柔性吊车下摆角测量、自动控制以及评价系统与方法技术方案

本公开提供了一种柔性吊车下摆角测量、自动控制以及评价系统与方法，本公开可以模拟实际柔性吊车运行，同时利用视觉标定和机器学习拟合出吊绳弯曲特性，将此特性用于吊绳下端摆角的测量。依据该测量值，能够将其作为控制性能定量评价指标，对控制器性能进行定量评价，并据此修改、优化控制器参数，进行柔性吊车系统的自动或优化控制。

【技术实现步骤摘要】
柔性吊车下摆角测量、自动控制以及评价系统与方法
本公开涉及一种柔性吊车下摆角测量、自动控制以及评价系统与方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。桥式吊车是一种十分常见的运载工具，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，吊车被广泛应用于生产车间、安装工地等各种工业场合。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，近年来国内外自动化领域的许多学者针对桥式吊车系统开展了大量研究，提出了多种控制方法，力图实现桥式吊车的安全、高效运行。但是，大部分现有的研究成果都是基于刚性绳的研究成果。吊车系统的控制量维数少于其待控的系统自由度，是典型的欠驱动系统，且其在工作时易受摩擦力、风力等外界干扰的影响，特别是在实际应用中吊绳长度达到十几米甚至几十米时，吊绳在摆动时本身发生的弯曲效果就会凸显出来，此时便不能简单地将其视为刚性绳，否则会对实际应用带来重大影响。因此对柔性绳吊车系统的研究是必要且重要的。目前，柔性吊车系统的自动控制研究主要集中在两个方面：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以及柔性绳自身的弯曲。柔性吊车系统与刚性吊车系统的区别，也即其控制难点在于，当台车运动时，除了绳索上端会产生一个倾角，绳索下端还会因为自身弯曲而产生一个额外的摆角。因此，如何正确的测量柔性绳索末端摆角，如何利用该柔性绳索末端摆角作为控制性能定量评价指标，进而对多种控制策略进行验证，对进行柔性吊车系统的自动控制研究具有重要的意义。
技术实现思路
本公开为了解决上述问题，提出了一种柔性吊车下摆角测量、自动控制以及评价系统与方法，本公开可以模拟实际柔性吊车运行，同时利用视觉标定和机器学习拟合出吊绳弯曲特性，将此特性用于吊绳下端摆角的测量。依据该测量值，能够将其作为控制性能定量评价指标，对控制器性能进行定量评价，并据此修改、优化控制器参数，进行柔性吊车系统的自动或优化控制。根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：一种柔性吊车下摆角测量系统，包括光视觉标定系统、处理器和采集单元，其中：所述采集单元，被配置为采集台车在可运动方向上的位置信息、柔性绳索上端倾角，以及柔性绳索下端的摆动图像；所述光视觉标定系统，被配置为利用静态标定识别每一帧图像中，设置在柔性绳索下端标定片的位置，动态连续跟踪标定片以识别每一帧的标定片位置，将静态识别和动态识别结果互为补充，利用标定出来的位置计算柔性绳索下端摆角，并与柔性绳索上端倾角数据在时域进行对齐，进行拟合，确定二者关系；所述处理器，被配置为根据拟合确定的柔性绳索上端倾角与柔性绳索下端摆角的关系，将实时获取的上端倾角数据转换为下端摆角，并输出。作为进一步的限定，所述柔性吊绳为刚度合适的钢片，保证自身弯曲易于检测并有效抑制侧向摆动。作为进一步的限定，所述光视觉标定系统，包括黑色背景板、贴在柔性绳索侧面的有色标定片、图像采集模块和光视觉标定模块，所述黑色背景板设置于所述柔性绳索的后端，且覆盖所述柔性绳索的全部摆动范围，所述图像采集模块录制所述柔性绳索摆动的视频，所述光视觉标定模块运行于控制器或存储器上，被配置为结合视觉标定和机器学习的方法，离线得到上端倾角编码器度数和下端摆角之间的非线性关系式。作为更进一步的限定，所述光视觉标定模块包括静态标定模块、动态标定模块和时域对齐模块，静态标定模块被配置为利用RGB颜色阈值识别视频中每一帧的标定片位置，动态标定模块被配置为利用CamShift算法连续跟踪标定片以识别每一帧的标定片位置，二者互为补充，标定出来的位置用以计算柔性绳索下端摆角，所述时域对齐模块被配置为计算出的柔性绳索下端摆角对与柔性绳索上端摆动数据在时域进行对齐，生成原始训练集。作为进一步的限定，所述处理器设置或连接有机器学习拟合库，利用机器学习对原始训练集进行数据拟合，得到的拟合模型将实际运行中获取的上端摆动数据转换为下端摆角。一种柔性吊车柔性建模试验系统，包括上述柔性吊车下摆角测量系统和柔性吊车实验平台，其中：所述柔性吊车实验平台，包括机械平台主体和驱动装置，所述机械平台主体为桥式吊车系统结构，具体包括台车、柔性吊绳以及有效载荷，所述台车连接柔性吊绳的一端，柔性吊绳的另一端吊有有效载荷，所述柔性吊绳随着台车的水平行驶而摆动；所述驱动装置为台车提供移动力，使其在水平方向往复运动；所述采集单元，至少包括位置采集模块、上端倾角测量模块和下端摆角测量模块，所述位置采集模块，被配置为采集驱动装置的编码信号，根据驱动装置的编码信号得到台车在可运动方向上的位置信息；所述上端倾角测量模块，被配置为采集柔性绳索上端摆动编码器信号，解码所述柔性绳索上端摆动编码器信号，得到柔性吊绳上端倾角；所述下端摆角测量模块，被配置为采集柔性绳索下端的摆动图像；所述采集单元的数据均传输给所述处理器。一种柔性吊车自动控制评价系统，运行于处理器或存储器上，被配置为执行以下指令：获取上述实时转换后的柔性绳索下端摆角，利用其作为评价指标，以运行过程中该角度尽可能小，尽可能快速收敛到零为评价原则，对各柔性吊车自动控制策略进行评价。一种柔性吊车自动控制系统，运行于处理器或存储器上，被配置为执行以下指令，获取上述实时转换后的柔性绳索下端摆角，利用其作为评价指标，以运行过程中该角度尽可能小，尽可能快速收敛到零为评价原则，对初选的各柔性吊车自动控制策略进行评价，利用评价结果符合设定要求的相应控制策略，根据实时采集的柔性绳索上端摆动信号，对柔性吊车的运行进行自动控制。一种柔性吊车下摆角自动控制方法，包括以下步骤：采集台车在可运动方向上的位置信息、柔性绳索上端倾角，以及柔性绳索下端的摆动图像；利用静态标定识别每一帧图像中，设置在柔性绳索下端标定片的位置，动态连续跟踪标定片以识别每一帧的标定片位置，将静态识别和动态识别结果互为补充，利用标定出来的位置计算柔性绳索下端摆角，并与柔性绳索上端倾角数据在时域进行对齐，进行拟合，确定二者关系；根据拟合确定的柔性绳索上端倾角与柔性绳索下端摆角的关系，将实时获取的上端倾角数据转换为下端摆角；利用下端摆角作为评价指标，以运行过程中该角度尽可能小，尽可能快速收敛到零为评价原则，对初选的各柔性吊车自动控制策略进行评价，选择评价结果符合设定要求的相应控制策略；根据实时采集的柔性绳索上端摆动信号，利用选择的控制策略对柔性吊车的运行进行自动控制。与现有技术相比，本公开的有益效果为：本公开根据实际柔性吊车运行或模拟实际柔性吊车运行，同时利用视觉标定和机器学习拟合出吊绳弯曲特性，将此特性用于吊绳下端摆角的测量，对控制器性能进行定量评价，并据此修改或优化控制器参数，有助于柔性吊车系统的自动控制研究；本公开能够确定柔性吊绳的顶端摆角和末端摆角的关系，利用容易获取的顶端摆角作为参考因素，对吊车运行进行控制，简化了采集过程和相应的控制环节；本公开基于柔性建模评估得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性吊车下摆角测量系统，其特征是：包括光视觉标定系统、处理器和采集单元，其中：所述采集单元，被配置为采集台车在可运动方向上的位置信息、柔性绳索上端倾角，以及柔性绳索下端的摆动图像；所述光视觉标定系统，被配置为利用静态标定识别每一帧图像中，设置在柔性绳索下端标定片的位置，动态连续跟踪标定片以识别每一帧的标定片位置，将静态识别和动态识别结果互为补充，利用标定出来的位置计算柔性绳索下端摆角，并与柔性绳索上端倾角数据在时域进行对齐，进行拟合，确定二者关系；所述处理器，被配置为根据拟合确定的柔性绳索上端倾角与柔性绳索下端摆角的关系，将实时获取的上端倾角数据转换为下端摆角，并输出。

【技术特征摘要】
1.一种柔性吊车下摆角测量系统，其特征是：包括光视觉标定系统、处理器和采集单元，其中：所述采集单元，被配置为采集台车在可运动方向上的位置信息、柔性绳索上端倾角，以及柔性绳索下端的摆动图像；所述光视觉标定系统，被配置为利用静态标定识别每一帧图像中，设置在柔性绳索下端标定片的位置，动态连续跟踪标定片以识别每一帧的标定片位置，将静态识别和动态识别结果互为补充，利用标定出来的位置计算柔性绳索下端摆角，并与柔性绳索上端倾角数据在时域进行对齐，进行拟合，确定二者关系；所述处理器，被配置为根据拟合确定的柔性绳索上端倾角与柔性绳索下端摆角的关系，将实时获取的上端倾角数据转换为下端摆角，并输出。2.如权利要求1所述的一种柔性吊车下摆角测量系统，其特征是：所述光视觉标定系统，包括黑色背景板、贴在柔性绳索侧面的有色标定片、图像采集模块和光视觉标定模块，所述黑色背景板设置于所述柔性绳索的后端，且覆盖所述柔性绳索的全部摆动范围，所述图像采集模块录制所述柔性绳索摆动的视频，所述光视觉标定模块运行于控制器或存储器上，被配置为结合视觉标定和机器学习的方法，离线得到上端倾角编码器度数和下端摆角之间的非线性关系式。3.如权利要求1所述的一种柔性吊车下摆角测量系统，其特征是：所述光视觉标定模块包括静态标定模块、动态标定模块和时域对齐模块，静态标定模块被配置为利用RGB颜色阈值识别视频中每一帧的标定片位置，动态标定模块被配置为利用CamShift算法连续跟踪标定片以识别每一帧的标定片位置，二者互为补充，标定出来的位置用以计算柔性绳索下端摆角，所述时域对齐模块被配置为计算出的柔性绳索下端摆角对与柔性绳索上端摆动数据在时域进行对齐，生成原始训练集。4.如权利要求1所述的一种柔性吊车下摆角测量系统，其特征是：所述处理器设置或连接有机器学习拟合库，利用机器学习对原始训练集进行数据拟合，得到的拟合模型将实际运行中获取的上端摆动数据转换为下端摆角。5.如权利要求1所述的一种柔性吊车下摆角测量系统，其特征是：所述柔性吊绳为刚度合适的钢片，保证自身弯曲易于检测并有效抑制侧向摆动。6.一种柔性吊车柔性建模试验系统，其特征是：包括如权利要求1-5中任一项所述的柔性吊车下摆角测量系统和柔性吊车实验平台，其中：所述柔性吊车实验平台，包括机械平台主体和驱动装置，所述机械平台主体为桥式吊车系...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宁，张晓阳，马进，杨若出，苗俞城，姜璨，张建一，方勇纯，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12