[发明专利]起重机吊钩位置和摆角的实时摄像测量方法

说明书

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、系统及装置，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系统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系统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系统的控制方法，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系统和一套吊钩摄像测量系统，在吊钩上安装合作标志，通过姿态测量系统实时测量吊钩摄像测量系统的倾斜姿态，通过吊钩摄像测量系统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系统的位置，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系统和一套吊钩摄像测量系统，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。姿态测量系统用于实时测量吊钩摄像测量系统的倾斜姿态；吊钩摄像测量系统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，根据吊钩摄像测量系统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。姿态测量系统有两种实现方案，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系统，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。吊钩摄像测量系统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，摄像测量系统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，系统利用图像中的亮点（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）将姿态测量系统和吊钩摄像测量系统固定安装在起重机臂架顶端靠近吊绳滚轮处，保证吊钩摄像测量系统像机镜头朝下，对准吊钩摇摆区域，标定姿态测量系统与吊钩摄像测量系统的姿态关系；

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系统的双像机可见；

3）起重机作业中利用姿态测量系统实时测量吊钩摄像测量系统的倾斜姿态；

4）利用吊钩摄像测量系统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）根据吊钩摄像测量系统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、吊钩摄像测量系统倾斜姿态测量

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