CN101973489B - 带有图像传感器的双起升桥吊控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有图像传感器的双起升桥吊控制系统及控制方法。所述系统和控制方法不需要额外的速度传感器和双吊具摆角传感器，只用一个小车位置传感器和两个吊具视频传感器，通过相应的图像识别和计算，就能够完成对小车的位置、速度，以及吊具摆角和吊绳长度等的检测，进而实现对双吊具桥吊的防摇和定位控制。本发明系统结构简单，控制有效，对控制量检测装置的要求较低，成本低，易于实现，使用方便，并能够同时实现小车位置控制和对两个吊具摆角的控制。本发明方法采用两个视频图像传感器分别检测两个吊具及其负载的摇摆角度和吊具绳长，然后利用这些信息完成双起升双吊具桥吊的防摇定位控制，具有准确性高，维护方便，造价低廉等优点。

Description

带有图像传感器的双起升桥吊控制系统及控制方法

技术领域：

本发明涉及自动控制技术和信息技术。特别涉及一种带有图像传感器的双起升桥吊控制系统及控制方法。

背景技术：

双起升双吊具桥吊(包括场桥和岸桥)是一种新型港口集装箱装卸机械，由于它具有两个起升吊具，可以同时工作，因而大大提高了集装箱的装卸效率，但是，这种双起升双吊具桥吊系统结构复杂，工作方式多样，给控制带来很大的难度。由于这种新型桥吊具有两个可以单独起升的吊具，传统的单吊具桥吊控制器不适合于这种新型双起升双吊具桥吊系统的控制。

现有的桥吊控制系统都是对单吊具桥吊进行控制的，它们对吊具摆角的检测采用比较复杂的检测仪器，具有成本高，维护不方便等缺点。

发明内容：

为了解决双起升双吊具桥吊的小车位置控制问题和双吊具的防摇摆控制问题。本发明提供了一种带有图像传感器的双起升桥吊控制系统，同时还提供了由该控制系统所能实现的控制方法。这样一来，不需要额外的速度传感器和双吊具摆角传感器，只用一个小车位置传感器和两个吊具视频传感器，通过相应的图像识别和计算，就能够完成对小车的位置、速度，以及吊具摆角和吊绳长度等的检测，进而实现对双吊具桥吊的防摇和定位控制。

一般来讲，桥吊控制的目标是要实现负载的防摇和负载的精确对位。现在使用中的桥吊大部分都是单起升桥吊系统，都以手工控制操作为主，只是在一些大型集装箱桥吊系统中为了达到更好的操作效果，提高装卸效率，安装了一些机械防摇装置或电子防摇装置，但这些都不是自动化桥吊系统，即都没有从根本上实现桥吊操作的自动控制(即自动防摇控制和定位控制)。

在现有技术中，有一些单起升桥吊防摇定位自动控制的研究和应用，但是这些工作没有涉及到双吊具桥吊实现负载防摇和负载定位的控制。另外，这些单吊具桥吊控制系统中普遍采用了易受干扰的速度传感器进行小车速度反馈，同时使用了比较复杂的激光仪、角度传感器等检测装置实现负载摆角的检测，这些检测装置成本高，应用复杂，抗干扰能力差，维护也不方便，有的还对使用环境有特殊要求(比如采用激光仪进行角度识别就要求工作状况良好，要求满足无尘无雨无遮挡等条件)，控制系统工作的适应能力差。

本发明采用位置传感器和视频摄像头进行信息检测和反馈，应用可靠，维护简单，完全克服了上述问题。更为重要的是，现有的桥吊控制器无论从结构上还是从功能上来讲，都是针对单吊具的桥吊设计的，现有的单吊具桥吊控制系统从根本上来讲不能解决双吊具桥吊的位置控制和防摇定位控制问题。

本发明所述的带有图像传感器的双起升桥吊控制系统，包括：

双吊具视频图像传感器，用于实时拍摄相应吊具的运行情况，所述双吊具视频图像传感器安装在吊具正上方的小车上；

小车位置传感器(如码盘、感应同步器等)，可以实时检测小车运行位的置x_f，并进行x_f信号的标度变换，所述小车位置传感器安装在桥吊小车的移动机构上；

第一吊具视频图像处理单元(吊具1视频图像处理单元)和第二吊具视频图像处理单元(吊具2视频图像处理单元)，上述两吊具视频图像处理单元负责接收和处理由视频图像传感器发来的吊具图像，并从拍摄的视频图像中抽取适当的帧，完成相应吊具的摆角

摆动角速度

和吊绳长度的计算，上述两吊具视频图像处理单元安装在双吊具桥吊的小车上；

小车位置控制器，负责接收桥吊控制命令，并与各种反馈信号进行比较，实现小车位置的控制，所述小车位置控制器安装在双吊具桥吊的小车上；

双吊具摆角补偿单元，利用输入的两个吊具的摆角、角速度和吊绳长度等信息，完成对双吊具摆角控制补偿量的计算，最终实现对双吊具摆角的抑制，所述双吊具摆角补偿单元安装在双吊具桥吊的小车上；

比较器1和比较器2，负责对输入的两个信号进行代数或逻辑比较运算，该过程由小车位置控制器实现；

小车速度估计器，负责对输入的小车位置信号x_f进行微分运算(速度估计器算法可以使用现有的各种微分算法)，从而得到小车的速度信号该过程由小车位置控制器实现；

小车位置检测单元，用来对现场总线传来的小车位置模拟量信号进行滤波、标度变换、隔离和A/D转换，然后将处理的位置信号传送给比较器1和小车速度估计器；所述小车位置检测单元通过CAN总线与小车位置传感器相连，安装在双吊具桥吊小车上，通过CAN总线实时获得现场位置传感器信息；

小车伺服驱动器，安装在桥吊小车横梁上；

驾驶台位于桥吊驾驶室内，负责提供桥吊运行的控制信号。

上述方案中，所述比较器1和比较器2对若干输入信号进行类型转换(比如D/A变换)和标度变换，然后进行数值运算，得到一个输出信号，供给控制器或驱动器使用；所述比较器1和比较器2的输入信号主要有操作台信号、现场检测信号和控制器输出信号等；所述比较器1和比较器2分别由一个单片机系统/PLC单元来实现，由D/A(或A/D)器件、隔离器件、单片机或片上系统、存储单元、I/O总线单元和电源系统组成，安装在桥吊控制器上，通过CAN总线与现场驱动单元(变频调速器)连接。

上述方案中，所述小车位置检测单元由CPU、I/O接口芯片、A/D转换模块、隔离元件、电源、总线控制单元等组成。

上述方案中，所述小车位置控制器和吊具摆角补偿单元由CPU单元、存储单元(ROM和RAM)、I/O接口、逻辑器件、时钟单元、电源等构成，安装在桥吊小车上的控制箱中，能够运行普通PID、模糊自整定PID算法、单神经元PID控制这些控制算法，能够设置调整控制参数，然后将运算结果，即控制量，输出到比较器2。

上述方案中，所述第一吊具视频图像处理单元和第二吊具视频图像处理单元各自分别由CPU(或附加微分元件)、视频处理器、存储器、I/O等电路组成。

由于目前还没有针对双起升双吊具桥吊的控制装置的报道。相对于传统的单吊具桥吊控制系统，本发明系统的控制装置结构简单，控制有效，对控制量检测装置的要求较低，成本低，易于实现，使用方便，并能够同时实现小车位置控制和对两个吊具摆角的控制。

另外，根据上述发明系统，还提供了一种对应的控制方法，该方法的步骤如下：

首先由双吊具桥吊司机发出桥吊运行的控制指令，给出桥吊小车运行的目标位置x_r，在第一个采样周期内，该指令经过小车位置控制器的处理发送到小车伺服驱动器，控制双吊具桥吊小车运行到一定位置；在第二个采样周期内，小车位置检测单元收到通过现场总线发送的来自小车位置传感器的位置检测信号，经过处理后得到桥吊小车的实际位置x_f，同时，将x_f发送到小车速度估计器计算得到小车速度估计值

然后将该小车速度估计值

发送到小车位置控制器，小车位置控制器将

与位置偏差值e_r＝x_r-x_f进行控制运算，得到小车位置控制信号u_e，并将u_e发送到比较器2；此时，吊具1、2视频图像处理单元通过对视频传感器检测信号的运算，分别计算得到吊具1、2摆角的估计值

和

吊具1、2的角速度估计值

和

以及吊具的绳长L₁和L₂，这些信息经由双吊具摆角补偿单元的计算得到吊具摆角补偿控制量u_θ，将u_θ送入比较器2中，再与先前得到的小车位置控制信号u_e进行综合运算，最终得到新的控制量输出u＝u_e-u_θ，将u送入小车伺服驱动器，驱动双吊具桥吊小车运行并达到新的位置；在第三个控制周期，检测信号的传送和控制量的运算过程相同，这种周而复始的周期性控制过程，使得桥吊小车位置控制偏差得到纠正，双吊具摆角的幅度得到消减，摆动得到抑制，从而实现桥吊小车的位置和两个吊具的摆角的同时控制。

上述方案中，所述双吊具摆角补偿单元的控制策略是当小车远离目标位置时，小车位置控制器优先，当小车接近目标位置时，吊具摆角补偿单元控制优先。当吊具1、2摆角的摆动幅度

和

有增大的趋势时，吊具摆角补偿单元计算得到的输出u_θ总是阻止桥吊小车位置控制e_u的运行趋势，以抑制吊具1、2摆角

和

的进一步增大。两个摆角

和

的补偿量需要由吊具摆角补偿单元分别进行计算，然后累加输出。

本发明方法中涉及的控制系统采用两个视频图像传感器分别检测两个吊具及其负载(集装箱)的摇摆角度和吊具绳长，然后利用这些信息完成双起升双吊具桥吊的防摇定位控制，具有控制系统结构简单，准确性高，维护方便，造价低廉等优点。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明带有图像传感器的双起升双吊具桥吊控制系统组成结构图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明系统采用两个独立的控制器，即利用小车位置控制器和双吊具摆角补偿单元，实现对桥吊小车的位置和两个吊具的摆角的控制。附图为本发明所涉及的双吊具桥吊控制系统的组成。

其中，双吊具视频图像传感器用于实时拍摄相应吊具的运行情况，它们安装在吊具正上方的小车上；

小车位置传感器(如码盘、感应同步器等)可以实时检测小车运行位的置x_f，并进行x_f信号的标度变换，它安装在桥吊小车的移动机构上；

吊具1、2视频图像处理单元(即视频图像处理器)负责接收和处理由视频图像传感器发来的吊具图像，并从拍摄的视频图像中抽取适当的帧，完成相应吊具的摆角

摆动角速度

和吊绳长度的计算，它安装在双吊具桥吊的小车上；

小车位置控制器负责接收桥吊控制命令，并与各种反馈信号进行比较，实现小车位置的控制，它安装在双吊具桥吊的小车上；

双吊具摆角补偿单元利用输入的两个吊具的摆角、角速度和吊绳长度等信息，完成对双吊具摆角补偿量的计算，最终实现对双吊具摆角的抑制，它安装在双吊具桥吊的小车上；

比较器1、2，负责对输入的两个信号进行代数或逻辑比较运算，它的功能由小车位置控制器实现；

小车速度估计器，负责对输入的小车位置信号x_f进行微分运算(速度估计器算法可以使用现有的各种微分算法)，从而得到小车的速度信号它的功能由小车位置控制器实现；

驾驶台位于桥吊驾驶室内，负责提供桥吊运行的控制信号。

另外，上述系统还需具体说明的是：

比较器1、2：是一个运算单元，其功能是对若干输入信号进行类型转换(比如D/A变换)和标度变换，然后进行数值运算，得到一个输出信号，供给控制器或驱动器使用。比较器的输入信号主要有操作台信号、现场检测信号和控制器输出信号等。比较器由一个单片机系统(也可以是一个PLC单元)来实现，由D/A(或A/D)器件、隔离器件、单片机或片上系统、存储单元、I/O总线单元和电源系统组成，属于弱电系统，它一般安装在桥吊控制器上，通过CAN总线与现场驱动单元(变频调速器)连接。

小车位置检测单元：是一个检测部件，其功能是对现场总线传来的小车位置模拟量信号进行滤波、标度变换、隔离和A/D转换，然后将处理的位置信号传送给比较器1和小车速度估计器。小车位置检测单元由CPU、I/O接口芯片、A/D转换模块、隔离元件、电源、总线控制单元等组成。小车位置检测单元通过CAN总线与小车位置传感器(如码盘、感应同步器等)相连，它安装在双吊具桥吊小车上，通过CAN总线实时获得现场位置传感器信息。

小车位置控制器/吊具摆角补偿单元：是一种数字运算单元，其功能是可以运行各种不同的控制算法，比如普通PID、模糊自整定PID算法、单神经元PID控制等，可设置调整控制参数，然后将运算结果，即控制量，输出到比较器2。小车位置控制器由一个单片机系统(或片上单元或PLC模块或工控机)实现，其核心是CPU部件，实现控制数字运算功能。本发明中的小车位置控制器和吊具摆角补偿单元其控制算法和控制参数均不同，控制算法和控制参数需要根据现场情况设计和整定。电路结构上，小车位置控制器/吊具摆角补偿单元一般由CPU单元、存储单元(ROM和RAM)、I/O接口、逻辑器件、时钟单元、电源等构成，这是本控制系统的核心部件之一。小车位置控制器/吊具摆角补偿单元安装在桥吊小车上的控制箱中。在本发明系统中，小车位置控制器和吊具摆角补偿单元可以灵活选择各种现有的控制方法，故本发明不作具体限定。

吊具1、2视频图像处理单元：是一个图像数据处理单元，它们接收从视频传感器传送的视频图像，其功能是根据摄像头拍摄到的吊具实际位置图像，经过图像处理和模式识别运算，得到吊具的摆角，并进而计算出吊具的角速度，视频图像处理单元的信息输出通过总线传送到双吊具摆角补偿单元。视频图像处理单元由CPU(或附加微分元件)、视频处理器、存储器、I/O等电路组成。吊具1、2视频图像处理单元安装在桥吊的小车上。

小车伺服驱动器：根据双吊具桥吊小车驱动电机的不同，可以选择不同的桥吊伺服驱动器。对于目前比较流行的感应式电机，小车伺服驱动器一般采用交流变频器实现。桥吊小车伺服驱动器安装在桥吊小车横梁上。桥吊大车伺服驱动与此类似，而本发明将不涉及这方面的内容。

驾驶台：在双吊具桥吊的驾驶室内，是桥吊司机的操作设备。

小车位置传感器：是一种模拟量检测器件，可以采用码盘或感应同步器等装置，它安装在双吊具桥吊小车运行机构的特定位置。

另外，根据上述双吊具桥吊控制系统，其具体控制过程如下：

首先由双吊具桥吊司机发出桥吊运行的控制指令，给出桥吊小车运行的目标位置x_r，在第一个采样周期内，该指令经过小车位置控制器的处理发送到小车伺服驱动器，控制双吊具桥吊小车运行到一定位置；在第二个采样周期内，小车位置检测单元收到通过现场总线发送的来自小车位置传感器的位置检测信号，经过处理后得到桥吊小车的实际位置x_f，同时，将x_f发送到小车速度估计器计算得到小车速度估计值然后将该小车速度估计值

发送到小车位置控制器，小车位置控制器将

与位置偏差值e_r＝x_r-x_f进行控制运算，得到小车位置控制信号u_e，并将u_e发送到比较器2；此时，吊具1、2视频图像处理单元通过对视频传感器检测信号的运算，分别计算得到吊具1、2摆角的估计值

和

吊具1、2的角速度估计值

和

以及吊具的绳长L₁和L₂，这些信息经由双吊具摆角补偿单元的计算得到吊具摆角补偿控制量u_θ，将u_θ送入比较器2中，再与先前得到的小车位置控制信号u_e进行综合运算，最终得到新的控制量输出u＝u_e-u_θ，将u送入小车伺服驱动器，驱动双吊具桥吊小车运行并达到新的位置；在第三个控制周期，检测信号的传送和控制量的运算过程相同，这种周而复始的周期性控制过程，使得桥吊小车位置控制偏差得到纠正，双吊具摆角的幅度得到消减，摆动得到抑制，从而实现桥吊小车的位置和两个吊具的摆角的同时控制。

双吊具摆角补偿单元的控制策略是当小车远离目标位置时，小车位置控制器优先，当小车接近目标位置时，吊具摆角补偿单元控制优先。当吊具1、2摆角的摆动幅度

和

有增大的趋势时，吊具摆角补偿单元计算得到的输出u_θ总是阻止桥吊小车位置控制e_u的运行趋势，以抑制吊具1、2摆角

和的进一步增大。两个摆角和

的补偿量需要由吊具摆角补偿单元分别进行计算，然后累加输出。吊具摆角补偿单元可以使用现有的各种控制方法，本发明并不做具体限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.带有图像传感器的双起升桥吊控制系统，其特征在于，包括：

双吊具视频图像传感器，用于实时拍摄相应吊具的运行情况，所述双吊具视频图像传感器安装在吊具正上方的小车上；

小车位置传感器，能够实时检测小车运行的位置x_f，并进行x_f信号的标度变换，所述小车位置传感器安装在桥吊小车的移动机构上；

第一吊具视频图像处理单元和第二吊具视频图像处理单元，上述两吊具视频图像处理单元负责接收和处理由视频图像传感器发来的吊具图像，并从拍摄的视频图像中抽取适当的帧，完成相应吊具的摆角

摆动角速度

和吊绳长度的计算，上述两吊具视频图像处理单元安装在双吊具桥吊的小车上；

小车位置控制器，负责接收桥吊控制命令，并与各种反馈信号进行比较，实现小车位置的控制，所述小车位置控制器安装在双吊具桥吊的小车上；

双吊具摆角补偿单元，利用输入的两个吊具的摆角、角速度和吊绳长度信息，完成对双吊具摆角控制补偿量的计算，最终实现对双吊具摆角的抑制，所述双吊具摆角补偿单元安装在双吊具桥吊的小车上；

比较器1和比较器2，负责对输入的两个信号进行代数或逻辑比较运算，该过程由小车位置控制器实现；

小车速度估计器，负责对输入的小车运行的位置x_f信号进行微分运算，从而得到小车的速度信号

该过程由小车位置控制器实现；

小车位置检测单元，用来对现场总线传来的小车位置模拟量信号进行滤波、标度变换、隔离和A/D转换，然后将处理的位置信号传送给比较器1和小车速度估计器；所述小车位置检测单元通过CAN总线与小车位置传感器相连，安装在双吊具桥吊小车上，通过CAN总线实时获得现场位置传感器信息；

小车伺服驱动器，安装在桥吊小车横梁上；

驾驶台位于桥吊驾驶室内，负责提供桥吊运行的控制信号。

2.根据权利要求1的带有图像传感器的双起升桥吊控制系统，其特征在于，所述比较器1和比较器2对若干输入信号进行类型转换和标度变换，然后进行数值运算，得到一个输出信号，供给控制器或驱动器使用；所述比较器1和比较器2的输入信号主要有操作台信号、现场检测信号和控制器输出信号；所述比较器1和比较器2分别由一个单片机系统/PLC单元来实现，由D/A器件、隔离器件、单片机或片上系统、存储单元、I/O总线单元和电源系统组成，安装在桥吊控制器上，通过CAN总线与现场驱动单元连接。

3.根据权利要求1的带有图像传感器的双起升桥吊控制系统，其特征在于，所述小车位置检测单元由CPU、I/O接口芯片、A/D转换模块、隔离元件、电源、总线控制单元组成。

4.根据权利要求1的带有图像传感器的双起升桥吊控制系统，其特征在于，所述小车位置控制器和吊具摆角补偿单元由CPU单元、存储单元、I/O接口、逻辑器件、时钟单元、电源构成，安装在桥吊小车上的控制箱中，能够运行普通PID、模糊自整定PID算法、单神经元PID控制这些控制算法，能够设置调整控制参数，然后将运算结果，即控制量，输出到比较器2。

5.根据权利要求1的带有图像传感器的双起升桥吊控制系统，其特征在于，所述第一吊具视频图像处理单元和第二吊具视频图像处理单元各自分别由CPU、视频处理器、存储器、I/O电路组成。

6.根据权利要求1的带有图像传感器的双起升桥吊控制系统的控制方法，其特征在于，所述方法步骤包括：

首先由双吊具桥吊司机发出桥吊运行的控制指令，给出桥吊小车运行的目标位置x_r，在第一个采样周期内，该指令经过小车位置控制器的处理发送到小车伺服驱动器，控制双吊具桥吊小车运行到一定位置；在第二个采样周期内，小车位置检测单元收到通过现场总线发送的来自小车位置传感器的位置检测信号，经过处理后得到桥吊小车运行的位置x_f，同时，将x_f发送到小车速度估计器计算得到小车的速度信号

的估计值，然后将该小车的速度信号

的估计值发送到小车位置控制器，小车位置控制器将

与位置偏差值e_r＝x_r-x_f进行控制运算，得到小车位置控制信号u_e，并将u_e发送到比较器2；此时，吊具1、2视频图像处理单元通过对视频传感器检测信号的运算，分别计算得到吊具1、2摆角的估计值

和

吊具1、2的角速度估计值

和

以及吊具的绳长L₁和L₂，这些信息经由双吊具摆角补偿单元的计算得到吊具摆角补偿控制量u_θ，将u_θ送入比较器2中，再与先前得到的小车位置控制信号u_e进行综合运算，最终得到新的控制量输出u＝u_e-u_θ，将u送入小车伺服驱动器，驱动双吊具桥吊小车运行并达到新的位置；在第三个控制周期，检测信号的传送和控制量的运算过程相同，这种周而复始的周期性控制过程，使得桥吊小车位置控制偏差得到纠正，双吊具摆角的幅度得到消减，摆动得到抑制，从而实现桥吊小车的位置和两个吊具的摆角的同时控制。

7.根据权利要求6的控制方法，其特征在于，所述双吊具摆角补偿单元的控制策略是当小车远离目标位置时，小车位置控制器优先，当小车接近目标位置时，吊具摆角补偿单元控制优先；当吊具1、2摆角的估计值

和

有增大的趋势时，吊具摆角补偿单元计算得到的输出u_θ总是阻止桥吊小车位置控制e_u的运行趋势，以抑制吊具1、2摆角和

的进一步增大；两个摆角

和

的补偿量需要由吊具摆角补偿单元分别进行计算，然后累加输出。

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