CN108394816B - 一种全方位起吊塔式起重机的监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑机械控制领域，特别是涉及一种全方位调整吊运部件空间位姿功能的塔式起重机监视系统，所述系统包括：吊钩定位单元，安装在挂钩处，发射无线信号；点云采集单元，包括两组双目摄像头模块，分别安装在吊臂前端后后端，用于采集图像，并通过采集的图像生成点云数据；处理单元，安装在操作室内，通过接收来自吊臂前端和后端的点云数据和吊钩定位单元的数据，并将吊挂目标以三维模型的方式显示在触控显示器上给塔机司机提供必要的信息。本发明可以将吊装构件的实时位姿信息显示在塔式起重机驾驶室中，有利于保证工作安全，方便塔机司机操作，而且有效的降低吊装过程安全风险。

Description

一种全方位起吊塔式起重机的监控系统

技术领域

本发明属于建筑机械控制领域，特别是涉及一种全方位调整吊运部件空间位姿功能的塔式起重机监视系统。

背景技术

现代工业与民用建筑中吊装建筑构件尺度大，特别是涉及到装配式建筑吊装过程，对吊装的建筑构件位姿状态精度要求很高。塔式起重机驾驶室距离吊装构件距离较远，塔机司机无法对建筑构件的实时状态进行准备的把握。因此需要通过设计一套能够对塔式起重机吊装构件实时位姿监视系统，将吊装构件的实时位姿信息显示在塔式起重机驾驶室内的显示屏上，给塔机司机提供必要的信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种全方位起吊塔式起重机的监控系统，可以解决塔机司机无法掌握起吊构件位姿状态这一技术难题，极大地提高了吊装建筑构件的工作效率，降低吊装过程的安全风险。

本发明是这样实现的，

一种全方位起吊塔式起重机的监控系统，所述系统包括：

吊钩定位单元，安装在挂钩处，发射无线信号；

点云采集单元，包括两组双目摄像头模块，分别安装在吊臂前端后后端，用于采集图像，并通过采集的图像生成点云数据；

处理单元，安装在操作室内，通过接收来自吊臂前端和后端的点云数据和吊钩定位单元的数据，并将吊挂目标以三维模型的方式显示在触控显示器上给塔机司机提供必要的信息。

进一步地，所述吊钩定位单元包括安装在吊钩上部、吊臂前端、和吊臂后端的无线收发模块以及吊钩上部的无线模块，通过判断吊臂前端接收到吊钩上部无线信号的强度和吊臂后端接收到吊钩上部无线信号的强度，将信号强度通过无线方式传回处理单元上。

进一步地，所述处理单元对两组双目摄像头模块的相对位置进行标定。

进一步地，通过吊臂前端和吊臂后端的无线模块信号接收到的吊钩处无线模块发射的信号强度，根据电磁波在自由空间传播模型，计算出吊钩距吊臂后端的距离a和吊钩距吊臂前端的距离b。

进一步地，所述处理单元包括：处理单元包括：工控机以及触摸屏实现，通过无线方式接收到吊钩位置信号强度和点云采集数据，经过处理后显示在触摸屏上。

进一步地，经过处理包括：工控机根据初步判断的吊钩位置对采集到的点云数据进行一次直通滤波，将吊挂目标以外的大部分内容滤掉。

进一步地，经过处理包括：根据两个视角的点云信息建立显示内容，将吊挂目标高亮显示在触摸屏上。

进一步地，显示内容前工控机计算吊臂前端点云数据中每个点在吊臂后端点云数据中的对应近点。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

1.本发明可以将吊装构件的实时位姿信息显示在塔式起重机驾驶室中，有利于保证工作安全，方便塔机司机操作，而且有效的降低吊装过程安全风险。

2.本发明通过无线传输模块自组网进行监测数据的传输，有效的避免了电缆的使用带来安全隐患，以及加强了数据传输过程的抗干扰能力，同时降低了成本，便于检测和维修。

3.本发明使用无线传输模块对吊挂目标进行辅助定位，极大的提高了目标检测的实时性，可在同等时间内答复提高准确性，避免现有地面塔机指挥人员的工作失误带来的人身财产安全问题。

4.本发明采用工控机进行数据的处理，提高数据处理的速度，并在工业现场苛刻的环境中，可以保证持续平稳的运行。塔机司机可以通过触控显示屏看到持续稳定的实时三维效果图。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明吊钩定位示意图；

图4为本发明摄像头标定示意图；

图5为本发明点云数据处理前显示效果；

图6为本发明点云数据预处理后显示效果；

图7为本发明点云数据最终显示效果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示为本发明的塔式起重机目标姿态智能检测系统的示意图。其工作流程如图2所示。

系统包括：

吊钩定位单元，安装在挂钩处，发射无线信号；

点云采集单元，包括两组双目摄像头模块，分别安装在吊臂前端后后端，用于采集图像，并通过采集的图像生成点云数据；

处理单元，安装在操作室内，通过接收来自吊臂前端和后端的点云数据和吊钩定位单元的数据，并将吊挂目标以三维模型的方式显示在触控显示器上给塔机司机提供必要的信息。

吊钩定位单元包括安装在吊钩上部、吊臂前端、和吊臂后端的无线收发模块以及吊钩上部的无线模块，通过判断吊臂前端接收到吊钩上部无线信号的强度和吊臂后端接收到吊钩上部无线信号的强度，将信号强度通过无线方式传回处理单元上。

本发明的实现过程是：

第一步，在吊钩处安装无线模块以恒定的功率发射无线信号，在吊臂前端和吊臂后端安装双目摄像头和无线模块，在驾驶室内安装工控机，无线模块，触控屏。

第二步，由吊臂前端和吊臂后端的无线模块检测吊钩处发射出信号的信号强度，根据信号强度初步判断吊钩位置；

第三步，吊臂前端和吊臂后端的双目摄像头模块采集的点云信息通过无线模块传输到工控机；

第四步，工控机根据第二步初步判断的吊钩位置对第三步采集到的点云数据进行一次直通滤波，将吊挂目标以外的大部分内容滤掉；

第五步，根据两个视角的点云信息建立显示内容，将吊挂目标高亮显示在触摸屏上。

根据信号强度初步判断吊钩位置包括通过吊臂前端和吊臂后端的无线模块信号接收到的吊钩处无线模块发射的信号强度，根据电磁波在自由空间传播模型

Lbs＝32.45+20lgf(MHz)+20lgd(km)

计算出吊钩距吊臂后端的距离a和吊钩距吊臂前端的距离b。如图3所示，根据公式：

可计算出吊钩所处的空间位置。其中l为两个相机距离，a是吊臂后端相机到吊钩距离，b是吊臂前段到吊钩距离，θ为吊钩-吊臂后端相机-吊臂前端相机夹角。

如图4所示，对两组双目摄像头模块进行标定，求出两组双目摄像头之间的位置关系，确定转换矩阵。

双目摄像头模块安装完成后，直接采集到的数据显示结果如图5所示，无法提供有效信息给塔式起重机司机。在最终显示前还要对两个相机的相对位置进行标定，求出一个转换矩阵对吊臂前端点云数据进行预处理。在吊臂前端摄像头模块采集到的点云数据中选择空间中的任意三个点(可在另一点云数据中找到)，并记录坐标P11、P21、P31，在吊臂后端摄像头采集到的点云数据中选择与之前相同位置的顶点，并记录坐标P12、P22、P32。每一组对应点根据公式

可求得一平面，一共可得到三个平面方程。三个平面一定交于一点Tc，将该点作为旋转中心对吊臂前端采集到的点云数据根据方程

求得变换的欧拉角α，β，γ。

旋转变化后，与吊臂后端采集到的点云数据可匹配粗略对准。

处理单元对吊挂目标姿态显示包括：

在工作过程中，仅通过上一步的粗略对准直接显示点云数据效果往往较差，还要进一步配准，使用迭代最近点法是两个点云数据更接近重合。为了降低计算量，先根据第一步估计的吊钩位置(xd,yd)对点云根据公式

{P′(x,y)}＝{P(x,y)||x-xd|<1080/3,|y-yd|<1920/3}

进行滤波，在水平方向上以吊钩为中心保留1/3数据，在垂直方向上以吊钩为中心保留1/3数据，最终剩下的数据为原数据的1/9，由于直接滤掉了与待测物无关的信息，在不影响精度的前提下，大幅提高了计算效率。

为使显示效果更好，计算吊臂前端点云数据中每个点在吊臂后端点云数据中的对应点，在这一步处理前显示效果如图6所示。

以对应点的欧氏距离最小为目标，

使用最小二乘法求得使这个对应近点集合距离

最小时的旋转向量R和平移向量T。

计算时将平移向量T与旋转向量R分开计算，先对平移向量T进行初始的估算，具体方法是分别得到点集P1和P2的中心：

分别将点集P1和P2平移至中心点处：

则最优化目标函数可以转化为：

最优化问题被分解为使E最小的

和

在初始匹配之后，所点集P1中所有点做平移变化，在比较点集合P1和P2的匹配度，(或迭代次数)作为算法终止的条件。

具体为对点集P1中每个点，找P2中离他最近的点作为对应点。在某一步利用前一步得到的，求使下述函数最小的：

这里，

对吊臂前端点云使用刚计算的变换矩阵(R|T)相乘得到新的点云数据，重新计算对应点集合，若小于阈值，停止迭代计算，否侧重新计算变换矩阵。最终效果如图7所示。

最后将转换后的吊臂前端点云数据与吊臂后端点云数据一起显示在触控屏上，塔式起重机司机可根据触控屏上显示的吊挂目标姿态来进行控制操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全方位起吊塔式起重机的监控系统，其特征在于，所述系统包括：

吊钩定位单元，安装在挂钩处，发射无线信号；

点云采集单元，包括两组双目摄像头模块，分别安装在吊臂前端后后端，用于采集图像，并通过采集的图像生成点云数据；

处理单元，安装在操作室内，通过接收来自吊臂前端和后端的点云数据和吊钩定位单元的数据，并将吊挂目标以三维模型的方式显示在触控显示器上给塔机司机提供必要的信息；

所述吊钩定位单元包括安装在吊钩上部、吊臂前端、和吊臂后端的无线收发模块以及吊钩上部的无线模块，通过判断吊臂前端接收到吊钩上部无线信号的强度和吊臂后端接收到吊钩上部无线信号的强度，将信号强度通过无线方式传回处理单元上；

所述处理单元对两组双目摄像头模块的相对位置进行标定。

2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，通过吊臂前端和吊臂后端的无线模块信号接收到的吊钩处无线模块发射的信号强度，根据电磁波在自由空间传播模型，计算出吊钩距吊臂后端的距离a和吊钩距吊臂前端的距离b。

3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理单元包括：处理单元包括：工控机以及触摸屏实现，通过无线方式接收到吊钩位置信号强度和点云采集数据，经过处理后显示在触摸屏上。

4.按照权利要求3所述的系统，其特征在于，经过处理包括：工控机根据初步判断的吊钩位置对采集到的点云数据进行一次直通滤波，将吊挂目标以外的大部分内容滤掉。

5.按照权利要求4所述的系统，其特征在于，经过处理包括：根据两个视角的点云信息建立显示内容，将吊挂目标高亮显示在触摸屏上。

6.按照权利要求5所述的系统，其特征在于，显示内容前工控机计算吊臂前端点云数据中每个点在吊臂后端点云数据中的对应近点。

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