CN103466480B - 监测吊钩位置及防止吊钩冲顶的方法、系统及起重机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止起重机吊钩冲顶及监测吊钩位置的控制方法、系统以及起重机，该方法包括：获取可反映卷筒上的绳索缠绕状态的图像；对所获取的图像分别进行解码及二值化处理，以生成数据矩阵；将该数据矩阵与预定数据矩阵进行比较，并根据比较结果执行以下操作中的至少一者：在所述数据矩阵与冲顶预警位置数据矩阵相等时，发出吊钩冲顶预警信号；在所述数据矩阵与起升减速位置数据矩阵相等且起升机构未减速时，控制所述起升机构减速；以及在所述数据矩阵与起升紧急制动位置数据矩阵相等且所述起升机构未停止起升操作时，制动所述起升机构。本发明可通过图像处理的方式判断吊钩的位置，并根据吊钩的位置执行相应的操作，以防止吊钩冲顶。

Description

监测吊钩位置及防止吊钩冲顶的方法、系统及起重机

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种监测起重机吊钩位置及防止起重机吊钩冲顶以及的方法、系统、以及包含该系统的起重机。

背景技术

现有的塔式起重机在预防吊钩冲顶时，一般采用高度限位器。该高度限位器可检测钢丝绳卷筒的旋转角度，该角度可反映吊钩与小车的距离。在该距离小于预设距离时，采取相应的操作，以防止吊钩冲顶。

然而，当高度限位器发生故障，极易发生吊钩冲顶，造成结构损坏、钢丝绳断裂、重物坠落，发生安全事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于图像处理的防止起重机吊钩冲顶以及监测起重机吊钩位置的控制方法、系统、以及包含该系统的起重机，其提供了一种有别于上述高度限位器的另一新型防吊钩冲顶方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种防止起重机吊钩冲顶的控制方法，该起重机包含卷筒、缠绕在卷筒上的绳索、连接在该绳索一端的吊钩、以及驱动该卷筒转动的电机，该方法包括：获取可反映所述卷筒上的绳索缠绕状态的图像；对所获取的图像分别进行解码及二值化处理，以生成数据矩阵；将该数据矩阵与预定数据矩阵进行比较，并根据比较结果执行以下操作中的至少一者：在所述数据矩阵与冲顶预警位置数据矩阵相等时，发出吊钩冲顶预警信号；在所述数据矩阵与起升减速位置数据矩阵相等且所述起升机构未减速时，控制所述起升机构减速；以及在所述数据矩阵与起升紧急制动位置数据矩阵相等且所述起升机构未停止起升操作时，制动所述起升机构。

相应的，本发明还提供一种防止起重机吊钩冲顶的控制系统，该起重机包含卷筒、缠绕在卷筒上的绳索、连接在该绳索一端的吊钩、以及驱动该卷筒转动的电机，该系统包括：图像采集装置，用于获取可反映所述卷筒上的绳索缠绕状态的图像；控制装置，用于对所获取的图像分别进行解码及二值化处理，以生成数据矩阵；将该数据矩阵与预定数据矩阵进行比较，并根据比较结果执行以下操作中的至少一者：在所述数据矩阵与冲顶预警位置数据矩阵相等时，发出吊钩冲顶预警信号；在所述数据矩阵与起升减速位置数据矩阵相等且所述起升机构未减速时，控制所述起升机构减速；以及在所述数据矩阵与起升紧急制动位置数据矩阵相等且所述起升机构未停止起升操作时，制动所述起升机构。

相应的，本发明还提供一种监测起重机吊钩位置的方法，该起重机包含卷筒、缠绕在卷筒上的绳索、连接在该绳索一端的吊钩、以及驱动该卷筒转动的电机，该方法包括：获取可反映所述卷筒上的绳索缠绕状态的图像；对所获取的图像分别进行解码及二值化处理，以生成数据矩阵；以及根据该数据矩阵，确定所述吊钩的位置。

相应的，本发明还提供一种监测起重机吊钩位置的系统，该起重机包含卷筒、缠绕在卷筒上的绳索、连接在该绳索一端的吊钩、以及驱动该卷筒转动的电机，该系统包括：图像采集装置，用于获取可反映所述卷筒上的绳索缠绕状态的图像；控制装置，用于对所获取的图像分别进行解码及二值化处理，以生成数据矩阵；以及根据该数据矩阵，确定所述吊钩的位置。

相应的，本发明还提供一种起重机，该起重机包括上述防止起重机吊钩冲顶的控制系统和/或监测起重机吊钩位置的系统。

通过上述技术方案，可通过图像处理的方式判断吊钩的位置，并根据吊钩的位置执行相应的操作，以防止吊钩冲顶。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的用于确定起重机卷筒的绳索缠绕状态的系统的结构示意图；

图2为图像采集装置与卷筒的布局示意图；

图3为图像采集所采集的图像；

图4为图像处理流程图；

图5为对应于图3所示的图像的数据矩阵；

图6A、图6B以及图6C分别为绳索缠绕状态为正常状态、叠绳状态、及跳绕状态的示意图及相应的数据矩阵；

图7A及图7B分别为双起升机构同步与不同步状态下的绳索缠绕状态示意图；

图8为倾角传感器于吊钩横梁上的布置示意图；

图9A、图9B、图9C以及图9D分别为具有双起升机构的起重机的吊钩处于冲顶预警位置、起升减速位置、起升紧急制动位置以及冲顶位置时的示意图及相应的数据矩阵；以及

图10A、图10B、图10C以及图10D分别为具有单起升机构的起重机的吊钩处于冲顶预警位置、起升减速位置、起升紧急制动位置以及冲顶位置时的示意图及相应的数据矩阵。

附图标记说明

10、10a、10b  图像采集装置  20        倾角传感器

21            吊钩横梁      22        太阳能电池板

23            蓄电池        24        无线传输模块

30            电流检测装置  40        电机

50            制动机构      60a、60b  卷筒

70、70a、70b  绳索          80        底板

100           控制装置      25        起重臂

26            载重小车      27        变幅拉杆

29            吊钩

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1为本发明提供的用于确定卷筒的绳索缠绕状态的系统的结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种用于包含双起升机构的起重机的控制系统，该双起升机构包含第一起升机构及第二起升机构，该第一起升机构及第二起升机构均包含卷筒、缠绕在卷筒上的绳索、以及驱动该卷筒转动的电机，该第一起升机构及第二起升机构用于驱动吊钩横梁起升和下降，该系统包括：图像采集装置10，用于针对所述双起升机构，分别获取可反映该起升机构的卷筒上的绳索缠绕状态的图像；控制装置100，用于执行以下操作：对所获取的图像分别进行解码及二值化处理，以生成两个数据矩阵；比较该两个数据矩阵，以判断所述吊钩横梁是否发生倾斜；以及在所述吊钩横梁倾斜的情况下，调节所述电机的转速，以使得所述吊钩横梁趋于水平。

图2为图像采集装置与卷筒的布局示意图。如图2所示，可针对双起升机构的两个卷筒60a、60b(该两个卷筒上分别缠绕有绳索70a和70b)，分别设置一图像采集装置10a、10b，该图像采集装置可采集卷筒上的绳索的排布情况。该图像采集装置所采集的图像如图3所示，附图标记80代表卷筒底板，附图标记70代表卷绕于该卷筒底板上的绳索。

图4为图像处理流程图。如图4所示，首先，通过图像采集装置获取可反映所述卷筒上的绳索缠绕状态的图像。之后，控制装置对该图像进行解码及二值化处理，以生成数据矩阵(对应于图3所示的图像的数据矩阵如图5所示，数据矩阵中的值对应于所述图像内的像素，所述图像中显示对象(例如，绳索或底板等)的像素对应于数据矩阵中的数据“1”，所述图像中未显示对象的像素(例如，表示空白的像素)对应于数据矩阵中的数据“0”，当然也可以反过来，例如所述图像中显示对象的像素对应于数据矩阵中的数据“0”，所述图像中未显示对象的像素对应于数据矩阵中的数据“1”)。之后，可基于该数据矩阵，确定所述卷筒上的绳索缠绕状态，这将在以下进行详细描述。

优选地，在对所述图像进行二值化处理之前，所述控制装置还可对所述图像进行灰度化及去噪处理，这样可以提高图像二值化的精确度。

图6A、图6B以及图6C分别为绳索缠绕状态为正常状态、叠绳状态、及跳绕状态的示意图及相应的数据矩阵，需要说明的是，图6A、图6B以及图6C以及下面的图7A、图7B中示出的绳索缠绕状态均仅显示了卷筒的上半部分，而未显示下半部分，相应的数据矩阵也仅针对上半部分。实际上，无论是卷筒的上半部分、下半部分还是某一局部的部分(例如，卷筒上某一局部的伸缩缠绕状态)，只要可根据其对应的数据矩阵达到相应的判断目的(例如，判断绳索是否乱绳、吊钩的位置等)即可，而且对于乱绳而言，卷筒各部分的缠绕状态均可能导致乱绳，因此理想状态下应根据卷筒各部分(例如，同时考虑上部分与下部分)的缠绕状态来判断是否发生乱绳。本发明出于简化说明的目的，在此仅以上半部分为例进行说明。如图6A、图6B以及图6C所示，在其所显示的数据矩阵中，数值“0”代表不存在对象(例如，绳索或底板等)，数值“1”代表存在对象。从图中可很明显看出，数据矩阵中的左右3列均代表了卷筒底板上的挡板，在图6A的数据矩阵中，第4行可代表卷筒表面的绳索排列情况，其为规则排列；在图6B的数据矩阵中，第3行和第4行可代表卷筒表面的绳索排列情况，其为叠绳状态，即不规则排列；在图6C的数据矩阵中，第4行可代表卷筒表面的绳索排列情况，其为跳绕状态，即不规则排列。藉此，可基于数据矩阵，确定卷筒上的绳索缠绕状态。

具体而言，基于所述数据矩阵来确定所述卷筒上的绳索缠绕状态可包括：从所述数据矩阵中选取一预定区域的数据作为判断矩阵(请参见图6A、图6B以及图6C所示的数据矩阵的框所限定的矩阵)；根据该判断矩阵的数值分布规律，判断所述卷筒上的绳索缠绕状态。在所述判断矩阵内，数值“0”代表不存在绳索，数值“1”代表存在绳索，在所述判断矩阵中代表所述卷筒上绳索缠绕状态的行中的1不连续的情况下，则判定所述卷筒上的绳索缠绕状态为乱绳状态。当然，在此仅例举了一种根据数据矩阵确定绳索缠绕状态的方式，本发明并不限于此，任何基于数据矩阵确定绳索缠绕状态的方式皆适用于此，例如，可取一判断矩阵，在该判断矩阵中，数值“0”代表不存在对象(例如，绳索、挡板或其他对象)而数值“1”代表存在对象，又或者数值“0”代表存在对象而数值“1”代表不存在对象。

图7A及图7B分别为双起升机构同步与不同步状态下的绳索缠绕状态示意图。如图7A及图7B所示，起升机构同步的情况下，根据图像采集装置所采集的图像得到的数据矩阵应该是相同的，而在起升机构不同步的情况下，根据图像采集装置所采集的图像得到的数据矩阵应该是不相同的。藉此，可判断起升机构是否同步，在起升机构不同步的情况下，吊钩横梁必然是倾斜的。

以上介绍了如何根据图像采集装置所采集的图像判断吊钩横梁是否发生倾斜，如何判断吊钩横梁是否发生倾斜还可通过以下两种方式进行：

(1)倾角传感器

图8为倾角传感器于吊钩横梁上的布置示意图。如图8所示，倾角传感器20、太阳能电池板22、蓄电池23、无线传输模块24均位于吊钩横梁21上，太阳能电池板22及蓄电池23给倾角传感器20及无线传输模块24供电，倾角传感器20可检测吊钩横梁21的倾斜角度，并经由无线传输模块24发送给控制装置。控制装置可根据所接收的倾斜角度判断吊钩横梁是否发生倾斜。

(2)电流检测装置

如图1所示，该电流检测装置30可检测所述双起升机构的电机的电流，并将该电流的电流大小发送给控制装置。该控制装置可在该电流之差的绝对值大于预设值时，判断所述述吊钩横梁发生倾斜。所述电流可代表电机的输出转矩，当一起升机构的电机的电流明显大于另一起升机构的电机的电流时，代表双起升机构的输出转矩不一样，而造成这一事实的原因即为吊钩横梁发生了倾斜，从而导致起升物体施加至双起机构的力矩不一样，从而导致双起升机构的输出转矩不一样。通过该方式，亦可判断吊钩横梁是否发生倾斜。

以上介绍了判断吊钩横梁是否发送倾斜的三种方式，当通过任一种方式检测到吊钩横梁发生倾斜时，均应调节双起升机构的电机转速，使吊钩横梁趋于水平。例如，当吊钩横梁朝一起升机构倾斜时，代表该起升机构起升速度过慢，可提高该起升机构的电机的转速，待吊钩横梁达到水平(可根据倾角传感器输出的倾角来判定)时，再将该起升机构的电机转速调节至与另一起升机构的电机转速相同。

事实上，造成吊钩横梁倾斜的原因有很多，钢丝绳乱绳即为其中之一。如果钢丝绳在卷筒上排列很差(即，乱绳)，会导致钢丝横挤压磨损，在排绳过程中产生巨大的冲击载荷，长时间积累会最终导致结构损坏、钢丝绳断裂，从而引发重大安全事故。为此，优选地，所述控制装置还用于执行以下操作：基于所述数据矩阵，确定所述起升机构的绳索缠绕状态；在所述双起升机构任一者的绳索缠绕状态为乱绳状态时，控制所述双起升机构停止驱动吊钩横梁起升。此时，控制装置可控制双起升机构将吊重降下来，通过人工干预等方式，重新排布绳索，使绳索缠绕状态重归正常状态。藉此，可通过图像采集装置采集图像的方式识别绳索缠绕状态，并在发生乱绳的情况下，及时解决该乱绳问题，避免引发安全事故。

通过以上数据矩阵，还可得知卷筒上绳索的缠绕层数及当前释放的绳索处于卷筒上的位置，从而得出其释放了多长的绳索，进而精确判断出吊钩所处于的位置。为防止吊钩横梁冲顶，优选地，所述控制装置还用于执行以下操作中的至少一者：将所述两个数据矩阵中的一数据矩阵与冲顶预警位置数据矩阵(例如，该冲顶预警位置数据矩阵可为图9A所示的数据矩阵)进行比较，并在两者相等时，发出吊钩冲顶预警信号，从而提醒操作人员减速的警报信号；将所述两个数据矩阵中的一数据矩阵与起升减速位置数据矩阵(例如，该起升减速位置数据矩阵可为图9B所示的数据矩阵)进行比较，并在两者相等且所述双起升机构未减速时，控制所述双起升机构减速；以及将所述两个数据矩阵中的一数据矩阵与起升紧急制动位置数据矩阵(例如，该起升紧急制动位置数据矩阵可为图9C所示的数据矩阵)进行比较，并在两者相等且所述双起升机构未停止起升时，控制制动机构50进行制动，制动所述双起升机构。由于吊钩横梁处于一定高度时，通过图像采集装置采集图像而得到的数据矩阵是一定的，藉此，可通过图像采集状态采集图像的方式判断吊钩横梁的高度，并在该高度等于预定高度时，进行相应的控制操作，以避免吊钩横梁冲顶。图9A、图9B、图9C以及图9D分别为具有双起升机构的起重机的吊钩处于冲顶预警位置、起升减速位置、起升紧急制动位置以及冲顶位置时的示意图及相应的数据矩阵，且需要注意的是，在此为了简化说明，图9A、图9B、图9C以及图9D所示的数据矩阵均为对应于卷筒上半部分绳索缠绕状态的数据矩阵。

本发明的方案通过对多种信息(即，图像信息、倾角信息、电流大小信息)进行融合处理，可解决三方面的问题：(1)防吊钩横梁倾斜；(2)防乱绳；以及(3)防吊钩横梁冲顶。需要说明了的是，此处确定卷筒的绳索缠绕状态、根据缠绕状态确定是否发生乱绳以及根据缠绕状态确定吊钩的位置并不限应用于起重机，亦可应用于旋挖钻机等具有卷扬机构的设备中。除了防吊钩横梁倾斜，防乱绳以及防吊钩横梁冲顶均不限于双起升机构，单起升机构亦适用，例如图10A、图10B、图10C以及图10D分别为具有单起升机构的起重机的吊钩处于冲顶预警位置、起升减速位置、起升紧急制动位置以及冲顶位置时的示意图及相应的数据矩阵，单起升机构可不涉及吊钩横梁，而是直接驱动吊钩升降。

相应的，本发明还提供了一种用于确定卷筒的绳索缠绕状态的方法，该方法包括：获取可反映所述卷筒上的绳索缠绕状态的图像；对该图像进行解码及二值化处理，以生成数据矩阵；以及基于该数据矩阵，确定所述卷筒上的绳索缠绕状态。

相应的，本发明还提供了一种用于包含双起升机构的起重机的控制方法，该起升机构包含卷筒、缠绕在卷筒上的绳索、以及驱动该卷筒转动的电机，该双起升机构用于驱动吊钩横梁起升和下降，该方法包括：针对所述双起升机构，分别获取可反映该起升机构的卷筒上的绳索缠绕状态的图像；对所获取的图像分别进行解码及二值化处理，以生成两个数据矩阵；比较该两个数据矩阵，以判断所述吊钩横梁是否发生倾斜；以及在所述吊钩横梁倾斜的情况下，调节所述电机的转速，以使得所述吊钩横梁趋于水平。

有关上述方法的具体细节及益处与上述控制系统的相同或相对应，于此不再赘述。

相应的，本发明还提供了一种起重机，该起重机包括上述用于包含双起升机构的起重机的控制系统。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种防止起重机吊钩冲顶的控制方法，该起重机包含起升机构，该起升机构包含卷筒、缠绕在卷筒上的绳索、连接在该绳索一端的吊钩、以及驱动该卷筒转动的电机，该方法包括：

获取可反映所述卷筒上的绳索缠绕状态的图像；

对所获取的图像分别进行解码及二值化处理，以生成数据矩阵；

将该数据矩阵与预定数据矩阵进行比较，并根据比较结果执行以下操作中的至少一者：

在所述数据矩阵与冲顶预警位置数据矩阵相等时，发出吊钩冲顶预警信号；

在所述数据矩阵与起升减速位置数据矩阵相等且所述起升机构未减速时，控制所述起升机构减速；以及

在所述数据矩阵与起升紧急制动位置数据矩阵相等且所述起升机构未停止起升操作时，制动所述起升机构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述图像进行二值化处理之前，该方法还包括：对所述图像进行灰度化及去噪处理。

3.一种防止起重机吊钩冲顶的控制系统，该起重机包含卷筒、缠绕在卷筒上的绳索、连接在该绳索一端的吊钩、以及驱动该卷筒转动的电机，该系统包括：

图像采集装置，用于获取可反映所述卷筒上的绳索缠绕状态的图像；

控制装置，用于对所获取的图像分别进行解码及二值化处理，以生成数据矩阵；将该数据矩阵与预定数据矩阵进行比较，并根据比较结果执行以下操作中的至少一者：

在所述数据矩阵与冲顶预警位置数据矩阵相等时，发出吊钩冲顶预警信号；

在所述数据矩阵与起升减速位置数据矩阵相等且所述起升机构未减速时，控制所述起升机构减速；以及

在所述数据矩阵与起升紧急制动位置数据矩阵相等且所述起升机构未停止起升操作时，制动所述起升机构。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制装置还用于在对所述图像进行二值化处理之前，对所述图像进行灰度化及去噪处理。

5.一种监测起重机吊钩位置的方法，该起重机包含卷筒、缠绕在卷筒上的绳索、连接在该绳索一端的吊钩、以及驱动该卷筒转动的电机，该方法包括：

获取可反映所述卷筒上的绳索缠绕状态的图像；

对所获取的图像分别进行解码及二值化处理，以生成数据矩阵；以及

根据该数据矩阵，确定所述吊钩的位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在对所述图像进行二值化处理之前，该方法还包括：对所述图像进行灰度化及去噪处理。

7.一种监测起重机吊钩位置的系统，该起重机包含卷筒、缠绕在卷筒上的绳索、连接在该绳索一端的吊钩、以及驱动该卷筒转动的电机，该系统包括：

图像采集装置，用于获取可反映所述卷筒上的绳索缠绕状态的图像；

控制装置，用于对所获取的图像分别进行解码及二值化处理，以生成数据矩阵；以及根据该数据矩阵，确定所述吊钩的位置。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述控制装置还用于在对所述图像进行二值化处理之前，对所述图像进行灰度化及去噪处理。

9.一种起重机，该起重机包括根据权利要求3、4、7或8所述的系统。