CN102795547A - 起重机吊钩位置和摆角的实时摄像测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种起重机的吊钩位置和摆角的摄像测量方法。该方法在起重机臂架顶端靠近吊绳滚轮处安装一套姿态测量***和一套吊钩摄像测量***，在吊钩上安装合作标志，通过姿态测量***实时测量吊钩摄像测量***的倾斜姿态，通过吊钩摄像测量***的双像机交会实时测量吊钩上合作标志相对吊钩摄像测量***的位置，根据倾斜姿态将吊钩位置转换到水平坐标系表示，利用水平坐标系表示的吊钩位置实时计算吊钩摇摆角度。本发明利用摄像测量方法解决起重机吊钩位置和摇摆角度测量问题，相关处理计算易于实现，实时性强；可应用于多种起重机吊钩的位置和摇摆角度测量。

Description

起重机吊钩位置和摆角的实时摄像测量方法

技术领域

本发明涉及起重机技术领域，尤其是指利用摄像测量手段实时测量吊钩的相对位置和摇摆角度的方法，测量结果可用于起重机稳钩控制。

背景技术

在起重机作业过程中，由于起吊时吊绳偏离重力方向或吊运中吊钩的运动，吊钩及其所吊重物会出现一定程度的摇摆，吊钩的摇摆不利于准确起吊和放置，影响起重机作业效率，也会对人身安全和财产安全造成威胁。

目前起重机吊钩的摇摆稳定控制还主要依赖经验丰富的操作手完成。为减小对操作人员操作经验的依赖性，国内外开展了一些稳钩自动控制方面的研究，如欧洲专利文献EP1757554公开了一种反摆动的控制技术，通过预先设定模式的方式，预先确定吊钩及货物姿态参数，确定控制策略，实现吊钩反摆动；中国专利文献CN101659379A公开了一种吊钩偏摆控制方法、***及装置，利用双倾角传感器测量吊绳相对重力方向的摆角，当摆角大于预定值时，调整起重臂和吊绳对吊钩偏摆进行补偿控制；学术论文《自适应神经模糊推理***在起重机稳钩控制中的应用》（郑州大学 黄士涛等：自适应神经模糊推理***在起重机稳钩控制中的应用.郑州大学学报（工学版），2007，28(1):21-25）研究提出了一种基于自适应神经模糊推理***的控制方法，应用于起重机的稳钩控制。

吊钩摇摆稳定控制的前提是吊钩相对重力方向的摆角测量。中国专利文献CN101643184A、CN101650174A、CN101659379A、CN101723239A公布的吊钩摆角测量方式采用与吊绳或吊钩固连的角度传感器直接测量其相对重力方向的夹角。摄像测量方法具有高精度、非接触等优点，适合物体运动的动态实时测量，适合起重机吊钩位置和摆角的动态实时高精度测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用摄像测量手段实时测量起重机吊钩的相对位置和摇摆角度等参数，以便进行起重机吊钩摇摆稳定控制。

本发明的技术方案是在起重机臂架顶端靠近吊绳滚轮处安装一套姿态测量***和一套吊钩摄像测量***，在吊钩上安装合作标志，通过姿态测量***实时测量吊钩摄像测量***的倾斜姿态，通过吊钩摄像测量***的双像机交会实时测量吊钩上合作标志相对吊钩摄像测量***的位置，根据倾斜姿态将吊钩位置转换到水平坐标系表示，利用水平坐标系表示的吊钩位置实时计算吊钩摇摆角度（吊绳相对重力线的角度）。

具体方法是设计一套姿态测量***和一套吊钩摄像测量***，固定安装在起重机臂架顶端靠近吊绳滚轮处，设计一套合作标志安装在吊钩上。姿态测量***用于实时测量吊钩摄像测量***的倾斜姿态；吊钩摄像测量***对吊钩合作标志成像，利用双目交会实时计算吊钩的相对位置；定义水平坐标系的两个轴在水平面内，另一个轴在重力方向，根据吊钩摄像测量***倾斜姿态将吊钩位置转换到水平坐标系表示；利用水平坐标系表示的吊钩位置实时计算吊钩摇摆角度和摇摆方向。姿态测量***有两种实现方案，一种是采用双轴电子水平仪测量自身倾斜姿态，一种是采用摄像测姿***，利用像机对水平坐标系坐标已知的控制标志成像计算自身姿态。吊钩摄像测量***包含双像机和处理器等，对吊钩上合作标志成像，进行图像处理，对吊钩交会定位，对吊钩位置坐标转换，实时计算吊钩摇摆角度等。

合作标志设计为一组易于被像机识别和提取的特殊图像结构或发出特殊波段光的LED灯。合作标志为特殊图像结构时，摄像测量***通过特殊图像结构匹配识别合作标志；合作标志为发出特殊波段光的LED灯时，摄像机镜头外配合相应波段滤光片，***利用图像中的亮点（或亮团）识别合作标志。

1、起重机吊钩摇摆实时测量的具体实施步骤：

1）将姿态测量***和吊钩摄像测量***固定安装在起重机臂架顶端靠近吊绳滚轮处，保证吊钩摄像测量***像机镜头朝下，对准吊钩摇摆区域，标定姿态测量***与吊钩摄像测量***的姿态关系；

2）在吊钩上安装合作标志，保证起重机作业中合作标志对吊钩摄像测量***的双像机可见；

3）起重机作业中利用姿态测量***实时测量吊钩摄像测量***的倾斜姿态；

4）利用吊钩摄像测量***的双像机对吊钩上合作标志成像，实时提取图像坐标，双目交会计算吊钩的相对位置；

5）根据吊钩摄像测量***的倾斜姿态将吊钩位置矢量转换到水平坐标系表示；

6）利用水平坐标系表示的吊钩位置矢量计算吊钩摇摆角度。

2、吊钩摄像测量***倾斜姿态测量

姿态测量***实时测量吊钩摄像测量***的倾斜姿态，其实现方式有两种：一是采用双轴电子水平仪；二是采用摄像测姿***。

采用电子水平仪作姿态测量***的测量方式如图1所示。双轴电子水平仪与吊钩摄像测量***固定安装，实现标定两者间的姿态关系。根据双轴电子水平仪测量姿态测量***相对水平的倾斜姿态，利用姿态测量***与吊钩摄像测量***的姿态关系可得到吊钩摄像测量***的倾斜姿态。

采用摄像测姿***作姿态测量***的测量方式如图2所示。摄像测姿***通过对水平坐标系的控制点（附图2中为在水平放置的车体上布设的标志点）成像，通过位姿解算估计摄像测姿***的姿态，进而实时提供吊钩摄像测量***的倾斜姿态。设当前摄像测姿***像机（c）相对水平坐标系（w）的姿态转换矩阵为

，位置坐标为

，则一合作标志s_i（坐标为

）在像机中的图像坐标u_i、v_i满足

${\mathrm{\λ}}_i\left[\begin{array}{c}{u}_i\\ v_i\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{F}_x& 0& C_x\\ 0& F_y& C_y\\ 0& 0& 1\end{array}\right]{\left(R_c^w\right)}^T(P_{s_i}^w-P_c^w)---\left(1\right)$

其中λ_i为合作标志s_i到像机光心的距离在光轴方向的投影，F_x、F_y为像机等效焦距，C_x、C_y为像机主点，等效焦距和主点是像机内参，可事先标定得到。

利用像机内参、水平坐标系的多个控制点（在水平坐标系的坐标已知，i=1,2,…）及其对应的像点（u_i、v_i，i=1,2,…），根据公式(1)可以计算出当前摄像测姿***相对水平坐标系的位移

和姿态

。再通过摄像测姿***与吊钩摄像测量***（m）的安装关系

可实时得到吊钩摄像测量***的倾斜姿态

$R_m^w=R_c^w{R}_m^c---\left(2\right)$

3、吊钩位置和摇摆角度测量

利用吊钩摄像测量***的双像机双目交会对吊钩定位，进而根据倾斜状态计算位置和摇摆角度。

如附图3所示，利用吊钩摄像测量***的双像机交会定位确定吊钩（h）位置

（该位置为在摄像测量坐标系m的结果），利用吊钩摄像测量***倾斜姿态计算结果

，将吊钩位置转换到水平坐标系为

$P_h^w=\left[\begin{array}{c}{x}_h^w\\ y_h^w\\ z_h^w\end{array}\right]=R_m^w{P}_h^m---\left(3\right)$

即为水平坐标系表示的吊钩相对起重臂顶端的位置。

水平坐标系Z轴与重力方向平行，因此吊钩的摇摆角度为

${\mathrm{\α}}_x={\tan }^{-1}\left(\frac{x_h^w}{z_h^w}\right),{\mathrm{\α}}_y={\tan }^{-1}\left(\frac{y_h^w}{z_h^w}\right)---\left(4\right)$

4、采用本发明可以达到以下技术效果：

1)本发明基于摄像测量方法实现对起重机吊钩的位置和摇摆角度测量，相关测量结果可用于起重机稳钩控制；

2)本发明利用摄像测量方法解决起重机吊钩位置和摇摆角度测量问题，相关处理计算易于实现，实时性强；

3)本发明可应用于多种起重机吊钩的位置和摇摆角度测量。

附图说明

图1采用电子水平仪姿态测量***测量模式，

图2采用摄像测姿***的姿态测量***测量模式，

图3吊钩位置和摇摆角度测量示意图。

具体实施方式

图1是采用电子水平仪作为姿态测量***的测量模式图。姿态测量***的双轴电子水平仪可以直接测出姿态测量***相对水平的倾斜姿态，利用姿态测量***与吊钩摄像测量***的安装关系可得到吊钩摄像测量***的倾斜姿态，吊钩摄像测量***利用该倾斜姿态将吊钩位置矢量转换到水平坐标系。

图2是采用摄像测姿***作为姿态测量***的测量模式图。摄像测姿***通过对车体上布设的控制点成像，通过位姿解算估计摄像测姿***的姿态，进而利用姿态测量***与吊钩摄像测量***的安装关系实时提供吊钩摄像测量***相对水平的倾斜姿态。

图3是吊钩位置和摇摆角度测量示意图。利用吊钩摄像测量***的双像机双目交会对吊钩定位，得到吊钩的相对位置，根据姿态测量***测量的倾斜状态将吊钩位置矢量转换到水平坐标系，进而计算吊钩摇摆角度。

Claims (6)

1.起重机吊钩位置和摆角的实时摄像测量方法，其特征在于，在起重机臂架顶端靠近吊绳滚轮处安装一套姿态测量***和一套吊钩摄像测量***，在吊钩上安装合作标志，通过姿态测量***实时测量吊钩摄像测量***的倾斜姿态，通过吊钩摄像测量***的双像机交会实时测量吊钩上合作标志相对吊钩摄像测量***的位置，根据倾斜姿态将吊钩位置转换到水平坐标系表示，利用水平坐标系表示的吊钩位置实时计算吊钩摇摆角度；

其实施步骤为：

1）将姿态测量***和吊钩摄像测量***固定安装在起重机臂架顶端靠近吊绳滚轮处，保证吊钩摄像测量***像机镜头朝下，对准吊钩摇摆区域，标定姿态测量***与吊钩摄像测量***的姿态关系；

2）在吊钩上安装合作标志，保证起重机作业中合作标志对吊钩摄像测量***的双像机可见；

3）起重机作业中利用姿态测量***实时测量吊钩摄像测量***的倾斜姿态；

4）利用吊钩摄像测量***的双像机对吊钩上合作标志成像，实时提取图像坐标，双目交会计算吊钩的相对位置；

5）根据吊钩摄像测量***的倾斜姿态将吊钩位置矢量转换到水平坐标系表示；

6）利用水平坐标系表示的吊钩位置矢量计算吊钩摇摆角度。

2.根据权利要求1所述的起重机吊钩位置和摆角的实时摄像测量方法，其特征在于：用于实时测量吊钩摄像测量***的倾斜姿态的姿态测量***实现方式有两种，一是采用双轴电子水平仪，二是采用摄像测姿***，双轴电子水平仪可直接测量相对水平的倾斜角度；摄像测姿***通过对水平坐标系的控制点成像，通过位姿解算估计***的倾斜姿态。

3.根据权利要求2所述的起重机吊钩位置和摆角的实时摄像测量方法，其特征在于：采用电子水平仪作姿态测量***的测量方式，双轴电子水平仪与吊钩摄像测量***固定安装，实现标定两者间的姿态关系，根据双轴电子水平仪测量姿态测量***相对水平的倾斜姿态，利用姿态测量***与吊钩摄像测量***的姿态关系可得到吊钩摄像测量***的倾斜姿态。

4.根据权利要求2所述的起重机吊钩位置和摆角的实时摄像测量方法，其特征在于：采用摄像测姿***作姿态测量***的测量方式具体为：摄像测姿***通过对水平坐标系的控制点成像，通过位姿解算估计摄像测姿***的姿态，进而实时提供吊钩摄像测量***的倾斜姿态，设当前摄像测姿***像机                                                

相对水平坐标系

的姿态转换矩阵为

，位置坐标为

，则一合作标志

，坐标为，在像机中的图像坐标

、

满足

                (1)

其中

为合作标志

到像机光心的距离在光轴方向的投影，

、

为像机等效焦距，

、

为像机主点，等效焦距和主点是像机内参，可事先标定得到；

利用像机内参、水平坐标系的多个控制点，在水平坐标系的坐标已知

，

，及其对应的像点，

、

，

，根据公式(1)可以计算出当前摄像测姿***相对水平坐标系的位移

和姿态；

再通过摄像测姿***与吊钩摄像测量***

的安装关系

可实时得到吊钩摄像测量***的倾斜姿态

                          (2)。

5.根据权利要求1所述的起重机吊钩位置和摆角的实时摄像测量方法，其特征在于：利用吊钩摄像测量***的双像机双目交会对吊钩定位，进而根据倾斜状态计算位置和摇摆角度，具体为：

利用吊钩摄像测量***的双像机交会定位确定吊钩

位置

，利用吊钩摄像测量***倾斜姿态计算结果

，将吊钩位置转换到水平坐标系为

                       (3)

即为水平坐标系表示的吊钩相对起重臂顶端的位置；

水平坐标系Z轴与重力方向平行，因此吊钩的摇摆角度为

，

                 (4)。

6.根据权利要求1所述的一种起重机吊钩位置和摆角的实时摄像测量方法，其特征在于：合作标志为一组易于被像机识别和提取的特殊图像结构或发出特殊波段光的LED灯，合作标志为特殊图像结构时，摄像测量***通过特殊图像结构匹配识别合作标志；合作标志为发出特殊波段光的LED灯时，摄像机镜头外配合相应波段滤光片，***利用图像中的亮点识别合作标志。

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