基于视觉的桥式吊车自动控制系统技术方案

本发明专利技术为一种基于视觉的桥式吊车自动控制系统，提出了一种新型的桥式吊车控制方式，控制系统包括有桥式吊车控制系统以及视觉测量系统，其中桥式吊车控制系统，基于独立设计开发的控制电路，控制桥式吊车系统按预定要求运行；视觉测量系统，用于实现桥式吊车负载摆角状态量的测量。本发明专利技术提出一种新型的桥式吊车自动控制系统，将视觉引入桥式吊车负载摆角测量中，以代替传统的接触式摆角测量装置，并据此提出一种新型的负载摆角测量算法，利用计算机视觉的方法实现负载摆角的非接触测量，控制桥式吊车系统(可以为实验室桥式吊车实验平台或是工业桥式吊车平台)完成相应任务。

Vision based automatic control system for bridge crane

The invention relates to an automatic control system of a bridge crane based on vision. A new control mode of the bridge crane is proposed. The control system includes a bridge crane control system and a vision measurement system. The bridge crane control system is based on a control circuit designed independently to control the bridge crane system according to predetermined requirements. A visual measurement system is applied to measure the load swing angle of a bridge crane. The present invention presents a new type of automatic control system for bridge crane. The vision is introduced into the load swing angle measurement of bridge crane to replace the traditional contact swing angle measurement device. Based on this, a new load swing angle measurement algorithm is proposed. The method of computer vision is used to realize the non-contact measurement of load swing angle and control the bridge. The crane system (can be used for laboratory bridge crane test platform or industrial bridge crane platform) to complete the corresponding tasks.

【技术实现步骤摘要】
基于视觉的桥式吊车自动控制系统
本专利技术涉及非线性欠驱动系统自动控制的
，特别是涉及一种基于视觉的桥式吊车自动控制系统。
技术介绍
众所周知，桥式吊车是一种十分常见的装配运输工具，它利用绳索将负载与吊车上的台车相连，并通过台车的运动来将负载运送到指定的位置，桥式吊车在港口、仓库、建筑工地等场所得到了广泛的应用。鉴于桥式吊车在运行时，吊车上台车的运动会引起负载的摆动，使得负载可能会和周围的操作工人或者是其它物体发生碰撞，致使负载损坏，甚至导致发生人员伤亡事故，尤其是当台车到达指定位置停止运行后，吊车所悬挂的负载会发生比较强烈的残余摆动，这样不仅会带来较大的安全隐患，同时也严重影响了吊车的工作效率。因此，为了有效避免安全隐患，提高吊车的工作效率，在操作吊车时，一方面需要实现台车的快速准确定位，以满足准确运送负载的要求；另一方面，需要有效地抑制负载的摆动，实现负载的“无摆”或者“微摆”操作。特别是当台车到达指定位置时，负载必须很快地停止摆动，以期提高吊车的工作效率。在传统的桥式吊车防摆控制系统中，负载摆角信息往往采用电位器或光电编码器等方式进行检测，属于接触式的测量方法。测量装置需要安装在桥式吊车系统内部，机械结构复杂、独立性差，不利于批量化、模块化生产；同时由于测量系统容易受到电器噪声的影响，无法保证负载摆角的测量精度。而基于计算机视觉的非接触式测量方法，具有信息丰富、检测系统独立于系统之外，以及结构简单等优点，将其应用于桥式吊车的负载摆角测量中，能够大大提高控制系统的可扩展性以及便捷性。为了满足台车的快速准确定位和有效地抑制负载的摆动这两方面的吊车操作要求，一般是通过有经验的工人操纵吊车来实现，具体在操作过程中，工人需要利用他们的经验并通过其眼睛的观测来估计台车的位置与摆角大小，然后选择合理的动作序列来有效抑制负载的摆动，并尽快将它运送到指定的位置，所以一个工人只有在具备多年吊车操作经验，并且掌握娴熟的吊车操作技巧之后，才能利用吊车快速地将负载运送到指定的位置，并有效地抑制负载的摆动。一般来说，为了实现吊车系统的安全操作，吊车操作人员需要接受很长时间的培训，并在操作过程中不断总结经验以及吸取各种教训，因此，现有的吊车系统对吊车操作人员的技能要求偏高，一般的吊车操作人员无法实现吊车系统的安全操作。此外，鉴于吊车操作者在吊车操作过程中的劳动强度较大，使得吊车的工作效率偏低，吊车操作的准确度有时也难以满足要求[1-7]。因此就需要对桥式吊车自动控制系统进行研究并加入计算机视觉实现负载摆角的非接触式测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术存在的上述问题，提供一种基于视觉的桥式吊车自动控制系统，以实现桥式吊车的自动控制，提高生产的安全性以及生产效率，并经由计算机视觉实现桥式吊车负载摆角的非接触式测量，克服负载摆角测量装置需要安装在桥式吊车系统内部，机械结构复杂、独立性差，不利于批量化、模块化生产的缺点，提高控制系统的可扩展性以及便捷性本专利技术的技术方案一种基于视觉的桥式吊车自动控制系统，包括桥式吊车控制系统以及视觉测量系统，其中：桥式吊车控制系统，基于独立设计的控制电路实现，用于采集桥式吊车的状态信息，并根据相应控制算法进行控制信号的计算输出，控制桥式吊车系统按预定要求运行，包括硬件控制电路以及硬件数据采集电路；视觉测量系统，采用自行设计的摆角测量算法，用于实现基于视觉的桥式吊车负载摆角的非接触式测量，以代替传统的接触式摆角测量装置，其中包括有运动负载识别模块、负载摆角计算模块以及视频监控模块三部分。优选地，所述桥式吊车控制系统中的硬件数据采集电路，包括两组各三路共计6路外部接口，各路外部接口分别通过对应的一路光耦隔离以及比较器连接硬件控制电路外部接口，六路光耦隔离以及比较器构成光耦隔离以及比较器模块，硬件控制电路外部接口通过电压转换模块分别连接所述的6路外部接口；所述的硬件数据采集电路能够通过桥式吊车本身所具备的接触式测量装置进行桥式吊车状态信息的采集，包括台车位置信息、负载高度信息、负载摆角信息以及台车正向和负向限位信息等其他所需信息，并能够通过硬件控制电路外部接口将这些数据传输给硬件控制电路，同时为了增加数字信号的抗干扰能力并处理码盘差分信号，加入光耦隔离以及比较器模块；为了能够输出与驱动装置相匹配的模拟量控制信号以驱动桥式吊车运行，加入电压转换模块，依靠运算放大器实现电压的转化；所述硬件控制电路，包括DSP主控芯片以及与之连接的FPGA辅助芯片，DSP主控芯片通过硬件控制电路外部接口连接硬件数据采集电路，用于接收硬件数据采集电路所采集的系统状态信息，DSP主控芯片同时通过串口模块与视觉测量系统进行通信连接，用于直接获取负载摆角信息，此时，DSP仅需另行接收除摆角之外的由硬件数据采集电路所采集的桥式吊车状态信息，最后根据相应控制算法，结合桥式吊车状态信息计算控制信号，并通过硬件数据采集电路将控制信号发送到桥式吊车系统，控制桥式吊车系统按预定要求运行；FPGA辅助芯片与RS485/RS232电平转换电路连接，以适应工业环境下的通信要求；FPGA辅助芯片与Buffer电路连接用于接收桥式吊车系统状态信息，FPGA辅助芯片同时与DA转换模块连接，进行模拟量控制信号的输出。所述主控芯片为DSPF28335，辅助芯片为EP2c5Q208c8型FPGA；FPGA负责接收最多5路桥式吊车系统状态信息；为了实现DSP的内存扩展，以使其支持更加复杂的控制算法程序，DSP同时连接SRAM对其内存进行外部扩充。优选地，所述视觉测量系统，采用自行设计的负载摆角测量算法，其中的运动负载识别模块部分，基于背景减除算法实现，该算法首先利用LBP背景建模算法进行背景模型的初始化建模，随后将其作为背景模型初值，利用基于混合高斯模型的背景建模算法对此背景模型初值进行训练，得到最终的背景模型，最后利用视频监控模块中的相机采集到的图像与背景模型进行减除，获取只包含运动负载的图像，实现运动负载的实时跟踪以及识别；所述负载摆角计算模块部分，基于运动负载识别模块部分的负载识别结果，首先需要对负载识别结果进行形态学滤波操作以抑制噪声干扰改善图像质量，随后提取运动负载轮廓，最后基于负载轮廓的图像矩，以获取主轴倾角β，即为负载摆角θ，，并将负载摆角信息通过串口发送到桥式吊车控制系统中的硬件控制电路；所述视频监控模块部分，独立于运动负载识别模块、以及载摆角计算模块，利用工业相机实时地采集桥式吊车运行现场图像，并依据工业相机开发函数库SDK中的相关函数进行视频显示程序的编写以进行现场图像的显示，以实现对于现场的实时监控，方便用户能够实时监测桥式吊车的运行状态，对于突发事件及时作出反应，并进行相应紧急处理，防止危险发生。优选地，所述形态学滤波操作包括：高斯滤波、基于灰度阈值的图像二值化转化、形态学图像腐蚀以及膨胀操作，以去除图像噪声突出负载轮廓。所述的工业相机开发函数库SDK中的相关函数包括：打开相机，相机参数设置，开启相机图像采集，开启视频预览以及关闭相机。本专利技术将计算机视觉引入桥式吊车的控制中，代替传统的机械式测量装置，实现负载摆角的非接触式测量，克服由于采用机械式测量装置带来的机械结构复杂、独立性差的缺点；所述桥式吊车系统可以为实验室环境本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于视觉的桥式吊车自动控制系统，其特征在于，包括桥式吊车控制系统以及视觉测量系统，其中：桥式吊车控制系统，基于独立设计的控制电路实现，用于采集桥式吊车的状态信息，并根据相应控制算法进行控制信号的计算输出，控制桥式吊车系统按预定要求运行，包括硬件控制电路以及硬件数据采集电路；视觉测量系统，采用自行设计的摆角测量算法，即采用基于LBP+混合高斯模型的背景建模算法以进行背景建模并结合背景减除的方法实现运动负载的检测，随后基于图像矩实现负载摆角的计算，用于实现基于视觉的桥式吊车负载摆角的非接触式测量，以代替传统的接触式摆角测量装置，其中包括有运动负载识别模块、负载摆角计算模块以及视频监控模块三部分。

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉的桥式吊车自动控制系统，其特征在于，包括桥式吊车控制系统以及视觉测量系统，其中：桥式吊车控制系统，基于独立设计的控制电路实现，用于采集桥式吊车的状态信息，并根据相应控制算法进行控制信号的计算输出，控制桥式吊车系统按预定要求运行，包括硬件控制电路以及硬件数据采集电路；视觉测量系统，采用自行设计的摆角测量算法，即采用基于LBP+混合高斯模型的背景建模算法以进行背景建模并结合背景减除的方法实现运动负载的检测，随后基于图像矩实现负载摆角的计算，用于实现基于视觉的桥式吊车负载摆角的非接触式测量，以代替传统的接触式摆角测量装置，其中包括有运动负载识别模块、负载摆角计算模块以及视频监控模块三部分。2.如权利要求1所述的基于视觉的桥式吊车自动控制系统，其特征在于，所述桥式吊车控制系统中的硬件数据采集电路包括两组各三路共计6路外部接口，各路外部接口分别通过对应的一路光耦隔离以及比较器连接硬件控制电路外部接口，六路光耦隔离以及比较器构成光耦隔离以及比较器模块，硬件控制电路外部接口通过电压转换模块分别连接所述的6路外部接口；所述的硬件数据采集电路能够通过桥式吊车本身所具备的接触式测量装置进行桥式吊车状态信息的采集，包括台车位置信息、负载高度信息、负载摆角信息以及台车正向和负向限位信息，并能够通过硬件控制电路外部接口将这些数据传输给硬件控制电路，同时为了增加数字信号的抗干扰能力并处理码盘差分信号，加入光耦隔离以及比较器模块；为了能够输出与驱动装置相匹配的模拟量控制信号以驱动桥式吊车运行，加入电压转换模块，依靠运算放大器实现电压的转化；所述硬件控制电路，包括DSP主控芯片以及与之连接的FPGA辅助芯片，DSP主控芯片通过硬件控制电路外部接口连接硬件数据采集电路，用于接收硬件数据采集电路所采集的桥式吊车状态信息，DSP主控芯片同时通过串口模块与视觉测量系统进行通信连接，用于直接获取负载摆角信息，此时，DSP仅需另行接收除摆角之外的由硬件数据采集电路所采集的桥式吊车状态信息，最后根据相应控制算法，结合桥式吊车状态信息计算控制信号，并通过硬件数据采集电路将控制信号发送到桥式吊车系统，控制桥式吊车系统按预定要求运行：FPGA辅助芯片与RS485/RS232电平转换电路连接，以适应工业环境下的通信要求；FPGA辅助芯片与Buffer电路连接用于接收桥式吊车系统状态信息，FPGA辅助芯片同时与DA转换模块连接，进行模拟量控制信号的输出。3.如权利要求2所述的基于视觉的桥式吊车自动控制系统，其特征在于，所述主控芯片为DSPF28335...

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