多高度标定测量方法及起重机防斜拉和精确定位方法技术

本发明专利技术公开了基于单目相机的多高度标定测量方法及起重机防斜拉和精确定位方法，基于机器视觉技术，通过多高度标定，实现单目相机在不同高度情况下目标位置的精确测量，该多高度标定过程具体为将相机景深范围分为多段，每段高度范围内相机视野按照横向和纵向同样分为多段，相机标定过程中通过在每段景深变化范围内沿横向和纵向分别移动靶标多次，从而建立在不同高度时像素距离和实际距离的数学模型。本发明专利技术灵敏度高，实施方便，鲁棒性性强，将极大地提高起重机的运行安全性和工作效率，促进起重机的自动化、数字化和智能化发展。

Multi height calibration and measurement method based on monocular camera and crane's anti slanting and accurate positioning method

The invention discloses a multi-height calibration measurement method based on a monocular camera and a crane anti-inclination and precise positioning method. Based on machine vision technology and through multi-height calibration, the monocular camera can accurately measure the position of the target at different heights. The multi-height calibration process specifies the range of the depth of field of the camera. The camera field of view is divided into several segments according to the horizontal and vertical directions. During the calibration process, the target is moved along the horizontal and vertical directions in the range of depth of field for many times, so the mathematical model of pixel distance and actual distance is established at different heights. The invention has the advantages of high sensitivity, convenient implementation and strong robustness, and greatly improves the operation safety and working efficiency of the crane, and promotes the development of automation, digitalization and intelligence of the crane.

【技术实现步骤摘要】
基于单目相机的多高度标定测量方法及起重机防斜拉和精确定位方法
本专利技术属于起重机安全控制
，具体涉及一种基于单目相机的多高度标定测量方法及起重机防斜拉和精确定位方法。
技术介绍
起重机作为一种物流运输工具，可以实现货物的起吊和运输，特别是大型货物的起吊和运输，节省了人力和物力，极大的提高了工作效率，促进了经济的发展。同时，随着工业自动化和数字化水平的发展，特别是变频器的应用，起重机的电气自动化水平得到不断提高，进一步增加了起重机的运行稳定性和安全性。同时，根据变频器在起重机上的实际应用情况可知，在起重机运行机构减速过程，变频器通过改变运行机构运行速度的变化率来实现运行机构的缓慢停止，从而减小了运行机构速度变化冲击，提高了起重机的运行稳定性。同时，起重机在起升过程中，货物的斜拉歪吊将增加起升机构的载荷，降低起升机构卷筒、钢丝绳等的寿命。货物的斜拉起升可能造成货物的滑动、翻转和偏摆等危险工况，严重威胁周围设备和工作人员的安全。现在起重机防斜拉控制技术主要通过限位开关，如光电开关、电阻开关等，限制货物斜拉状态的起升。这种方式已经不能满足起重机快速化和智能化的需求。进一步通过分析起重机开环防摇算法可知，开环防摇算法通过控制起重机大小车的运行来抑制负载的偏摆，即在抑制负载偏摆过程中，大小车将存在一定的减速制动距离。然而减速距离的存在将增加起重机停止位置的不确定性，传统起重机控制过程中，工人以低速控制起重机不断调整来实现负载的精确定位，严重降低了起重机的工作效率。未来工厂的发展方向为数字化车间和无人工厂，到2020年实现数字化车间和智能工厂普及率20％，起重机将是其中至关重要的一环，因此实现起重机精确定位的自动化和数字化将显得越发重要。同时，为抑制负载的偏摆，起重机开环防摇控制算法得到大量的研究和应用。开环防摇控制算法控制规律为通过控制大小车的运动来抑制负载的偏摆，即在起重机加速过程中通过控制大小车加速运行一段位移来抑制负载的偏摆，或在起重机加速过程通过控制大小车运行一段位移来抑制负载的偏摆。因此为抑制负载的偏摆，大小车将运行一段防摇距离，这将限制起重机开环防摇控制算法的应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于单目相机的多高度标定测量方法及起重机防斜拉和精确定位方法，它基于机器视觉技术，通过多高度的标定和测量方法，实现单目相机在不同高度情况下目标位置的精确测量，提高起重机的运行安全性和工作效率，促进起重机的自动化、数字化和智能化发展。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于单目相机的多高度标定测量方法，包括以下步骤：S1、选定单目相机，并获取其以下参数：相机景深范围内的最大高度Δl、相机的最大横向视野2X、相机的最大纵向视野2Y和相机的最大工作距离lH；S2、将靶标放置于单目相机的视野范围和景深范围内，将Δl分为H段，每段高度为Δlh，h＝1,2,3...H，在每段高度上将一半最大横向视野X分为m段，每段横向距离为ΔXhi，i＝1,2,3...m，在每段高度上将一半最大纵向视野Y分为n段，每段纵向距离为ΔYhj，j＝1,2,3...n；S3、在每段高度上，按照横向运动方向从ΔXh1向ΔXhm移动，分别获得靶标图像的横向距离Δuhi，按照纵向运动方向从ΔYh1向ΔYhn移动，分别获得靶标图像的纵向距离Δvhj；S4、根据单目相机的标定公式求解比例因子b、相机内部参数kxhi和kyhj、以物理单位表示的图像坐标中的初始坐标u0和v0，根据求解后的单目相机的标定公式测量位于该单目相机景深范围和视野范围内的待测物的横向距离ΔX和纵向距离ΔY，其中，lh为单目相机与靶标之间的距离，l为单目相机与待测物之间的距离，Δu和Δv分别为单目相机测得的待测物图像的横向距离和纵向距离。按上述技术方案，所述靶标为正方形，将正方形靶标的四个顶点对角相连，并以连线交点为中心作中心圆，以中心圆与两对角线的四个交点作为圆心分别贴圆形小靶标。相应的，本专利技术还提供一种基于单目相机的多高度标定测量方法及起重机防斜拉和精确定位方法，包括以下步骤：S1、将单目相机安装在起重机的小车底部，将防斜拉控制的靶标放置在吊钩上，精确定位靶标为移动靶标；S2、根据上述基于单目相机的多高度标定测量方法，根据起重机的绳长l，单目相机测得的靶标图像的横向距离Δu和纵向距离Δv，结合单目相机的标定公式，求得小车移动距离ΔX和大车移动距离ΔY。按上述技术方案，所述单目相机配置有光源。按上述技术方案，所述起重机卷筒一端安装有用于测量绳长的编码器。按上述技术方案，防斜拉控制过程中设定小车加速到设定速度后立即减速情况下，小车最大加速和减速位移的合位移当ΔX>scmax时，小车经历加速、匀速和减速三个阶段，此时小车匀速时间当ΔX≤scmax时，小车经历加速和减速两个阶段，此时小车加速时间t1和减速时间t2满足下式：按上述技术方案，防斜拉控制过程中设定大车加速到设定速度后立即减速情况下，大车最大加速和减速位移的合位移当ΔY>stmax时，大车经历加速、匀速和减速三个阶段，此时大车匀速时间当ΔY≤stmax时，大车经历加速和减速两个阶段，此时大车加速时间t3和减速时间t4满足下式：根按上述技术方案，设定小车精确定位位移为Spc，小车精确定位过程中经历匀速和减速两个阶段，此时小车匀速时间按上述技术方案，设定大车精确定位位移为Spt，大车精确定位过程中经历匀速和减速两个阶段，此时大车匀速时间本专利技术产生的有益效果是：本专利技术基于机器视觉技术，通过多高度标定，实现单目相机在不同高度情况下目标位置的精确测量，该多高度标定过程具体为将相机景深范围分为多段，每段高度范围内相机视野按照横向和纵向同样分为多段，相机标定过程中通过在每段景深变化范围内沿横向和纵向分别移动靶标多次，从而建立在不同高度时像素距离和实际距离的数学模型。另外，将基于单目相机的多高度标定测量方法应用于起重机防斜拉和精确定位，实现了起重机起升过程中的防斜拉控制，实现负载的垂直起升从而提高了起重机的操作安全性和开环防摇控制算法的控制精度，基于机器视觉引导，通过起重机开环防摇控制实现目标位置的精确卸载。本专利技术基于单目相机的多高度标定和测量方法实现目标位置的测量，灵敏度高，实施方便，鲁棒性性强，将极大地提高起重机的运行安全性和工作效率，促进起重机的自动化、数字化和智能化发展。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是基于机器视觉引导的起重机防斜拉和精确定位系统示意图；图2是基于机器视觉引导的起重机防斜拉和精确定位系统相机标定示意图；图3是基于机器视觉引导的起重机防斜拉和精确定位系统的靶标示意图；图4是防斜拉控制时小车控制过程示意图；图5是防斜拉控制时大车控制过程示意图；图6是无防摇时小车控制过程示意图；图7是无防摇时大车控制过程示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图2所示，一种基于单目相机的多高度标定测量方法，包括以下步骤：S1、选定单目相机，并获取其以下参数：相机景深范围内的最大高度Δl、相机的最大横向视本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单目相机的多高度标定测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选定单目相机，并获取其以下参数：相机景深范围内的最大高度Δl、相机的最大横向视野2X、相机的最大纵向视野2Y和相机的最大工作距离lH；S2、将靶标放置于单目相机的视野范围和景深范围内，将Δl分为H段，每段高度为Δlh，h＝1,2,3...H，在每段高度上将一半最大横向视野X分为m段，每段横向距离为ΔXhi，i＝1,2,3...m，在每段高度上将一半最大纵向视野Y分为n段，每段纵向距离为ΔYhj，j＝1,2,3...n；S3、在每段高度上，按照横向运动方向从ΔXh1向ΔXhm移动，分别获得靶标图像的横向距离Δuhi，按照纵向运动方向从ΔYh1向ΔYhn移动，分别获得靶标图像的纵向距离Δvhj；S4、根据单目相机的标定公式

【技术特征摘要】
1.一种基于单目相机的多高度标定测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选定单目相机，并获取其以下参数：相机景深范围内的最大高度Δl、相机的最大横向视野2X、相机的最大纵向视野2Y和相机的最大工作距离lH；S2、将靶标放置于单目相机的视野范围和景深范围内，将Δl分为H段，每段高度为Δlh，h＝1,2,3...H，在每段高度上将一半最大横向视野X分为m段，每段横向距离为ΔXhi，i＝1,2,3...m，在每段高度上将一半最大纵向视野Y分为n段，每段纵向距离为ΔYhj，j＝1,2,3...n；S3、在每段高度上，按照横向运动方向从ΔXh1向ΔXhm移动，分别获得靶标图像的横向距离Δuhi，按照纵向运动方向从ΔYh1向ΔYhn移动，分别获得靶标图像的纵向距离Δvhj；S4、根据单目相机的标定公式求解比例因子b、相机内部参数kxhi和kyhj、以物理单位表示的图像坐标中的初始坐标u0和v0，根据求解后的单目相机的标定公式测量位于该单目相机景深范围和视野范围内的待测物的横向距离ΔX和纵向距离ΔY。其中，lh为单目相机与靶标之间的距离，l为单目相机与待测物之间的距离，Δu和Δv分别为单目相机测得的待测物图像的横向距离和纵向距离。2.根据权利要求1所述的基于单目相机的多高度标定测量方法，其特征在于，所述靶标为正方形，将正方形靶标的四个顶点对角相连，并以连线交点为中心作中心圆，以中心圆与两对角线的四个交点作为圆心分别贴圆形小靶标。3.一种基于机器视觉引导的起重机防斜拉和精确定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将单目相机安装在起重机的小车底部，将防斜拉控制的靶标放置在吊钩上，精确定位靶标为移动靶标；S2、根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小凯，吴庆祥，徐强，危刚，华林，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42