一种基于自动吊钩系统的定位方法技术方案

一种基于自动吊钩系统的定位方法。该方法基于超声波测距与机器视觉相结合的自动吊钩系统定位方法，设计一种自动吊钩定位系统，实现吊钩定位点与负载定位点的精确定位。采用超声波测距方法实现Z方向定位。传感器与吊钩主控制器连接，控制器发出测距命令，定时器获得超声波的返回时间，系统计算吊钩Z方向上的距离H。采用视觉定位方法实现X方向和Y方向定位。利用已知场景负载信息设计视觉定位算法，吊钩系统工作的期望位置信息作为参考路标，建立路标数据库作为参考条件，实时图像和视频信息经目标识别、特征匹配处理，得到吊钩系统需要的相对位置信息，实现吊钩在X方向和Y方向上的精确定位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工程机械
，具体涉及一种面向起重设备自动吊钩系统应用的定位方法。
技术介绍
自动吊钩系统为完成自动作业任务，由吊钩定位点与吊环定位点组合确定负载与吊钩的相对位置，吊钩与吊环的定位需要满足一定的定位精度，否则自动吊钩系统无法正常工作。室外环境下有GPS和蜂窝无线定位，定位精度分别为5米和150米。室内环境下定位主要采用光学、A-GPS、红外线、超声波、RFID、WIFI等技术。RFID技术的定位精度与读写器的分布数量有关，具有代表性的是SPOTON系统和LANDMARC系统。奇虎公司采用GPS、WiFi、基站和重力传感相结合的定位方式，研发一款智能手表实现室内20米，室外5米的定位，实时定位佩戴者的实时位置。自动吊钩系统应用需要达到较高的定位精度，传统的定位技术无法实现。德国CarlStahl公司研发设计的电磁式自动吊钩底部配有一块磁铁，通过吸引作用捕捉吊环或吊索位置。由于吊钩以及周边都是铁磁材料，严重干扰吊索位置的定位捕捉操作，定位不准确。针对自动吊钩系统定位需求，激光和超声波测距方法可以实现吊钩系统在竖直方向上的精确定位。考虑到激光传感器的缺乏性价比和实用性，而超声波传感器性价比高且结构简单。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决如何有效地提高起重机自动吊钩的精确定位问题，提供一种面向工程机械设备自动吊钩系统应用的定位方法。自动吊钩定位系统目标是实现吊钩定位点与负载定位点之间的精确定位，在O-XYZ坐标系下统一描述。其中，X方向是吊钩系统跟随吊车水平横向移动的方向，Y方向是吊钩系统跟随吊车水平纵向移动的方向，Z方向是吊绳竖直移动的方向；本专利技术技术方案一种基于自动吊钩系统的定位方法，该方法基于超声波测距与机器视觉相结合的定位方法，设计自动吊钩系统定位方法，实现吊钩定位点1与负载定位点2的精确定位。该方法的具体步骤如下：第1，将超声波传感器与吊钩主控制器组成的连接电路安装在吊钩定位点，采用超声波测距方法实现Z方向定位；超声波传感器与吊钩主控制器连接开始工作，控制器发出测距命令，定时器获得超声波的返回时间，系统计算吊钩Z方向上的距离H；第2，将摄像机与工作电路安装在吊钩定位点，基于参考路标(3)和场景负载(4)，采用视觉定位方法实现X方向和Y方向定位；利用已知场景负载信息设计视觉定位算法，自动吊钩系统工作的期望位置信息作为参考路标，建立路标数据库作为参考条件，实时图像和视频信息经目标识别、特征匹配处理，得到吊钩系统需要的相对位置信息，实现吊钩在X方向和Y方向上的精确定位。所述的视觉定位方法的具体步骤如下：第2.1、图像信号的采集处理；初始化程序参数，K＝0，K表示定位算法运行次数；摄像机根据实际需要采集视频图像信息，并建立自动吊钩系统视觉定位的图像素材库；摄像机拍摄图像F(0)，F(1)，…，F(i)；F(0)为参考路标初始图像，表示最佳视觉定位点图像；F(i)表示吊钩在i时刻所拍摄图像；第2.2、视觉定位参数检测和评估结果；软件加载图像，将采集图像加载到图像处理算子和定位参数处理算子中；在已知参考物体的几何形状与三维模型的条件下，应用摄像机标定方法估计自动吊钩系统平面与图像平面的单应矩阵，构造出摄像机内参数与单应矩阵的约束方程，利用最小二乘法对摄像机内外参数进行线性求解与非线性优化，估计摄像机内参数、外参数以及透镜畸变参数，消除图像中光学畸变的影响；执行图像处理算子；图像处理得到外参数矩阵t(x,y,z)，获取定位参数t(0)，t(1)，…，t(i-1)；t(i)表示F(i-1)和F(i)之间的平移向量参数矩阵；计算定位误差error；误差error表示i时刻的图像定位点与参考路标初始定位图像点之间的定位误差；获得实时运动载体单元相对于吊钩系统三维场景期望位置特定参照物的局部相对位置信息； e r r o r = ( x - x ^ ) 2 + ( y - y ^ ) 2 + ( z - z ^ ) 2 ; ]]>第2.3、输出结果；根据吊钩顺利自动完成开钩与闭钩操作需要的有效定位距离，进行误差阈值修正；误差error小于预设阈值时，符合期望要求；否则，根据相对位置信息，驱动吊车系统，移动吊钩位置，直至达到预期目标，实现吊钩自动化远程精确控制，完成自动吊钩系统的视觉定位。本专利技术的优点和积极效果：本专利技术基于工程实际需要，设计一种自动吊钩系统定位方法。借助视觉定位技术以及超声波传感测距模块辅助吊钩进行精确定位，保证自动吊钩系统的安全可靠的工作，不再依靠吸引装置以及通过人工观测等传统方法获取定位信息。利用视觉定位信息实现吊钩准确定位，提高工作效率，无疑对实现吊钩无人化操作，提升安全性和精确性，具有明显的优点与积极效果。附图说明图1是自动吊钩系统定位方法原理图；图2是自动吊钩系统视觉定位系统框图；图3是自动吊钩系统视觉定位算法；图4是角点坐标提取结果；图5是视觉定位检测结果；图6是视觉定位实验吊钩运动规律图；图7是视觉定位实验测试过程；图8是视觉定位实验X,Y方向测试结果；其中，a是10mm定位结果，b是20mm定位结果，c是30mm定位结果，d是40mm定位结果；图9是视觉定位实验Z方向测试结果；图10是视觉定位实验测试结果；图11是吊车控制系统的定位方法应用；图中，1吊钩定位点，2负载定位点，3参考路标，4场景负载。具体实施方式实施例1：1.本专利技术所涉及自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自动吊钩系统的定位方法，其特征在于，该方法基于超声波测距与机器视觉相结合的定位方法，设计自动吊钩系统定位方法，实现吊钩定位点(1)与负载定位点(2)的精确定位；其中，X方向是吊钩系统跟随吊车水平横向移动的方向，Y方向是吊钩系统跟随吊车水平纵向移动的方向，Z方向是吊绳竖直移动的方向；该方法的具体步骤如下：第1，将超声波传感器与吊钩主控制器组成的连接电路安装在吊钩定位点，采用超声波测距方法实现Z方向定位；超声波传感器与吊钩主控制器连接开始工作，控制器发出测距命令，定时器获得超声波的返回时间，系统计算吊钩Z方向上的距离H；第2，将摄像机与工作电路安装在吊钩定位点，基于参考路标(3)和场景负载(4)，采用视觉定位方法实现X方向和Y方向定位；利用已知场景(4)负载信息设计视觉定位算法，自动吊钩系统工作的期望位置信息作为参考路标(3)，建立路标数据库作为参考条件，实时图像和视频信息经目标识别、特征匹配处理，得到吊钩系统需要的相对位置信息，实现吊钩在X方向和Y方向上的精确定位。

【技术特征摘要】
1.一种基于自动吊钩系统的定位方法，其特征在于，该方法基于超声波测距与机器
视觉相结合的定位方法，设计自动吊钩系统定位方法，实现吊钩定位点(1)与负载定
位点(2)的精确定位；
其中，X方向是吊钩系统跟随吊车水平横向移动的方向，Y方向是吊钩系统跟随吊车
水平纵向移动的方向，Z方向是吊绳竖直移动的方向；
该方法的具体步骤如下：
第1，将超声波传感器与吊钩主控制器组成的连接电路安装在吊钩定位点，采用超声
波测距方法实现Z方向定位；超声波传感器与吊钩主控制器连接开始工作，控制器发出测
距命令，定时器获得超声波的返回时间，系统计算吊钩Z方向上的距离H；
第2，将摄像机与工作电路安装在吊钩定位点，基于参考路标(3)和场景负载(4)，
采用视觉定位方法实现X方向和Y方向定位；利用已知场景(4)负载信息设计视觉定位
算法，自动吊钩系统工作的期望位置信息作为参考路标(3)，建立路标数据库作为参考条
件，实时图像和视频信息经目标识别、特征匹配处理，得到吊钩系统需要的相对位置信息，
实现吊钩在X方向和Y方向上的精确定位。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，第2步所述的视觉定位方法的具
体步骤如下：
第2.1，图像信号的采集处理；初始化程序参数，K＝0，K表示定位算法运行次数；
摄像机根据实际需要采集视频图像信息，并建立自动吊钩系统视觉定位的图像素材库；摄
像机拍摄图像F(0)，F(1)，…，F(i)；F(0)为参考路标初始图像，表示最佳视觉定位点图像；
F(i)表示吊钩在i时刻所拍摄图像；
第2.2，视觉定位参数检测和评估结果；软件加载图像，将采集图像加载到图像处理
算子和定位参数处理算子中；在已知参考物体的几何形状与三维模型的条件下，应用摄像
机标定方法估计自动吊钩系统平面与图像平面的单应矩阵，构造出摄像机内参数与单应矩
阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：方勇纯，郝敬乾，钱辰，李彬，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12