Systemskiss. LiTH Kamerabaserat Positioneringssystem för Hamnkranar Mikael Ögren Version 1.0. Status

Transkript

1 Mikael Ögren Version 1.0 Granskad Status Godkänd 1

2 PROJEKTIDENTITET 09/HT, CaPS Linköpings tekniska högskola, ISY 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: http// Kund: ABB, Västerås, tele: , fax: , Kontaktperson hos kund: Johan Sjöberg, , Beställare: Martin Skoglund, , Kursansvarig: David Törnqvist, , Handledare: Fredrik Lindsten, , 2

3 Innehåll DOKUMENTHISTORIK INLEDNING DEFINITIONER ÖVERSIKT AV SYSTEMET GROV BESKRIVNING AV PRODUKTEN INGÅENDE DELSYSTEM Bildbehandling Sensorfusion Reglering Simuleringsmiljö BILDBEHANDLING INLEDANDE BESKRIVNING AV BILDBEHANDLINGSDELEN Ambienta/Externa featurepunkter Featurepunkter på container i spreader Featurepunkter på underliggande container GRÄNSSNITT SENSORFUSION INLEDANDE BESKRIVNING AV SENSORFUSIONSDELEN Rörelsemodell Mätekvationer Filter GRÄNSSNITT REGLERING INLEDANDE BESKRIVNING AV REGULATORDELEN Styrenhet Regulator för förflyttning Regulator för containerpositionering GRÄNSSNITT SIMULERINGSMILJÖ INLEDANDE BESKRIVNING AV SIMULERINGSMILJÖ GRÄNSSNITT

4 Dokumenthistorik version datum utförda förändringar utförda av granskad Första versionen TA MÖ, MS Andra utkastet CaPS MÖ, MS Första utkastet CaPS MÖ, MS 4

5 1 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. Figur1. Systemetidessomgivning. 5

6 1.1 Definitioner Bom/Girder Trolley/Tralla Gauntry Spreader Hoist Container Räls Figur2. Kransystemet Hoist Längden från trolley till spreadern. Trolley/Tralla Vagn som löper över bommen. Spreader Anordning som fäster vid containern. Gauntry Ställning som bommen sitter på. Container Den last som kranen lyfter. Landmärken En punkt som kan beskrivas i ett fixt, globalt koordinatsystem. Featurepunkt En punk som relaterar till ett fysiskt landmärke, typiskt containerhörn. 6

7 2 Översikt av systemet Kamerafilm Bildbehandling Simuleringsmiljö Sensorfusion Regulator Simulerad bildbehandling Figur3. Dennabildvisarenöversiktavsystemet. 2.1 Grov beskrivning av produkten Systemets uppgift är att skatta position hos kranbom och last utifrån videosekvenser. Videobilder från ett antal kameror signalbehandlas i bildbehandlingsdelen. Den behandlade informationen från varje kamera samlas i sensorfusionsdelen som utnyttjar samma data för att med hjälp av en mekanikmodell bestämma aktuella tillstånd (position, hastighet) för last och kran. Regulatordelen använder dessa tillstånd för att reglera kranen. Kranen simuleras i en simuleringsmiljö. 2.2 Ingående delsystem Nedan följer en beskrivning av de olika delsystemen Bildbehandling Systemet tar emot data från en, eventuellt flera kameror. Bildbehandlingsdelen 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 data och används tillsammans med den valda mekanikmodellen för att estimera position, hastighet och andra tillstånd hos kran och last. 7

8 2.2.3 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. 8

9 3 Bildbehandling Kamerafilm Extern miljö Koord. för featurepkt fr. mark Längd på hoist Egen container Koord. för featurepkt fr. egen container Status för spreader Extern container Koord. för featurepkt fr. extern container Figur4. BildavBildbehandlingsdelen 3.1 Inledande beskrivning av bildbehandlingsdelen I bildbehandlingsdelen kommer en videoström att analyseras och utifrån denna identifiera featurepunkter som sedan kan användas i sensorfusionsdelen. Bildbehandlingsdelen kommer att hanteras separat ifrån de andra delsystemen då vi ej kommer kunna åstadkomma en komplett återkoppling där videoströmmen påverkas av våra styrsignaler till kranen. Målet för bildbehandlingsdelen är en analys av med hur stor noggrannhet vi kan identifiera featurepunkter. Bildbehandlingsdelen kommer bestå av tre olika delsystem för att identifiera tre olika typer av featurepunkter Ambienta/Externa featurepunkter Denna delkomponent kommer att identifiera featurepunkter i omgivningen kring kranen. Gemensamt för dessa featurepunkter är att de ska vara stationära när kameran förflyttar sig. Det kan till exempel vara markeringar på marken eller hörn på containrar i magasinet. Dessa kommer att utnyttjas till att bestämma kamerans globala position och rörelse. 9

10 3.1.2 Featurepunkter på container i spreader Denna delkomponent kommer identifiera givna featurepunkter på container i spreader, eventuellt bara på spreader. Dessa kommer vara strikt givna och det är av vikt att rätt featurepunkter kommer identifieras, det kan till exempel röra sig om specifika hörn på containern i spreadern eller specifik punkt på spreader Featurepunkter på underliggande container Denna delkomponent kommer att identifiera givna featurepunkter på den underliggande containern som containern i spreadern ska staplas på. Dessa kommer vara strikt givna och det är av vikt att rätt featurepunkter identifieras, det kan till exempel röra sig om specifika hörn på containern eller containerbeteckning. 3.2 Gränssnitt Som insignal kommer bildbehandlingsdelen att få kamerafilmen samt hoistlängd och om spreadern håller i container eller inte. Bildbehandlingsdelen kommer att ge koordinater för featurepunkterna som utsignal till sensorfusionsdelen. 10

11 4 Sensorfusion Koord. för featurepkt fr. mark Koord. för featurepkt fr. egen container Koord. för featurepkt fr. extern container Rörelsemodell Mätekvation Trallas position och hastighet Containers position och hastighet Längd på hoist ev. styrsignal till motor Filter Extern containers position Figur5. Bildavsensorfusionsdelen 4.1 Inledande beskrivning av sensorfusionsdelen Sensorfusionsdelen ska utifrån featurepunkter givna av bildbehandlingsdelen, eller simulerad bildbehandling, 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. Sensorfusionsdelen kommer att innehålla tre delkomponenter Rörelsemodell Sensorfusionsdelen kommer att innehålla två olika rörelsemodeller, en för trolleyn och en för container/spreader. Dessa används för att estimera framtida hastigheter och positioner. 11

12 4.1.2 Mätekvationer Mätekvationerna beskriver förhållandet mellan mätdata och de interna tillstånd som används för att skatta koordinater och hastigheter i det globala systemet Filter Filtret har till uppgift att på bästa möjliga sätt kombinera rörelsemodellernas och mätekvationernas resultat så att vi får en god skattning av tillstånden. 4.2 Gränssnitt Insignal till sensorfusionsdelen kommer att vara koordinater för featurepunkter, hoist och eventuellt styrsignaler från regulatorn. Utsignaler kommer att vara skattade positioner och hastigheter. 12

13 5 Reglering Trallas position och hastighet Mekanikmodell Containers position och hastighet Styrenhet Styrsignaler till kran Extern containers position Regulator för förflyttning Börvärden Regulator för containterpositionering Figur6. Dennabildvisarregulatordelen 5.1 Inledande beskrivning av regulatordelen Regulatordelen ska utnyttja positioner givna av sensorfusionsdelen för att styra trolley, gauntry och hoist för att därigenom styra containerposition. Regulatordelen kommer bestå av tre delkomponenter Styrenhet Styrenheten vet vilken reglersituation systemet befinner sig i och bestämmer utifrån detta vilken typ av regulator som skall utnyttjas Regulator för förflyttning Denna regulator är anpassad för att förflyttning av trolleyn från en position till en annan. Detta skall ske utan att containern förskjuts ifrån sin relativa nollposition mer än 50 cm. 13

14 5.1.3 Regulator för containerpositionering Denna regulator är anpassad för att kunna positionera en container ovanpå en underliggande container. Detta skall ske så att positioneringen inte avviker mer än 5 cm från tänkt position. 5.2 Gränssnitt Som insignal kommer regulatordelen att få positionen och hastigheten för trolley samt spreaderns relativa hastighet och position. Från användare kommer regulatorn antingen få ett börväde på trallans position eller en position där en container skall hämtas eller placeras. Utsignal från regulatorn skall vara styrsignal till kranens positionsstyranordning. 14

15 6 Simuleringsmiljö Styrsignaler från regulator Simulerade featurepunkter Mätbrus Kran- och containermodell Simulerade featurepunkter Modellfel Simulerad bildbehandling Figur7. Dennabildvisarsimuleringsmiljön 6.1 Inledande beskrivning av simuleringsmiljö I simuleringsmiljön skall man kunna verifiera om regulatorn och sensorfusionsdelen uppfyller ställda krav på prestanda. Vi skall här kunna beskriva en värld för kranen utifrån vilken systemet skall kunna bestämma sin position och hastighet. Världen ska bestå av featurepunkter som vi identifierar med en simulerad bildbehandling. 6.2 Gränssnitt Som insignal får simuleringsdelen styrsignaler från regulatordelen. Det ska även finnas möjlighet att skicka in mätbrus och modellfel. Som utsignal ger simuleringsdelen koordinater för featurepunkter, dvs. detsamma som bildbehandlingsdelen ska göra. 15