《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM11的塔吊監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第10期
王 旭,張自嘉,王慧敏
南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院,江蘇 南京210044
摘要: 塔吊駕駛員在操作塔吊時(shí)經(jīng)常遇到視覺(jué)盲區(qū),對(duì)吊鉤高度難以把握,只能靠經(jīng)驗(yàn)感覺(jué)操作,極易引起安全事故。系統(tǒng)以S3C6410微處理器芯片為核心,搭建了單目測(cè)距監(jiān)控系統(tǒng),結(jié)合塔吊吊鉤的形狀及顏色特征,根據(jù)單目測(cè)距原理完成對(duì)吊鉤下放距離的檢測(cè),并通過(guò)WiFi無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,視頻傳輸穩(wěn)定可靠,單目測(cè)距較為準(zhǔn)確,滿(mǎn)足塔吊駕駛員對(duì)視頻以及高度的實(shí)時(shí)性要求。
中圖分類(lèi)號(hào): TP368.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2013)10-0029-04
Design of tower crane surveillance system based on ARM11
Wang Xu,Zhang Zijia,Wang Huimin
School of Information Science & Control, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044,China
Abstract: The tower crane operators frequently meet with visual blind spot when they operate the tower crane, so they have difficulties in grasping the hook height, and they operate the machine only according experiences and sensation. In this way, it is easily to lead security incidents. System makes use of S3C6410 microprocessor chip as the core, to build a monocular distance monitoring system, combine with the shape and color characteristics of the crane hook, and then accomplish the detection about the hook dropping distance based on the principle of monocular distance. Finally, achieve the real-time video transmission through WiFi wireless module. The experimental results show that the video transmission is stable and reliable, and the monocular rangefinder is relatively accuracy. It can meet the need of crane drivers who require for the real-time video and height.
Key words : embedded;Video transmission;monocular distance;WiFi

    塔吊作為現(xiàn)代建筑必備的吊運(yùn)工具,在工程建筑中作出了巨大的貢獻(xiàn)。但近年來(lái)塔吊安全事故頻發(fā),不但帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且也造成了不少人員傷亡。因此,視頻設(shè)備被應(yīng)用到塔吊監(jiān)控領(lǐng)域。當(dāng)前工地上的視頻監(jiān)控設(shè)備主要是針對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)人員使用,而且是基于PC平臺(tái),由于PC體積過(guò)大,不適合在狹小的塔吊駕駛室安裝,所以沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。至于對(duì)吊鉤距離地面的高度測(cè)量問(wèn)題,目前主要有激光測(cè)距和超聲波測(cè)距,但是激光測(cè)距儀成像速度慢,而且價(jià)格比較昂貴。超聲波測(cè)距受外界的影響較大,樓層越高,超聲波損失就越嚴(yán)重,導(dǎo)致測(cè)量誤差較大。隨著嵌入式技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展,單目視覺(jué)測(cè)距為測(cè)量吊鉤高度提供了一種有效的解決方案,它不但能進(jìn)行高度的測(cè)量,同時(shí)也解決了駕駛員操作時(shí)碰到的視覺(jué)盲區(qū)問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)采用單目視覺(jué)測(cè)量塔吊吊鉤高度的視頻傳輸系統(tǒng),該系統(tǒng)不但能夠?qū)崟r(shí)顯示測(cè)得的吊鉤距離地面的高度信息,還能顯示視頻圖像信息[1]。系統(tǒng)包含視頻采集端和視頻接收端,采集端安裝在塔吊吊臂的變幅小車(chē)上,攝像頭豎直向下安裝,監(jiān)控吊臂下方工地場(chǎng)景,接收端放在駕駛室中供駕駛員查看。兩個(gè)終端通過(guò)WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信連接。系統(tǒng)的工作過(guò)程是:視頻采集終端通過(guò)USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)信息,并通過(guò)圖像處理計(jì)算出吊鉤距離地面的高度信息,然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)揭曨l接收端,并在LCD顯示屏上顯示出實(shí)時(shí)高度信息以及視頻信息。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的硬件主要由視頻采集終端和視頻接收終端兩部分組成。視頻采集終端包括視頻采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、WiFi無(wú)線(xiàn)傳輸模塊以及電源模塊;視頻接收終端相對(duì)于采集終端去掉了視頻采集模塊,增加了LCD顯示屏以及存儲(chǔ)模塊。采集模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    該系統(tǒng)的基本工作原理是:采集端的USB攝像頭將采集得到的模擬視頻信號(hào)通過(guò)視頻解碼器轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào),然后將數(shù)字視頻信號(hào)輸入到S3C6410的視頻通道口進(jìn)行處理[2],最后通過(guò)WiFi無(wú)線(xiàn)模塊將處理后的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到接收端,并在LCD屏上顯示實(shí)時(shí)視頻以及檢測(cè)到的吊鉤實(shí)時(shí)高度信息。
2.1 S3C6410微處理器模塊
    S3C6410是三星公司設(shè)計(jì)的16/32位RISC微處理器,基于ARM1176JZF-S內(nèi)核,最高主頻可達(dá)667 MHz。具有獨(dú)立的Load/Store和8級(jí)流水線(xiàn)設(shè)計(jì),采用特殊的設(shè)計(jì)改善視頻處理能力,集成了多格式的編解碼器(MFC),支持MPEG4/H.263/H.264編碼、譯碼以及VC1的解碼,是一個(gè)低成本、低功耗、高性能的應(yīng)用處理器,非常適合視頻媒體的應(yīng)用。
2.2 視頻采集模塊
    該系統(tǒng)采用OmniVision公司的OV9650芯片作為CMOS數(shù)字圖像傳感器,該芯片向S3C6410提供SCCB和Camera Interface接口,而且內(nèi)部集成了圖像傳感器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。光學(xué)圖像投射到圖像傳感器上,將光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),電信號(hào)通過(guò)內(nèi)部的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),最后經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP處理之后通過(guò)USB接口傳輸?shù)介_(kāi)發(fā)板上[3]。OV9650和S3C6410接口的連接線(xiàn)如圖2所示,OV9650的DATA[7:0]與S3C6410的CAMDATA[7:0]相連,實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸。OV9650的系統(tǒng)時(shí)鐘SCLK與S3C6410的CAMCLK相連,用來(lái)解決傳輸數(shù)據(jù)時(shí)同步時(shí)鐘信號(hào)。S3C6410通過(guò)I2C總線(xiàn)對(duì)OV9650的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)來(lái)控制該芯片。

2.3 WiFi無(wú)線(xiàn)傳輸模塊
    該設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。雖然通過(guò)H.264進(jìn)行了壓縮處理,但是它的數(shù)據(jù)量依然較大,所以采用WiFi無(wú)線(xiàn)寬帶技術(shù),通信帶寬2 Mb/s、11 Mb/s、54 Mb/s(自適應(yīng)),具有自適應(yīng)能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文采用的88W8686是Marvell公司推出的WiFi無(wú)線(xiàn)模塊,該模塊完全遵循IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn),而且兼容802.11b協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它工作在2.4 GHz頻段,最高傳輸速率達(dá)54 Mb/s。該無(wú)線(xiàn)模塊提供了SPI和SDIO接口,通過(guò)SPI或者SDIO接口將傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)封裝起來(lái),通過(guò)WLAN將信息傳輸給遠(yuǎn)程客戶(hù)端。系統(tǒng)的88W8686-
WiFi無(wú)線(xiàn)模塊是雙排插針式接口[4],它與S3C6410的SDIO接口連接使用,如圖3所示。SDIO總線(xiàn)有兩端,分別為主機(jī)(HOST)端和設(shè)備端(DEVICE),由HOST端發(fā)出命令,然后在DEVICE端解析采用HOST發(fā)出的命令。SDIO接口支持SPI mode、1 bit mode、4 bit mode三種傳輸模式,該系統(tǒng)采用SPI mode傳輸模式。

3 基于V4L2的視頻采集過(guò)程
    該系統(tǒng)使用的是Linux-2.6.38的內(nèi)核版本,它支持USB Camera,只要USB Camera符合UVC(USB Video Class)標(biāo)準(zhǔn),USB設(shè)備就可以直接使用。V4L2是Linux內(nèi)核中一種通用的視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng),它的Video設(shè)備在用戶(hù)空間通過(guò)調(diào)用各種ioctl對(duì)攝像頭進(jìn)行控制,而且還可以使用mmap進(jìn)行內(nèi)存的映射。V4L2的操作流程如圖4所示。首先要打開(kāi)設(shè)備文件,取得設(shè)備的capability,根據(jù)設(shè)備的功能,選擇視頻輸入,設(shè)置視頻的制式和幀格式,并向驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)幀緩沖,將申請(qǐng)到的幀緩沖映射到用戶(hù)空間,這樣就可以直接操作采集到的幀。再將申請(qǐng)到的幀緩沖全部入列,以便存放采集到的數(shù)據(jù)。這時(shí)就可以開(kāi)始視頻采集,并出列已采集數(shù)據(jù)的幀緩沖,獲得原始采集數(shù)據(jù),再將幀緩沖重新入列到隊(duì)尾循環(huán)采集視頻數(shù)據(jù),最后如果停止采集就關(guān)閉視頻。  

4 單目視覺(jué)測(cè)量吊鉤高度
    機(jī)器視覺(jué)測(cè)量距離主要有雙目測(cè)距、單目測(cè)距等。雙目測(cè)距由于需要特征點(diǎn)匹配,而實(shí)際中這種匹配比較困難,從而影響了它的測(cè)量精度和效率。單目測(cè)距是指利用單個(gè)攝像頭作為視覺(jué)傳感器進(jìn)行距離測(cè)量,它要求攝像頭的位置是固定的,如果攝像頭移動(dòng),則會(huì)有角度的變化,這樣就需要重新標(biāo)定[5]。本文介紹的測(cè)距方法就是將攝像頭固定在塔吊駕駛室下方,并向下傾斜一定的角度,這樣有利于檢測(cè)吊鉤的高度。這種單目測(cè)距方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。
4.1 吊鉤的檢測(cè)和定位
    塔吊的吊鉤具有顯著的黃顏色特征,所以采用基于顏色的目標(biāo)分割方法實(shí)現(xiàn)對(duì)吊鉤的快速識(shí)別,這種方法處理結(jié)果較準(zhǔn),而且對(duì)光線(xiàn)變化的適應(yīng)性好。對(duì)于視頻圖像的處理采用RGB模型,它比較適合于目標(biāo)的識(shí)別。
    在吊鉤運(yùn)行過(guò)程中,采用二值化操作對(duì)吊鉤進(jìn)行檢測(cè)分割,這里采用局部自適應(yīng)閾值的方法。該方法根據(jù)像素鄰塊的像素值分布來(lái)確定該像素位置上的二值化閾值[6]。其優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)像素位置的二值化閾值不是固定不變的,而是由周?chē)泥徲蛳袼胤植紱Q定的,亮度較高的區(qū)域二值化閾值較高,亮度低的區(qū)域二值化閾值相應(yīng)地就會(huì)較低。這樣對(duì)于吊鉤更容易準(zhǔn)確地檢測(cè)識(shí)別。本設(shè)計(jì)采用的自適應(yīng)閾值算法是CV_ADAPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C,即先求出塊中的加權(quán)和(gaussian), 再減掉param1。該設(shè)計(jì)中吊鉤的顏色為黃色,而且黃色像素比較稀疏,根據(jù)訓(xùn)練的自適應(yīng)閾值,就可以檢測(cè)出吊鉤的邊界,從而準(zhǔn)確識(shí)別出吊鉤的位置。
4.2 單目測(cè)距改進(jìn)的算法
    單目視覺(jué)測(cè)距技術(shù)需要從二維圖像信息中獲得三維空間中的位置信息,這就要將三維的場(chǎng)景投影到攝像機(jī)二維圖像平面上。所以需要利用幾何關(guān)系來(lái)確定被測(cè)物體在世界坐標(biāo)中位置點(diǎn)及其在成像點(diǎn)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,具體可以采用小孔成像原理來(lái)模擬兩者之間的投影關(guān)系。這里采用針孔模型測(cè)距方法來(lái)進(jìn)行分析[7],被測(cè)物體的特征點(diǎn)在攝像機(jī)成像平面上的投影幾何圖像如圖5所示。

5 測(cè)量結(jié)果分析
    基于ARM11平臺(tái)的Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了塔吊監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)將采集的視頻圖像數(shù)據(jù)通過(guò)S3C6410處理器處理之后輸出視頻數(shù)據(jù)以及吊鉤的高度信息?;贚inux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了Qt上位機(jī)界面[9]。通過(guò)單目視覺(jué)測(cè)得的10組吊鉤高度數(shù)據(jù)如表1所示。

 

 

    由表1的數(shù)據(jù)可以看出,隨著吊鉤的下放,也就是吊鉤越遠(yuǎn),測(cè)量的誤差率越高,這是因?yàn)閿z像頭的軸線(xiàn)和被測(cè)目標(biāo)的平面發(fā)生了傾斜以及對(duì)吊鉤的識(shí)別度降低等因素造成的,所以該設(shè)計(jì)應(yīng)用在中低層建筑塔吊中效果較好,對(duì)駕駛員的操作起到一定的輔助作用。
    雖然目前市場(chǎng)上的監(jiān)控設(shè)備較多,但是多是基于PC平臺(tái),而且缺少圖像處理功能,智能化程度較低。同時(shí)它的體積較大,不方便攜帶,而且價(jià)格相對(duì)與ARM平臺(tái)要貴許多。本文提出的基于ARM11平臺(tái)的單目視覺(jué)塔吊監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合多特征信息融合和單目測(cè)距原理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔吊吊鉤的監(jiān)控以及高度的實(shí)時(shí)測(cè)量,解決了駕駛員的視覺(jué)盲區(qū)問(wèn)題,使駕駛員可隨時(shí)掌握吊鉤高度信息,增強(qiáng)了駕駛員作業(yè)的安全性,也提高了作業(yè)的效率。
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