomponenter Slutleveransen kommer bestå av en rapport där det föreslagna systemet är utvärderat motiverat med resultat från simuleringar. Detta kommer att levereras tillsammans med de dokument som har producerats under projektets gång. 2.3 Beroenden till andra system Systemet har inga beroenden utan är designat helt separat. Slutsatser kommer att vara tagna utifrån uppsatta förhållanden. 9

10 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Ingående delsystem Nedan följer en beskrivning av de olika delsystemen Bildbehandling Systemet tar emot data från en, eventuellt flera kameror. Bildbehandlingsblocket utför digital bildbehandling av varje kameradataström. Efter behandling av brus och dylikt så utvärderas konturer och andra element i bilden. Detta resulterar i ett antal featurepunkter från varje bild Sensorfusion I detta delsystem fusioneras all kameradata och används tillsammans med den valda mekanikmodellen för att estimera position, hastighet och andra tillstånd hos kran och last Reglering I detta delsystem ska en regulator tas fram som kan hantera upptagning, nedsättning samt förflyttning av container Simuleringsmiljö I detta delsystem simuleras kranen utifrån styrsignaler ifrån regulatorn samt yttre förhållanden. 2.5 Avgränsningar Systemet skall endast hantera containrar av storlek 40 fot. Systemet skall endast ha stöd för en kran per avdelning. Systemet kommer att anpassas för en typ av kamera. Systemet utgår från att status av container i spreader är känt. Systemet utgår från att hoist är känd. 2.6 Designfilosofi Systemet skall vara modulärt i största möjliga mån, och all källkod skall vara välorganiserad och lättläst. Kända lösningsmetoder skall användas i största möjliga mån. 2.7 Generella krav på hela systemet Nedan anges krav som gäller hela systemet generellt. 0

11 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Krav nr Original Systemet skall vara modulbaserat (designkrav) Krav nr 2 Original Systemets programkod skall vara skrivet i MatLab (designkrav) Krav nr 3 Förändrat Systemet skall arbeta i kamerans bilduppdateringshastighet, dock ej över 30 Hz Struket Krav nr 4 Original Simulering av systemet skall göras i Simulink. Krav nr 5 Original Alla använda estimeringsmetoder skall vara motiverade och refererade. Krav nr 6 Original Alla dynamikmodeller skall vara tydligt motiverade och refererade. Krav nr 7 Original Systemets robusthet vid varierande väderförhållanden, enligt bilddata, ska utvärderas. Krav nr 8 Original Systemet skall hantera två eller fler kameror. 2

12 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Bildbehandling Videoström Features från marken Bildbehandling Utsläppt hoist och containerstatus i spreadern Features från containern Figur 4. Bildbehandlingen I bildbehandlingen, se figur 4, kommer en videoström att analyseras och utifrån denna identifiera featurepunkter som sedan kan användas i sensorfusionen. Bildbehandlingen kommer att hanteras separat ifrån de andra delsystemen då det ej kommer kunna åstadkomma en komplett återkoppling där videoströmmen påverkas av styrsignalerna till kranen. Målet för bildbehandlingen är en analys av med hur stor noggrannhet featurepunkter kan identifieras. 2

13 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Generella krav på bildbehandlingen Generella krav ställda på bildbehandlingen. Krav nr 9 Original Ur given videosekvens skall featurepunkter på marken identifieras. Krav nr 0 Förändrat Ur given videosekvens skall featurepunkter relaterade till landmärken på spreader/container identifieras. Krav nr Original Noggrannheten på featurepunkter ska estimeras, genom att skatta variansen. Krav nr 2 Original Noggrannheten vid varierande väderförhållanden, enligt bilddata, ska undersökas. Krav nr 3 Original Bildbehandlingen skall använda sitt egna relativa koordinatsystem 2 Krav nr 4 Original Programkoden skall kunna stödja två eller fler kameror. 2 Krav nr 5 Original Systemet ska kunna utläsa container- och lastbilsnummer Gränssnitt Krav ställda på bildbehandlingen för hur den ska interagera med resterande delsystem. Krav nr 6 Original Insignal till bildbehandlingsdelen skall vara en bildström. Krav nr 7 Förändrat Utsignal från bildbehandlingen ska vara featurepunkter och hastighet för trallan. 3

14 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Sensorfusion Dynamikmodell Featurepunkter från bildbehandling (både fr. mark och container) Sensorfusion Position och hastighet för kran och container Utsläppt hoist från regulatorn Figur 5. Sensorfusionen Sensorfusionen, se figur 5, ska utifrån featurepunkter givna av bildbehandlingen/simuleringsmiljön kunna skatta positionen på kameran, samt positionen på containern/spreadern. Den ska även estimera med hur stor säkerhet positionerna är givna utifrån osäkerheten i featurepunkter och dynamikmodell. 4

15 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Generella krav på sensorfusionen Generella krav ställda på sensorfusionen. Krav nr 8 Original Sensorfusionen skall skatta trallans position och hastighet, samt containerns/spreaderns relativa position i två dimensioner, alltså ej vertikal-led. Krav nr 9 Original Noggrannheten på estimerade tillstånd skall bestämmas. Krav nr 20 Original Sensorfusionsdelen skall ha en inneboende dynamikmodell för att estimera featurepunkternas rörelse relativt kameran. Krav nr 2 Förändrat Som dynamikmodell för sambandet tralla och spreader skall trackingmodell användas. Krav nr 22 Tillkommit Som dynamikmodell för sambandet tralla och spreader skall dubbelpendel användas. 2 Krav nr 23 Original Mätbrus ska ingå i modellen. Krav nr 24 Original Sensorfusionsdelen ska skatta position för närliggande containrar i containerblocket. 2 5

16 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Gränssnitt Krav ställda på sensorfusionen för hur den ska interagera med resterande delsystem. Krav nr 25 Förändrat Insignal till sensorfusionsblocket (i Simulink) skall vara längden på hoist och skattade featurepunkter från simuleringsmiljön Krav nr 26 Förändrat Utsignal från sensorfusionsblocket skall vara trallans skattade position i två dimensioner samt spreaderns skattade position i tre dimensioner. Krav nr 27 Förändrat Sensorfusionen, i Simulink, får höjd på underliggande container som insignal. Krav nr 28 Förändrat Utsignal från sensorfusionen skall vara spreaderns skattade yaw. Krav nr 29 Förändrat Utsignal från sensorfusionen skall vara spreaderns skattade roll och pitch. Krav nr 30 Förändrat Ett 90% konfidensintervall för spreaderns skattade position måste vara inom en cirkel, med radie 5 centimeter, statiskt. Krav nr 3 Original Ett 90% konfidensintervall för spreaderns skattade position måste vara inom en cirkel, med radie 0 centimeter, dynamiskt

17 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Reglering Dynamikmodell Position och hastighet för kran och container Regulator Styrsignaler till kran Börvärde för container (externt) Figur 6. Reglering Regulatorn ska utnyttja positioner givna av sensorfusionen för att styra tralla, gauntry och hoist för att därigenom styra containerposition, se figur 6. 7

18 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Generella krav på regulatorn Generella krav ställda på regulatorn. Krav nr 32 Original Regulatorn ska kunna förflytta spreadern från en position till en annan, där detta innebär förflyttning både för tralla och för gauntry. Krav nr 33 Original Container/spreader får vid förflyttning maximalt ligga 50 cm ifrån sin relativa nollposition gentemot trallan. Krav nr 34 Förändrat Regulatorn ska kunna förflytta en container till en given position. Krav nr 35 Förändrat Regulatordelen skall kunna placera en container på en önskad position. Krav nr 36 Tillkommit En av regulatordelen placerad container får maximalt avvika 5 cm ifrån önskad position. Krav nr 37 Original Som dynamikmodell för sambandet tralla och spreader skall en modell där trallan beskrivs av en 2D-vagn, och lasten av en enkelpendel i 3D, att användas. Krav nr 38 Original Som dynamikmodell för sambandet tralla och spreader skall en modell där trallan beskrivs av en 2D-vagn, och lasten av en dubbelpendel i 3D, att användas

19 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Gränssnitt Krav ställda på regulatordelen för hur den ska interagrera med resterande delsystem. Krav nr 39 Original Insignal till regulatorn från sensorfusionen skall vara trallans position och hastighet i två dimensioner samt relativa positionen och hastigheten för spreader gentemot tralla. Krav nr 40 Förändrat Insignal till regulatorn från användare skall vara önskad position för spreadern. Krav nr 4 Original Utsignal från regulatorn ska vara hastigheter till gauntry, tralla och hoist. Krav nr 42 Original Regulatorn ska ta hänsyn till eventuella begränsningar hos kranens positionsstyranordning. 9

20 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Simuleringsmiljö Styrsignaler till kran Modellerad kran i simuleringsmiljö Kranrörelser i miljön, simulerade featurepunkter Figur 7. Beskrivning av simuleringsmiljön Simuleringsmiljön ska simulera en miljö med featurepunkter som kan användas av sensorfusionen. Den ska även hantera simulerade containers med featurepunkter. Detta innefattar både en container som kranen förflyttar och sådana som står på marken. Se figur Generella krav på simuleringsmiljön Generella krav ställda på simuleringsmiljön. Krav nr 43 Original Som dynamikmodell för sambandet tralla och spreader skall minst en enkelpendel, med processbrus, användas i tre dimensioner. Det ska även finnas realistiska modeller av kamera. Krav nr 44 Original Simuleringsmiljön skall kunna simulera featurepunkter, med mät- och processbrus. Krav nr 45 Original Robustheten i simuleringsmiljön skall utvärderas genom att ta bort simulerade featurepunkter mellan mätningar och öka variansen hos featurepunkter. 20

21 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Gränssnitt Krav ställda på simuleringsmiljön för hur den ska interagrera med resterande delsystem. Krav nr 46 Original Simuleringsmiljön skall ha både mätbrus och modellfel som parametrar från användare. 2

22 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Ekonomi Gruppen har 260 timmar att tillgå. Det finns 30 timmar handledningstid från ISY, 40 timmar från ABB att tillgå för gruppen. Vid eventuella resor till ABB så står ABB för kostnaderna. ISY bidrar med arbetsplats och två stycken bärbara datorer. Krav nr 47 Original Gruppen får ej överskrida budgeterade timmar. 8 Leveranskrav och delleveranser Gruppen ska levera enligt nedanstående tabell. Tabell. Beslutspunkter Beslutspunkt Innehåll Mottagare Datum BP2 BP3 Projektplan inkl. tidsplan Enkel systemskiss Designspecifikation Testplan BP4 Viss funktionalitet BP5 BP6 All funktionalitet Testprotokoll Användarhandledning Föredrag där det visas att kraven i kravspecifikationen är uppfyllda Teknisk rapport Efterstudie med uppföljning av reultat och använd tid Posterpresentation Hemsida som beskriver projektet

23 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Utöver dessa ska gruppen leverera tids- och statusrapporter löpande. Krav nr 48 Original Gruppen ska leverera enligt tabell. 9 Dokumentation Språket för samtliga dokument är svenska. Tabell 2. Dokumentation Dokument Syfte Målgrupp Format/ media Definierar alla krav på systemet Beställare PDF Enkel Systemskiss Introduktionsbeskrivning av systemet Beställare PDF Projektplan med aktivitetslista Översiktlig tidplan Definierar projektets upplägg Beställare PDF Budgetering av aktiviteter Beställare Excel Enkel testplan Beskrivning av systemtester Beställare Excel/PDF Mötesprotokoll med enkel statusrapportering Beställare/G rupp MS Word Tidsrapportering Löpande tidsrapportering Beställare Excel Protokoll över besutspunkter Beställare PDF Användarhandled ning Enkel operatörsbeskrivning Användare PDF Teknisk rapport Dokumentation över de tekniska delarna av systemet Beställare PDF Efterstudie Uppföljning av resultat och använd tid Beställare PDF 23

24 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Poster Poster med enkel projektbeskrivning ISY/ABB EPS Hemsida Hemsida med enkel projektbeskrivning ISY/ABB HTML Krav nr 49 Original Gruppen ska leverera dokumentation enligt tabell 2. 0 Utbildning Gruppen kommer att ha en mindre utbildning inom bildbehandling, då det saknas speciell kompetens för detta. Övrigt tillgodogörande av kunskap sköts internt. Krav nr 50 Original ISY skall utföra en kortare utbildning i bildbehandling. Underhållsbarhet All kod skall vara skriven (kommenterad) så att utomstående enkelt kan sätta sig in och vidareutveckla produkten. Systemet ska vara uppdelat i moduler, vilket underlättar för framtida förändringar och underhåll. Krav nr 5 Original Koden skall vara enhetlig och väl kommenterad. 24

25 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Appendix A - gruppkontrakt. Gruppkontrakt för CaPS i TSRT Detta dokument är framtaget i samråd då hela gruppen deltagit och definerar de regler som gäller för samverkan inom gruppen. Kontraktet är omförhandlingsbart endast då alla är överens om att så bör ske. Dokumentet beskriver hur gruppmedlemmarna förväntas uppträda och prestera inom ramen för CDIO-projektet. Vidare är reglerna, för läsbarhetens skull, indelade under rubriker.. Gruppaktiviteter och gruppmöten De gruppmedlemmar som ska genomföra en aktivitet ska gemensamt planera hur aktiviteten ska genomföras. Stora gruppaktiviteter såsom möten föreslås av projektledaren och gruppen godkänner förslaget. Om en gruppmedlem inte har möjlighet att deltaga i en planerad aktivitet ska denne meddela gruppen om detta i god tid. Projektledaren ska kontaktas, och godkänner, om en person inte kan komma till en aktivitet. Därefter diskuteras frånvaron på nästa gruppmöte och det är gruppen gemensamt som avgör vad godkänd frånvaro är. Det är upp till den enskilde gruppmedlemmen att komma väl förbered till en aktivitet, om gruppen sagt att förberedelse inför aktiviteten krävs. Om inget anges är det akademisk kvart som gäller. Alltså, en aktivitet börjar kl 2.5 om tiden kl 2 anges. Aktiviteter såsom möten ska anges med precis tid, t.ex. 2.5 för att undvika missförstånd. Det är projektledarens uppgift att agera mötesordförande och boka lokal. Axel Landgren är för tillfället utsedd till att vara sekreterare. Sekreteraren ser till att föregående mötesprotokoll är medtaget vid onsdagsmötena. Sekreteraren antecknar under mötets gång och lägger i samverkan med dokumentansvarige upp mötesprotokollen på gruppens googlegroup. Mötesordförande håller i mötet och anger vilken diskussiontyp som gäller, om alla ska få tala fritt eller en åt gången. Mötesordförande kan upphäva diskussioner och anger sedan vilken person som ska få tala. Vid beslut är consensus att föredra, med underlag av diskussion. Om diskussionen inte räcker gäller majoritetsbeslut. De personer som ska genomföra en aktivitet har större röst i beslutet. Projektledaren har veto i administrativa beslut såsom inbokning av möte osv..2. Bemötande och kommunikation Det är viktigt att gruppmedlemmarna ger varandra kritik, positiv såväl som negativ. Det är även viktigt att diskutera problem inom gruppen så snart som möjligt efter det att de identifierats och inte låta konflikter gro till något större. En konflikt ska göras upp så snart som möjligt mellan de parter som berörs. Om konflikten inte kan lösas ska projektledaren kontaktas och slutligen handledaren och problemet kvarstår. Om en person inte bidrar aktivt till gruppen och inte löser en uppgift ska denna i största möjliga mån omdirigeras och få en annan uppgift som den är kvalificerad att lösa. Om sedan personen inte löser sin uppgift ska följande åtgärder vidtas i nämnd ordning: projektledaren sitter ned och pratar med personen, gruppen diskuterar gemensammt saken med personen, projektledaren tar upp problemet med Fredrik Lindsten (handledaren) eller David Törnqvist (kursansvarig). 25

26 Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Projektmöten är inbokat varje onsdag kl Tid för ett utökat möte är reserverat till alla torsdagar kl Beslut om reservtiden ska nyttjas fattas vid varje onsdagsmöte. Varje person i gruppen ska varje dag kolla igenom sin mail om nya direktiv gäller. Vid helger räcker det med att mailen bara kollas en gång. Möten och aktiviteter bestäms vid varje onsdagsmöte, men om ett extrainsatt möte eller aktivitet krävs ska projektledaren i nödfall ringa varje gruppmedlem..3. Prioriteringar och aktiviteter Projektgruppen ska i första hand göra klart krav aktiviteterna. När en grupp är klar med sina krav ska gruppen hjälpa de andra grupperna att bli klara med sina krav mål. Projektet kommer att delas upp i aktiviteter som sköts av subgrupper. Alla personer i dessa indelade grupper ska i största möjliga mån vara med och genomföra aktiviteterna. Om en person inte kan nävara vid genomförandet ska denne på egen hand ta reda på vad som är gjort. Det är ok att planera in aktiviteter på helgerna. 26