CN107055326A - 多吊具桥吊摆角测量装置及采用该装置进行测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多吊具桥吊摆角测量装置，多吊具桥吊包括设置有第一吊绳的桥吊小车；其特征在于：测量装置包括：摆角计算及控制计算机；扇形平面红外光线发射器：发射扇形的红外光，使光线遇到第一吊绳中的一个或多个留下光斑；摆角检测摄像头：拍下第一吊绳的图像；摆角检测摄像头；吊绳顶点标志物；及视频图像处理器：接收第一吊绳的图像，找到光斑和吊绳顶点标志物的位置；摆角计算及控制计算机、扇形平面红外光线发射器、视频图像处理器设置于第二吊绳上，且第二吊绳随着桥吊小车的移动而移动；摆角计算及控制计算机计算出光斑和吊绳顶点标志物的位置坐标，得出摆角值。其能精确检测吊具桥吊摆角大小，其具有成本低廉，抗干扰能力强的特点。

Description

多吊具桥吊摆角测量装置及采用该装置进行测量的方法

技术领域

本发明涉及一种多吊具桥吊摆角测量装置及采用该装置进行测量的方法。

背景技术

桥式吊车是一种用于重物搬运的机械装置，被广泛应用于码头、海洋工业和工地施工等。目前，集装箱货物在港口码头的货物吞吐量中占据了极大的比重，而由于双吊具桥式吊车的两个吊具可以同时工作，其无疑提高了桥式吊车的工作效率；并且随着时间的推移，港口货物的总量和集装箱货物的数量都在不断的上升，以装卸量大，操作方便等优势著称的桥式吊车在集装箱货物的装卸应用中也将变得更加广泛。但是由于桥式吊车搬运的货物比较重，操作过程中不可避免地出现桥吊在运动过程中发生摇晃的现象，若吊具摆角过大，将是一件十分危险的事情。且多吊具的同时工作存在两物相碰撞的可能性，若发生相撞后果不堪设想。因此，为了提高集装箱的船舶装卸速度，能否对双吊具的摆角进行精确的控制以使其能准确的对位卡车成为制约双吊具桥吊推广使用的关键。

目前桥式吊车的摆角检测多采用物理检测装置，比如光电码盘、电压传感器等，这些装置往往存在结构复杂、用久之后摩擦增大、维护不方便、检测有死区等不同缺点，而且这些装置都只针对单一吊具进行摆角检测，无法同时检测多个吊具的摆角。更有甚者，现场集装箱起重机操作人员直接根据目测和负载的运动来测定摆角的大小，这样不仅得不到准确的测量结果，且给工作带来很大的隐患，极大地影响了工作的效率与质量。此外，大部分单起升系统的桥吊，以手工操作主，要么没有使用摆角测量装置，要么没有将吊具及负载的摆动情况直观地显示给集装箱操作员，要么只是安装了一些机械防摇装置和电子防摇装置，但都无法从根本上实现桥吊操作的自动控制。在新近的报道中，有部分机构开展了针对单吊具桥吊负载防摇和负载定位控制的研究和应用，在这些桥吊控制系统中普遍采用了比较复杂的物理结构检测装置，如激光角度仪、角度传感器等实现负载摆角的检测，这些检测装置不仅价格昂贵，其同样存在结构比较复杂，抗干扰能力差，维护不方便，或者存在死区不能检测到微小的角度变化等缺陷，极大地限制了角度检测装置的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多吊具桥吊摆角测量装置，其能精确检测吊具桥吊摆角大小，其具有成本低廉，抗干扰能力强的特点。

本发明提供了一种多吊具桥吊摆角测量装置，所述多吊具桥吊包括桥吊大车和桥吊小车；所述桥吊小车上设置有用于提升集装箱的第一吊绳：所述测量装置包括：

设置于桥吊小车上的摆角计算及控制计算机；

与地平线呈小于90度夹角的扇形平面红外光线发射器：用于发射扇形的红外光，使光线遇到第一吊绳中的一个或多个留下光斑，辅助摆角的检测；

摆角检测摄像头：用于接收摆角计算及控制计算机的命令时，拍下第一吊绳的图像；所述摆角检测摄像头相对地平线水平设置；

设置于第一吊绳上端的吊绳顶点标志物：用于确定第一吊绳上一个点的位置，即确定第一吊绳的顶点位置，以计算摆角值；及

视频图像处理器：用于接收摆角检测摄像头拍下的第一吊绳的图像，并对图像进行处理和检索，找到光斑和吊绳顶点标志物的位置；

所述摆角计算及控制计算机、扇形平面红外光线发射器、视频图像处理器自上到下依次设置于第二吊绳上，且第二吊绳随着桥吊小车在桥吊大车上的移动而移动；所述第二吊绳与第一吊绳平行设置；

所述摆角计算及控制计算机根据视频图像处理器传来的位置信息，采用光学成像关系转换，计算出在世界坐标系下的光斑和吊绳顶点标志物的位置坐标，结合数学公式计算出摆角值的大小。

作为本发明进一步的改进：所述摆角计算及控制计算机通过串口通讯的方式向摆角检测摄像头发送命令。

作为本发明进一步的改进：所述吊绳顶点标志物为球、图案、或涂敷在第一吊绳上端的油漆。

作为本发明进一步的改进：所述多吊具桥吊包括桥吊驾驶室，所述桥吊驾驶室内设置有显示频，所述摆角值显示在显示屏上。

作为本发明进一步的改进：所述数学公式为正切公式、正玄公式和余玄公式。

本发明还提供一种可行性强、准确率高的多吊具桥吊摆角测量装置进行测量的方法，所述多吊具桥吊为双吊具桥吊，所述双吊具桥吊包括桥吊大车和桥吊小车；所述桥吊小车上设置有用于提升集装箱的第一吊绳，其特征在于：所述测量装置包括：

设置于桥吊小车上的摆角计算及控制计算机；

与地平线呈小于90度夹角的扇形平面红外光线发射器：用于发射扇形的红外光，使光线遇到第一吊绳中的一个或两个留下光斑，辅助摆角的检测；

摆角检测摄像头：用于接收摆角计算及控制计算机的命令时，拍下第一吊绳的图像；所述摆角检测摄像头相对地平线水平设置；

设置于第一吊绳上端的吊绳顶点标志物：用于确定第一吊绳上一个点的位置，即确定第一吊绳的顶点位置，以计算摆角值；及

视频图像处理器：用于接收摆角检测摄像头拍下的第一吊绳的图像，并对图像进行处理和检索，找到光斑和吊绳顶点标志物的位置；

所述摆角计算及控制计算机、扇形平面红外光线发射器、视频图像处理器自上到下依次设置于第二吊绳上，且第二吊绳随着桥吊小车在桥吊大车上的移动而移动；所述第二吊绳与第一吊绳平行设置；

所述摆角计算及控制计算机根据视频图像处理器传来的位置信息，采用光学成像关系转换，计算出在世界坐标系下的光斑和吊绳顶点标志物的位置坐标，结合数学公式计算出摆角值的大小；

所述测量的方法包括如下步骤：

1)、桥吊小车接受运行命令后开始运行，此时第一吊绳随之会产生摆动，摆角计算及控制计算机此时需要摆角信息，通过串口通讯方式给摆角检测摄像头发出命令，摆角检测摄像头开始工作对第一吊绳中的每个吊绳检测摄像，把拍摄下来的每一帧图片通过串口通讯传送给视频图像处理器上进行图像识别处理；

2)、根据桥吊小车在不同方向的摆动，分别建立相应的坐标进行测量：

建立x-y坐标，若桥吊小车沿x方向运动，桥吊小车会在x-y面摆动，设检索到单一吊绳顶点标志物的坐标为(x₁,y₁)，光斑的坐标为(x₂,y₂)，则x-y面摆角δ可由如下式(1)算得：

若δ为正时，表示朝左侧摆动；若δ为负时，表示朝右侧摆动；

建立y-z坐标，若桥吊沿z方向运动，桥吊会在y-z面摆动；扇形平面红外光线发射器与地平线成θ角(θ小于90度)；点D为第一吊绳的最顶点，由检测到的吊绳顶点标志物可以确定；线段DE在第一吊绳所在直线上，点G在线段DE上表示光斑所在位置，DG的长短用A表示；光斑线段DF与地平线垂直，长度用B表示；线段EF表示摄像头镜头的光心水平高度所在直线，GF的长度用 C来表示；GH垂直于EF，表示光斑相对摄像头的高度，长度用Q来表示；虚线GP表示光斑所在高度的水平线；∠GDF的大小用γ表示，为所求的摆角，∠DFG和∠DGF的大小分别用α和β表示；

由于第一吊绳的顶部与摆角检测摄像头的水平高度固定不变且可知，故DF 的长度B已知；因为∠α和∠θ为互余的关系，∠θ为扇形平面红外光线发射器轴线对地平线夹角为已知；直线GF的方向固定；光斑相对于吊绳顶点标志物的高度，即Q可知，光斑G的位置必定在相对于摄像头光心高出Q的水平线上；那么直线GF与直线GP的交点就是光斑G的唯一位置，即ΔDGF是唯一并可以确定的，则γ可知；

α，θ，B为已知量；当y₂已知后，Q可知，那么y-z面摆角可由联立方程(2)求得：

由摆角计算及控制计算机解方程组即可求出γ的值；

若y₂低于摆角检测摄像头位置高度，表示朝摆角检测摄像头的反方向摆动；若y₂高于摆角检测摄像头位置高度，表示朝摆角检测摄像头方向摆动；

当桥吊小车向任意方向摆动时，通过上述方法求取其在x-y面和y-z面的投影角δ”和γ，即可由摆角计算及控制计算机复原三维角度；

3)、对第一吊绳中的另一吊绳上做同样的工作，同样得到一组摆角值；当两个第一吊绳工作在互锁模式时，得到的两组摆脚值理论上应该相同；如果不同，那么将互相作为对照进行摆脚的修订，此工作在计算机中进行；当两个第一吊绳工作在独立模式下时，两个第一吊绳的摆脚互不影响，分别得到两组角度；

4)、摆角计算完后，通过串口通讯将摆角信息显示在桥吊驾驶室的显示屏上，给操作人员提供参考信息；或者通过串口通讯传输到摆角计算及计算机的桥吊控制器上，作为摆角反馈给控制器提供必要的控制参数。

作为本发明进一步的改进：所述吊绳顶点标志物和光斑的搜索通过建立兴趣区的方法实现，具体操作步骤如下：

首先接收到摆角计算及控制计算机的命令后摆角检测摄像头开始拍摄图片，然后由摆角检测摄像头及图像处理器在兴趣区内检索吊绳顶点标志物和光斑的坐标位置，再分别利用公式(1)和公式(2)计算出x-y面摆角和y-z面摆角的值，最后将所得的角度信息显示在桥吊驾驶室的屏幕上或者传送到摆角计算及控制计算机的控制器上提供必要的参数，并更新兴趣区等待下一次图片的到来。

与现有技术相比，本发明提供的一种双吊具桥吊摆角测量装置及采用该装置进行测量的方法具有以下专利法意义的有益效果：

1、本发明借助辅助光，应用图像识别技术，使用相机与一个对地成固定角度的扇形平面红外线发射器，通过相机捕抓双吊具吊绳的图片，并通过图像识别检索到红外线射在每个吊具吊绳的光斑及其顶点标志物的位置信息，经过换算得到吊具的摆角信息。此摆角信息可以通过传输显示在操作员的显示屏上，给操作员提供参考；也可以反馈给吊具摆角的控制器上，为控制器提供必要的参数信息。

2、本方法采用非接触式测量的方式，所以不会因为使用时间长了之后产生过大摩擦而影响测量准确性；检测设备仅由摆角检测摄像头和扇形平面红外光线发射器构成，结构简单，成本低廉，维护方便；而只要安装距离调试得当，镜头广角范围足够大，即可以使摆角的测量没有死区，准确性提高。

3、红外线具有一定的穿透能力，可以穿透云雾，故在大雾等能力度较低的天气条件下也不影响检测，抗干扰能力良好；在夜间这样确实光照的条件，辅助光还可以充当光源，为摆角检测摄像头提供足够的光照条件，解决了其它一些视觉的摆角检测装置在夜间无法工作的难题。

4、本发明涉及的桥吊吊具检测装置借助辅助光，应用视觉图像识别技术，解决了双吊具桥式吊车的摆角的检测、摆角信息处理及显示问题。

5、本发明借助辅助光，应用视觉图像识别的方法对吊具的摆角进行检测及显示，结构和原理都很简单，只需要一个摄像头和一个扇形平面红外光线发射器即可。部分波长的红外线对人体无害，并具有一定的穿透性，可以穿透云雾，在能见度较低的天气条件下也不影响使用；作为单色光，摆角检测摄像头可以识别到，而且建设方便。

6、整个装置成本相对也比较低廉，检测结果精准且稳定，对工作环境要求不高，同时抗干扰能力良好，成功地克服了上述提到的物理结构检测装置存在的不足，同时也解决了一些视觉摆角检测装置的缺陷。更重要的是，现有的摆角测量装置都是针对单吊具桥吊设计的，不适合解决双吊具桥吊摆角的检测，而本发明不仅适用于双吊具桥吊，甚至可以推广到多吊具桥吊的摆角检测上来。

7、目前已有的文献来看，对于双吊具桥式吊车的摆角测量装置的研究较少。相比传统的单吊具桥式吊车，本发明涉及的摆角测量装置结构和原理都十分简单，使用和维护方便，成本低廉，不会有摩擦影响测量测量结果，具有良好的抗干扰能力，不仅可以为集装箱操作员提供操作的摆角参考，而且可提供单吊具和双吊具乃至多吊具桥式吊车自动控制系统的摆角信息。

附图说明

图1是：实施例1的双吊具桥吊及其摆角检测装置的结构与组成。

图2是：实施例1的双吊具桥吊摆角检测装置结构俯视图。

图3是：实施例1的摆角检测摄像头下吊绳在x-y面的成像图。

图4是：实施例1的借助扇形平面红外光线在每个吊绳上产生光斑的位置信息，换算y-z面的摆角的几何关系图。

图5是：实施例1的兴趣区的选择方式图。

图6是：实施例1的摆角测量流程图。

图7是：实施例1的信息处理流程图。

图中：1、大车支架移动结构；2、大车轨道车轮；3、第一集装箱；4、第二集装箱；5、扇形平面红外光线发射器；6、吊绳顶点标志物；7、摆角检测摄像头；8、视频图像处理器；9、桥吊驾驶室；10、吊具起升电机；11、摆角计算及控制计算机；12、大车轨道；13、小车轨道；14、小车轨道车轮；15、第一双吊具；16、第二双吊具；17、第一大车移动结构；18、第二大车移动结构； 19、桥吊小车；20、桥吊大车；21、小车移动结构；22、扇形光线(虚线)与每个吊绳的交点(黑色圆点)，即光斑；23、图像上的光斑像；24、吊绳；25、图像上的吊绳像。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明提供的一种多双吊具桥吊摆角测量装置及采用该装置进行测量的方法做进一步更详细的说明：

双吊具桥吊有两个吊具(或者说两条第一吊绳)，每条第一吊绳用于提升一个集装箱。扇形平面红外光线发射器、视频图像处理器等装置安装在两吊具的侧面具有一定距离的地方(参考图2)，并随桥吊小车一起运动。

在每个第一吊绳顶部都设置一个顶点标志物，不同吊绳的顶点标志物可以用不同的图案加以区别，红外光遇到每个第一吊绳都在第一吊绳上留下相应的一个光斑。

摄像头在两吊具的侧面，如果两个吊具的摆角相同时，第一吊绳中的其中一个会被第一吊绳中的另一个遮挡，所以会只拍摄到只有一条第一吊绳的像；如果两个第一吊绳的摆角不一样，摆角检测摄像头拍下的像中两个第一吊绳都应拍摄到。因为各第一吊绳是独立的，所以附图3中以一条吊绳为例，只画出一条第一吊绳做说明。

第一吊绳顶点标志物是用于确定该吊绳顶点的位置，配合该第一吊绳上光斑的位置，辅助计算摆角，由每条第一吊绳上光斑和顶点标志物的位置信息，计算出摆角的值。

实施例1

本实施例的多吊具桥吊摆角测量装置，多吊具桥吊包括桥吊大车和桥吊小车；桥吊小车上设置有用于提升集装箱的第一吊绳：测量装置包括：

设置于桥吊小车上的摆角计算及控制计算机；

与地平线呈小于90度夹角的扇形平面红外光线发射器：用于发射扇形的红外光，使光线遇到第一吊绳中的一个或多个留下光斑，辅助摆角的检测；

摆角检测摄像头：用于接收摆角计算及控制计算机的命令时，拍下第一吊绳的图像；所述摆角检测摄像头相对地平线水平设置；

设置于第一吊绳上端的吊绳顶点标志物：用于确定第一吊绳上一个点的位置，即确定第一吊绳的顶点位置，以计算摆角值；及

视频图像处理器：用于接收摆角检测摄像头拍下的第一吊绳的图像，并对图像进行处理和检索，找到光斑和吊绳顶点标志物的位置；

摆角计算及控制计算机、扇形平面红外光线发射器、视频图像处理器自上到下依次设置于第二吊绳上，且第二吊绳随着桥吊小车在桥吊大车上的移动而移动；所述第二吊绳与第一吊绳平行设置；

摆角计算及控制计算机根据视频图像处理器传来的位置信息，采用光学成像关系转换，计算出在世界坐标系下的光斑和吊绳顶点标志物的位置坐标，结合数学公式计算出摆角值的大小。

摆角计算及控制计算机通过串口通讯的方式向摆角检测摄像头发送命令。

作为本发明进一步的改进：所述吊绳顶点标志物为球、图案、或涂敷在第一吊绳上端的油漆。

多吊具桥吊包括桥吊驾驶室，所述桥吊驾驶室内设置有显示频，所述摆角值显示在显示屏上。

数学公式为正切公式、正玄公式和余玄公式。

本实施例的可行性强、准确率高的多吊具桥吊摆角测量装置进行测量的方法，多吊具桥吊为双吊具桥吊，所述双吊具桥吊包括桥吊大车和桥吊小车；桥吊小车上设置有用于提升集装箱的第一吊绳：测量装置包括：

设置于桥吊小车上的摆角计算及控制计算机；

与地平线呈小于90度夹角的扇形平面红外光线发射器：用于发射扇形的红外光，使光线遇到第一吊绳中的一个或两个留下光斑，辅助摆角的检测；

摆角检测摄像头：用于接收摆角计算及控制计算机的命令时，拍下第一吊绳的图像；所述摆角检测摄像头相对地平线水平设置；

设置于第一吊绳上端的吊绳顶点标志物：用于确定第一吊绳上一个点的位置，即确定第一吊绳的顶点位置，以计算摆角值；及

视频图像处理器：用于接收摆角检测摄像头拍下的第一吊绳的图像，并对图像进行处理和检索，找到光斑和吊绳顶点标志物的位置；

摆角计算及控制计算机、扇形平面红外光线发射器、视频图像处理器自上到下依次设置于第二吊绳上，且第二吊绳随着桥吊小车在桥吊大车上的移动而移动；第二吊绳与第一吊绳平行设置；

摆角计算及控制计算机根据视频图像处理器传来的位置信息，采用光学成像关系转换，计算出在世界坐标系下的光斑和吊绳顶点标志物的位置坐标，结合数学公式计算出摆角值的大小；

测量的方法包括如下步骤：

1)、桥吊小车接受运行命令后开始运行，此时第一吊绳随之会产生摆动，摆角计算及控制计算机此时需要摆角信息，通过串口通讯方式给摆角检测摄像头发出命令，摆角检测摄像头开始工作对第一吊绳中的每个吊绳检测摄像，把拍摄下来的每一帧图片通过串口通讯传送给视频图像处理器上进行图像识别处理；

2)、根据桥吊小车在不同方向的摆动，分别建立相应的坐标进行测量：

建立x-y坐标，若桥吊小车沿x方向运动，桥吊小车会在x-y面摆动，设检索到单一吊绳顶点标志物的坐标为(x₁,y₁)，光斑的坐标为(x₂,y₂)，则x-y面摆角δ可由如下式(1)算得：

若δ为正时，表示朝左侧摆动；若δ为负时，表示朝右侧摆动；

建立y-z坐标，若桥吊沿z方向运动，桥吊会在y-z面摆动；扇形平面红外光线发射器与地平线成θ角(θ小于90度)；点D为第一吊绳的最顶点，由检测到的吊绳顶点标志物可以确定；线段DE在第一吊绳所在直线上，点G在线段DE上表示光斑所在位置，DG的长短用A表示；光斑线段DF与地平线垂直，长度用B表示；线段EF表示摄像头镜头的光心水平高度所在直线，GF的长度用 C来表示；GH垂直于EF，表示光斑相对摄像头的高度，长度用Q来表示；虚线GP表示光斑所在高度的水平线；∠GDF的大小用γ表示，为所求的摆角，∠DFG和∠DGF的大小分别用α和β表示；

由于第一吊绳的顶部与摆角检测摄像头的水平高度固定不变且可知，故DF 的长度B已知；因为∠α和∠θ为互余的关系，∠θ为扇形平面红外光线发射器轴线对地平线夹角为已知；直线GF的方向固定；光斑相对于吊绳顶点标志物的高度，即Q可知，光斑G的位置必定在相对于摄像头光心高出Q的水平线上；那么直线GF与直线GP的交点就是光斑G的唯一位置，即ΔDGF是唯一并可以确定的，则γ可知；

α，θ，B为已知量；当y₂已知后，Q可知，那么y-z面摆角可由联立方程(2)求得：

由摆角计算及控制计算机解方程组即可求出γ的值；

若y₂低于摆角检测摄像头位置高度，表示朝摆角检测摄像头的反方向摆动；若y₂高于摆角检测摄像头位置高度，表示朝摆角检测摄像头方向摆动；

当桥吊小车向任意方向摆动时，通过上述方法求取其在x-y面和y-z面的投影角δ”和γ，即可由摆角计算及控制计算机复原三维角度；

3)、对第一吊绳中的另一吊绳上做同样的工作，同样得到一组摆角值；当两个第一吊绳工作在互锁模式时，得到的两组摆脚值理论上应该相同；如果不同，那么将互相作为对照进行摆脚的修订，此工作在计算机中进行；当两个第一吊绳工作在独立模式下时，两个第一吊绳的摆脚互不影响，分别得到两组角度；

4)、摆角计算完后，通过串口通讯将摆角信息显示在桥吊驾驶室的显示屏上，给操作人员提供参考信息；或者通过串口通讯传输到摆角计算及计算机的桥吊控制器上，作为摆角反馈给控制器提供必要的控制参数。

吊绳顶点标志物和光斑的搜索通过建立兴趣区的方法实现，具体操作步骤如下：

首先接收到摆角计算及控制计算机的命令后摆角检测摄像头开始拍摄图片，然后由摆角检测摄像头及图像处理器在兴趣区内检索吊绳顶点标志物和光斑的坐标位置，再分别利用公式(1)和公式(2)计算出x-y面摆角和y-z面摆角的值，最后将所得的角度信息显示在桥吊驾驶室的屏幕上或者传送到摆角计算及控制计算机的控制器上提供必要的参数，并更新兴趣区等待下一次图片的到来。

具体结合图1-图4做如下说明：

在图1双吊具桥吊及其摆角检测装置的结构与组成结构示意图，由扇形平面红外光线发射器5、摆角检测摄像头7、视频图像处理器8和摆角计算及控制计算机11组成的测试装置随着桥吊小车的运动而运动。图2为双吊具桥吊摆角测量装置结构侧视图。图3为摆角检测摄像头下吊绳在x-y面的成像图。

扇形平面红外光线发射器25与地平线成θ角(θ小于90度)发射出扇形平面红外光线，照在每个第一吊绳上会留下光斑22。因为摆角检测摄像头7水平放置，所以像平面与水平线是垂直的。又因为世界坐标的x-y面与像平面平行，那么，很容易可以理解摆角检测摄像头7拍下来的图像，即是第一吊绳三维摆角在x-y面的投影像。因此，只要检测到吊绳顶点标志物6和光斑23的位置，根据位置信息就可以计算得到x-y面的摆角值，并且根据光学成像的关系，也可以转换计算出在世界坐标中的位置。

图4为借助扇形平面红外光线在每个第一吊绳上产生光斑的位置信息，换算y-z面的摆角γ的几何关系图。点D为第一吊绳的最顶点，由检测到的吊绳顶点标志物6可以确定；线段DE在第一吊绳所在直线上，点G在线段DE上表示光斑所在位置，DG的长短用A表示；光斑线段DF与地平线垂直，长度用B 表示；线段EF表示摄像头镜头的光心水平高度所在直线，GF的长度用C来表示； GH垂直于EF，表示光斑相对摄像头的高度，长度用Q来表示；虚线GP表示光斑所在高度的水平线。∠GDF的大小用γ表示，为所求的摆角，∠DFG和∠ DGF的大小分别用α和β表示。

由于第一吊绳的顶部与摆角检测摄像头的水平高度固定不变且可知，故DF 的长度B已知。因为∠α和∠θ为互余的关系，为扇形平面红外光线发射器轴线对地平线夹角可知，故已知，直线GF的方向固定。从图2中可以知道光斑相对于第一吊绳顶点的高度，即Q可知，即光斑G的位置必定在相对于摄像头光心高出Q的水平线上。那么直线GF与直线GP的交点就是光斑G的唯一位置，即ΔDGF是唯一并可以确定的，则γ可知。

图5为兴趣区的选择方式演示图。最外端的大正方形表示拍摄的图片，黑色的小方块表示光斑，里面的几个小正方形表示兴趣区。因为摆角检测摄像头拍摄的图片像素较多，而光斑较小只存在于几个像素中，所以如果在整张图片中遍历的搜索光斑的位置，会严重摆角检测的速度。为了减少检测所需时间，提高检测速度，首先在兴趣区中对光斑进行搜索。原理如下：设在本桢图像中搜索到光斑的位置为点(a₁,a₂)，那么下一帧图像传来时则在以点(a₁,a₂)为中心，边长r的正方形区域(即兴趣区1)中首先搜索光斑，若设搜索到光斑位置为(b₁,b₂)，以此类推，则再下一帧图像传来后在以点(b₁,b₂)为中心，边长为 r的正方形区域(即兴趣区2)中搜寻光斑，从而得到光斑(c₁,c₂)。若在兴趣区中无法搜索到光斑，则把r扩大一倍生成新的兴趣区进行搜索。对吊绳顶点标志物的兴趣区选择方式同理。

图6为摆脚测量装置的流程图。首先接收到摆角计算及控制计算机11的命令后摆角检测摄像头7开始拍摄图片，然后由摆角图像处理器8在兴趣区内检索吊绳顶点标志物27和光斑30的坐标位置，再分别利用公式(1)和公式 (2)计算出x-y面摆角和y-z面摆角的值，最后将所得的角度信息显示在桥吊驾驶室9的屏幕上或者传送到摆角计算及控制计算机11的控制器上提供必要的参数，并更新兴趣区等待下一次图片的到来。

图7为信息处理流程图，此图解释了信号的流向问题。摆角检测摄像头7 把图像信息通过串口传给视频图像处理器8对图像进行处理，并把处理结果通过串口传输给摆角计算及控制计算机11，在由摆角计算及控制计算机11执行事先根据公式(1)和(2)编程好的算法计算出摆角值δ和γ，可以把摆角值显示在桥吊驾驶室9的显示屏上，或者反馈到摆角计算及控制计算机11的控制器上。

3.主要部件的具体功能如下：摆角检测摄像头7：接收到摆角计算及控制计算机11的命令时，拍摄下吊绳的图像，发送给摆角图像处理器8；摆角图像处理器8：得到摆角检测摄像头7拍下的图像后，对图像进行处理及检索，找到光斑30和吊绳顶点标志物27的位置坐标，并将位置信息传给摆角计算及控制计算机11；摆角计算及控制计算机11：根据摆角图像处理器8传来的位置信息，根据一些光学成像的关系转换，计算出在世界坐标系下的位置坐标，并结合公式(1)和(2)，计算出摆角值δ和γ。然后可以将摆角值显示在桥吊驾驶室9的显示屏上，帮助操作人控制桥吊，或者传送给自身的控制器，为控制器提供必要的摆角参数。

扇形平面红外光线发射器5：发射扇形的红外光，若光线遇到吊绳，便会留下光斑30，辅助摆角的检测；在夜间缺少光照的条件下，也有充当光源的作用；吊绳顶点标志物27：标志物可以为球、特殊图案或在绳上漆上特殊颜色的漆等，方便摆角图像处理器检索，以确定吊绳顶点位置，而计算摆角值δ和γ。

具体工作过程如下：

(1)如图2所示，桥吊小车19接受运行命令后开始运行，此时第一吊绳 21和22随之会产生摆动。摆角计算及控制计算机26此时需要摆角信息，通过串口通讯方式给摆角检测摄像头24发出命令，摆角检测摄像24开始工作，把拍摄下来的每一帧图片传送通过串口通讯摆角图像处理器23上进行图像识别处理。

(2)如图1所示，若桥吊小车19沿x方向运动(即在大车轨道15上运动)，第一吊绳会在x-y面摆动。则根据图3所示，x-y面摆角可以从图像上直接得出。设检索到吊绳顶点标志物6的坐标为(x₁,y₁)，光斑的坐标为(x₂,y₂)，则x-y 面摆角δ可由如下式(1)算得：

(1)若δ为正时，表示朝左侧摆动；若δ为负时，表示朝右侧摆动。

(3)如图1所示，若桥吊小车沿z方向运动(即在小车轨道13上运动)，

第一吊绳会在y-z面摆动。根据上文中对图3的说明，α，θ，B为已知

量；当y₂已知后，Q可知，那么y-z面摆角可由联立方程(2)求得：

由摆角计算及控制计算机11解方程组即可求出γ的值。若y₂低于摆角检测摄像头位置高度，表示朝摆角检测摄像头7的反方向摆动；若y₂高于摆角检测摄像头位置高度，表示朝摆角检测摄像头7方向摆动。

(4)当第一吊绳向任意方向摆动时，通过上述方法求取其在x-y面和y-z 面的投影角δ”和γ，即可由摆角计算及控制计算机11复原三维角度。

(5)对第一吊绳中的另外一个上做同样的工作，同样得到一组摆角值。当第一吊绳中的两个工作在互锁模式时，得到的两组摆脚值理论上应该相同；如果不同，那么将互相作为对照进行摆脚的修订，此工作在计算机中进行。当两个第一吊绳工作在独立模式下时，两个第一吊绳的摆脚互不影响，分别得到两组角度。(6)摆角计算完后，通过串口通讯将摆角信息显示在桥吊驾驶室9的显示屏上，给操作人员提供参考信息；或者通过串口通讯传输到摆角计算及计算机11的桥吊控制器上，作为摆角反馈给控制器提供必要的控制参数；最后更新兴趣区。

Claims (7)

1.多吊具桥吊摆角测量装置，所述多吊具桥吊包括桥吊大车和桥吊小车；所述桥吊小车上设置有用于提升集装箱的第一吊绳，其特征在于：所述测量装置包括：

设置于桥吊小车上的摆角计算及控制计算机；

与地平线呈小于90度夹角的扇形平面红外光线发射器：用于发射扇形的红外光，使光线遇到第一吊绳中的一个或多个留下光斑，辅助摆角的检测；

摆角检测摄像头：用于接收摆角计算及控制计算机的命令时，拍下第一吊绳的图像；所述摆角检测摄像头相对地平线水平设置；

设置于第一吊绳上端的吊绳顶点标志物：用于确定第一吊绳上一个点的位置，即确定第一吊绳的顶点位置，以计算摆角值；及

视频图像处理器：用于接收摆角检测摄像头拍下的第一吊绳的图像，并对图像进行处理和检索，找到光斑和吊绳顶点标志物的位置；

所述摆角计算及控制计算机、扇形平面红外光线发射器、视频图像处理器自上到下依次设置于第二吊绳上，且第二吊绳随着桥吊小车在桥吊大车上的移动而移动；所述第二吊绳与第一吊绳平行设置；

所述摆角计算及控制计算机根据视频图像处理器传来的位置信息，采用光学成像关系转换，计算出在世界坐标系下的光斑和吊绳顶点标志物的位置坐标，结合数学公式计算出摆角值的大小。

2.根据权利要求1所述的多吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于：所述摆角计算及控制计算机通过串口通讯的方式向摆角检测摄像头发送命令。

3.根据权利要求1所述的多吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于：所述吊绳顶点标志物为球、图案、或涂敷在第一吊绳上端的油漆。

4.根据权利要求1所述的多吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于：所述多吊具桥吊包括桥吊驾驶室，所述桥吊驾驶室内设置有显示频，所述摆角值显示在显示屏上。

5.根据权利要求1所述的多吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于：所述数学公式为正切公式、正玄公式和余玄公式。

6.采用权利要求1-4之任一所述的多吊具桥吊摆角测量装置进行测量的方法，所述多吊具桥吊为双吊具桥吊，所述双吊具桥吊包括桥吊大车和桥吊小车；所述桥吊小车上设置有用于提升集装箱的第一吊绳，其特征在于：所述测量装置包括：

设置于桥吊小车上的摆角计算及控制计算机；

与地平线呈小于90度夹角的扇形平面红外光线发射器：用于发射扇形的红外光，使光线遇到第一吊绳中的一个或两个留下光斑，辅助摆角的检测；

摆角检测摄像头：用于接收摆角计算及控制计算机的命令时，拍下第一吊绳的图像；所述摆角检测摄像头相对地平线水平设置；

设置于第一吊绳上端的吊绳顶点标志物：用于确定第一吊绳上一个点的位置，即确定第一吊绳的顶点位置，以计算摆角值；及

视频图像处理器：用于接收摆角检测摄像头拍下的第一吊绳的图像，并对图像进行处理和检索，找到光斑和吊绳顶点标志物的位置；

所述摆角计算及控制计算机、扇形平面红外光线发射器、视频图像处理器自上到下依次设置于第二吊绳上，且第二吊绳随着桥吊小车在桥吊大车上的移动而移动；所述第二吊绳与第一吊绳平行设置；

所述摆角计算及控制计算机根据视频图像处理器传来的位置信息，采用光学成像关系转换，计算出在世界坐标系下的光斑和吊绳顶点标志物的位置坐标，结合数学公式计算出摆角值的大小；

所述测量的方法包括如下步骤：

1)、桥吊小车接受运行命令后开始运行，此时第一吊绳随之会产生摆动，摆角计算及控制计算机此时需要摆角信息，通过串口通讯方式给摆角检测摄像头发出命令，摆角检测摄像头开始工作对第一吊绳中的每个吊绳检测摄像，把拍摄下来的每一帧图片通过串口通讯传送给视频图像处理器上进行图像识别处理；

2)、根据桥吊小车在不同方向的摆动，分别建立相应的坐标进行测量：

建立x-y坐标，若桥吊小车沿x方向运动，桥吊小车会在x-y面摆动，设检索到单一吊绳顶点标志物的坐标为(x₁,y₁)，光斑的坐标为(x₂,y₂)，则x-y面摆角δ可由如下式(1)算得：

<mrow> <mi>tan</mi> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

若δ为正时，表示朝左侧摆动；若δ为负时，表示朝右侧摆动；

建立y-z坐标，若桥吊沿z方向运动，桥吊会在y-z面摆动；扇形平面红外光线发射器与地平线成θ角(θ小于90度)；点D为第一吊绳的最顶点，由检测到的吊绳顶点标志物可以确定；线段DE在第一吊绳所在直线上，点G在线段DE上表示光斑所在位置，DG的长短用A表示；光斑线段DF与地平线垂直，长度用B表示；线段EF表示摄像头镜头的光心水平高度所在直线，GF的长度用C来表示；GH垂直于EF，表示光斑相对摄像头的高度，长度用Q来表示；虚线GP表示光斑所在高度的水平线；∠GDF的大小用γ表示，为所求的摆角，∠DFG和∠DGF的大小分别用α和β表示；

由于第一吊绳的顶部与摆角检测摄像头的水平高度固定不变且可知，故DF的长度B已知；因为∠α和∠θ为互余的关系，∠θ为扇形平面红外光线发射器轴线对地平线夹角为已知；直线GF的方向固定；光斑相对于吊绳顶点标志物的高度，即Q可知，光斑G的位置必定在相对于摄像头光心高出Q的水平线上；那么直线GF与直线GP的交点就是光斑G的唯一位置，即ΔDGF是唯一并可以确定的，则γ可知；

α，θ，B为已知量；当y₂已知后，Q可知，那么y-z面摆角可由联立方程(2)求得：

<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msup> <mi>sin&amp;delta;</mi> <mo>,</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>Q</mi> <mi>C</mi> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>C</mi> <mi>O</mi> <mi>S</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>C</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>B</mi> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>C</mi> <mi>O</mi> <mi>S</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>C</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>A</mi> <mi>B</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

由摆角计算及控制计算机解方程组即可求出γ的值；

若y₂低于摆角检测摄像头位置高度，表示朝摆角检测摄像头的反方向摆动；若y₂高于摆角检测摄像头位置高度，表示朝摆角检测摄像头方向摆动；

当桥吊小车向任意方向摆动时，通过上述方法求取其在x-y面和y-z面的投影角δ”和γ，即可由摆角计算及控制计算机复原三维角度；

3)、对第一吊绳中的另一吊绳上做同样的工作，同样得到一组摆角值；当两个第一吊绳工作在互锁模式时，得到的两组摆脚值理论上应该相同；如果不同，那么将互相作为对照进行摆脚的修订，此工作在计算机中进行；当两个第一吊绳工作在独立模式下时，两个第一吊绳的摆脚互不影响，分别得到两组角度；

4)、摆角计算完后，通过串口通讯将摆角信息显示在桥吊驾驶室的显示屏上，给操作人员提供参考信息；或者通过串口通讯传输到摆角计算及计算机的桥吊控制器上，作为摆角反馈给控制器提供必要的控制参数。

7.根据权利要求6所述的多吊具桥吊摆角测量装置进行测量的方法，其特征在于：所述吊绳顶点标志物和光斑的搜索通过建立兴趣区的方法实现，具体操作步骤如下：

首先接收到摆角计算及控制计算机的命令后摆角检测摄像头开始拍摄图片，然后由摆角检测摄像头及图像处理器在兴趣区内检索吊绳顶点标志物和光斑的坐标位置，再分别利用公式(1)和公式(2)计算出x-y面摆角和y-z面摆角的值，最后将所得的角度信息显示在桥吊驾驶室的屏幕上或者传送到摆角计算及控制计算机的控制器上提供必要的参数，并更新兴趣区等待下一次图片的到来。