CN108750959B - 基于面形ccd图像检测的双吊具桥吊摆角测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于面形CCD图像检测的双吊具桥吊摆角测量装置及测量方法，解决了双起升双吊具桥式吊车摆动角度方向与大小的检测、摆角信息处理及显示问题。根据机器视觉原理，双吊具桥式吊车运用四个LED屏装置和四个面形CCD图像传感器装置，将得到的图像信号经过处理和计算得到轻质摆架的摆动角度，这些数据可以作为桥吊防摇系统的反馈信息，也可以直观呈现出视频图像到显示屏，给驾驶员作为运作做参考。本发明结构简单，单元密度高，电极简单，图像清晰，精确度高，抗干扰性强等特点。

Description

基于面形CCD图像检测的双吊具桥吊摆角测量装置及测量 方法

技术领域：

本发明涉及测量装置，具体涉及一种基于面形CCD图像检测的双吊具桥吊摆角测量装置及测量方法。

背景技术：

双吊具桥式吊车是一种新型的港口集装箱场地起重设备，它具有两个起升吊具，一次可以吊起两个四十英尺或者四个二十英尺的集装箱，与传统的单吊具桥吊相比，大幅度的提高了集装箱的装卸效率，但是由于这种大跨距双起升双吊具桥吊结构复杂，工作方式多样且存在耦合性，再加上现实环境中存在着风力再加上小车机构的运动会使得吊绳产生摇摆，这给吊具摆角的检测带来了很大的难度。

桥吊防摇控制的关键问题之一就是对摆角的检测，而现有的桥吊摆角检测装置大都针对单吊具桥吊设计，这些检测装置大部分可以分为接触式和非接触式测量。现有的一种接触式摆角检测装置是运用轻质摆架带动一个码盘旋转，这样的测量方法精确度不高，影响测量的效果，并且检测元件易磨损，维护不便；非接触式摆角检测装置常使用激光角度仪，此类仪器角对工作环境要求较高，价格昂贵，使用电容电感检测仪则存在边缘效应，实际运用中稳定性差，分辨率不高，易受干扰。同时，现有的桥式吊车操作员往往通过肉眼观察吊具及负载来获得其摆动情况，准确性低且存在安全隐患，影响工作效率及工作质量。

发明内容：

本发明涉及的摆角测量装置利用了面形CCD图像传感器对光变化敏感的特性，解决了双吊具桥式吊车摆动角度方向与大小的检测、摆角信息处理及显示问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于面形CCD图像传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，该装置设置在小车机构上，所述的小车机构设置在大车机构上，所述的大车机构包含桥吊驾驶室，所述的小车机构上设有一对起升电机，每一台起升电机包含转轴，转轴通过吊绳连接吊具，其特点是，布置基于面形CCD图像传感器的双吊具桥吊摆角检测装置；所描述的摆角检测装置包含：一对信号处理装置，对称设置在所述的小车机构的顶部；一个摆角合成计算机，设置在驾驶室内，分别与信号处理装置连接；

所描述的摆角检测装置的主体为黑盒子，黑盒子内包括一个黑色挡板挡住固定在箱子内壁的LED发光屏，一个面形CCD图像传感器，LED发光屏，所述的传感器通过导线与信号处理装置相连接。

所述的信号处理装置包括电压放大器、整流滤波器、A/D转换器，电压放大器的输入端与面形CCD图像传感器相连，电压放大器的输出端依次连接整流滤波器、A/D转换器，之后输出给摆角合成计算机。

一种基于面形CCD图像传感器的双吊具桥吊摆角测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：对各个部件进行初始位置的设定，将此作为初始的参考位置，设定过程如下：先让双吊具桥吊的两个吊具自然下垂，此时吊绳无任何摆角，轻质摆架、遮光板均无任何转动，此时LED发光屏与遮光板完全重合。两组摆角检测装置得到的信号作为摆角计算的初始参考值，此时传感器接收不到光，表明当前轴向方向上摆角为0；

步骤二：驾驶室发出桥吊运行指令，桥吊根据不同的运行指令控制对应的吊具运行，吊具各自连接的吊绳发生摆动；吊绳的摆动会带动遮光板的转动进而漏出部分LED灯的面积，面形CCD图像传感器获得漏出的发光屏面积，将得到的光信号变成电信号传送给信号处理装置；

步骤三：信号处理器接受到来自x,y方向上的电信号加以处理，进过放大，滤波，A/D转换后通过计算机串口送到摆角合成计算机进行摆角合成处理，得到对应的摆角值。

步骤四：另外一组吊具所做的工作与上述相同，得到另一组摆角值；将两组摆角信息送至驾驶室的显示屏上供驾驶员参考操作，将摆角信息送至同步/防摇控制系统，以提供反馈信息。

本发明与现有的技术相比，其显著优点：

本发明基于面形CCD图像传感器的双吊具桥吊摆角测量装置，根据机器视觉原理，当吊绳摆动时带动转轴转动，通过面形CCD图像传感器产生的应变电信号来计算摆角值。

接下来用附图说明技术要点。

附图说明：

图1为基于面形CCD传感器的双起升双吊具桥吊摆角测量装置整体结构示意图；

图2为基于面形CCD传感器的双起升双吊具桥吊摆角测量装置的摆角检测装置结构示意图；

图3为基于面形CCD传感器的双起升双吊具桥吊摆角测量装置的摆角检测装置中黑盒子局部图；

图4为基于面形CCD传感器的双起升双吊具桥吊摆角测量装置的摆角检测装置的合成图；

图5为基于面形CCD传感器的双起升双吊具桥吊摆角测量装置左视图；

图6为基于面形CCD传感器的双起升双吊具桥吊摆角测量装置的桥吊摆角合成图；

图7为基于面形CCD传感器的双起升双吊具桥吊摆角测量装置的双吊具桥吊摆角测量流程图；

附图标记如下：1-小车机构；2-小车的驱动机构；3-大车，4-大车的驱动机构；5-吊具起升电机；7-双吊具桥的第一吊具、8-双吊具桥的第二吊具；9-摆角合成计算机；10-桥吊驾驶舱；11-摆角检测装置；12-桥式吊车的吊绳；13-信号处理装置；14-导线；15-吊具起升电机转轴；16-轻质摆架；17-黑盒子；18-黑色挡板；19-半圆LED发光屏；20-面形CCD图像传感器。

具体实施方式：

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明做进一步详细说明：

在图1中，小车机构1是摆角测量装置以及起升电机的搭载平台。吊具起升电机5负责吊具与负载的升降运动，双吊具桥吊的第一吊具7、双吊具桥的第二吊具8，它们可以既可以共同互锁工作，也可以分别独立工作。新型双起升双吊具桥吊一次可以同时装卸两个40英尺或者四个20英尺的集装箱。

在图2中，当吊绳12发生摆动时，会带动轻质摆架16旋转摆动；黑色挡板18，与16相连接，并随着16的转动而转动；如图3中，半圆LED发光屏19，其紧贴在黑盒子壁上，面积与18的面积完全一样大；面形CCD图像传感器20固定在黑盒子17内部；与信号处理装置13通过导线14相连接并向信号处理装置13传送测量数据信号，信号处理装置13将信号经前置放大、A/D转换后传送给摆角合成计算机9进行后续分析处理。

本发明涉及的基于面形CCD图像传感器的双起升双吊具摆角测量装置具体工作过程如下：

(1)双吊具摆角检测装置11在安装时，需要对各个部件进行初始位置信息设定，以此为初始参考位置，设定过程如下：在小车机构尚未运动的情况下，双吊具桥吊的两个吊具自然下垂，此时吊绳无任何摆角，轻质摆架16、遮光板18均无任何转动，此时LED发光屏19与遮光板18完全重合。记录上述的初始位置的各个信息，两组摆角检测装置得到的信号作为摆角计算的初始参考值，此时面形CCD图像传感器20接收到的信息作为初始信息，此时的摆角为0。

(2)驾驶室10向双吊具桥吊发出运行指令，桥吊根据不同运行指令控制第一吊具7和第二吊具8的运行，由于小车机构的运动带动各自的吊绳12发生摆动。

如图4所示：当吊绳只在y轴方向摆动时，吊绳从初始竖直位置向y正方向摆动时(此时y方向的轻质摆架保持不动)，摆架的摆动带动遮光板18转动(运动状态如图5所示)，引起面形CCD传感器板接收的光变化，并得出光源的面积；同理，吊绳向y负方向摆动时，带动x轻质摆架向y负方向摆动，进而带动遮光板18转动，面形CCD传感器20的得出光源的面积，可以计算得出y轴轴向的摆角值。

当吊绳只在x轴方向摆动时，吊绳从初始竖直位置向x轴正方向摆动时，吊绳带动y轻质摆架向x轴正方向摆动(此时x方向的轻质摆架保持不动)，摆架的摆动带动遮光板18转动引起面形CCD传感器20接收到的光面积变化；同理，吊绳向x负方向摆动时，带动y轻质摆架向x负方向摆动，进而引起对应的面形CCD传感器接收到的光的面积变化，进而可以计算得出x轴轴向的摆角值。

当吊绳在任意方向摆动时，吊绳的摆动会同时带动x轴、y轴方向上的轻质摆架产生摆动量，x轴、y轴方向的都会带到各自的遮光板的转动，信号处理装置13接收由x轴、y轴各自的面形CCD图像传感器20发来的两路吊绳摆动的信号，将信号经过放大、A/D转换后通过计算机串口送入摆角合成计算机9处理，通过9进行计算可以实时检测到摆角的位置及大小。

遮光板的转动面积与轻质摆角的转动角度相关，由LED发光屏19得到的光源面积S₁，而整个LED发光屏19的面积为S，计算得出轻质摆架16转动的角度θ_x＝(S₁/S)*π，θ_y同理可得，将两个方向角合成

进而得到吊绳12在轴向运动的摆角值。

另一组吊具的工作与上述一致，在得到该组摆角的信息后，将两组的吊具摆角信息传送给驾驶室10的显示器上供桥吊驾驶员参考，或者作为反馈信息送入防摇/同步控制装置中。在双起升双吊具桥吊的实际工况中，第一吊具7和第二吊具8可相互独立工作也可互锁同步工作。在独立工作模式时，两个吊具互不影响，分别得到两个角度值；在互锁工作模式时，9计算处理的两个吊具的摆角值理论上应该相同，如果不同，可以将异同信号再通过摆角合成计算机9进行相应处理，使两路摆角值相互对照进行修正，以保证更好的同步效果。

在图6中，θ_x、θ_y为测量计算得到的摆角轴向运动分量。

由图可得：

由公式

计算可得摆角值。

图7为双吊具桥吊摆角测量流程图。

双吊具桥吊工作时，首先由驾驶室10发出工作指令信号，小车机构1运动，桥吊两个吊具开始运行，两个吊具开始运行时，会带动各自的吊绳摆动，进而带动轻质摆架16的摆动，进而导致遮光板18的摆动，面形CCD传感器20接收到LED屏19的光信号，得出发光的面积，所得到视频图像信息通过导线14传输至摆角检测装置11，进而传送给信号处理装置13，13对信号进行前置放大、A/D转换等处理，进而传输进入摆角合成计算机9进行计算，分别得到第一吊具7和第二吊具8各自的摆角值θ₁、θ₂。吊具的摆角值被传输至驾驶室10内的桥吊显示器，供桥吊操作员提供参考，同时提供给桥吊防摇/同步控制器作为桥吊控制的反馈信息。

上述主要部件的具体情况如下：

信号处理装置13：由CPU、存储器、信号处理电路以及I/O接口等部件组成，其中CPU与存储器、信号处理电路连接，I/O接口电路与信号处理电路连接，信号处理电路可以同时处理来自传感器的x,y两路信号。它将摆角检测装置11送来的x、y坐标轴相应的两路信号(作为一组信号)分别进行前置放大、整形滤波和A/D转换，之后将转换后的数字信号送给摆角合成计算机9进行进一步的分析处理。在本专利发明中信号处理装置13可以同时处理两组信号。

摆角合成计算机9：接收从两个吊具各自的信号处理装置13传来的数字信号，并按照一定的面积关系对信号进行相应的处理测算，最终获取摆角信息。第一吊具7和第二吊具8各自的摆角信息由装置13分别采用不同的串行通信接口接入到摆角合成计算机9，9根据信号输入信号的串口不同来判断计算出的摆角信息来自哪个吊具，将所得摆角信息传输至驾驶室10内的桥吊显示器，为桥吊驾驶员的操作提供参考，还可以反馈至桥吊防摇/同步控制器作为控制参考信息。

Claims (2)

1.一种基于面形CCD图像检测的双吊具桥吊摆角测量装置，设置在小车机构上，所述小车机构设置在大车机构上，所述大车机构上设有桥吊驾驶室，所述小车机构上设有一对起升电机，每个起升电机包含一转轴，每一起升电机的转轴通过吊绳连接一个吊具，其特征在于，该摆角测量装置包含：一对信号处理装置、摆角合成计算机、一对摆角检测装置；信号处理装置对称设置在所述的小车机构顶部，所述的信号处理装置包括电压放大器、整流滤波器、A/D转换器，电压放大器的输入端与面形CCD图像传感器相连，电压放大器的输出端依次连接整流滤波器、A/D转换器，之后输出给摆角合成计算机；摆角合成计算机，设置在所述小车机构的顶部，位于两个信号处理装置之间，分别与一对信号处理装置连接；一对摆角检测装置，对称设置在小车的底部，每一所述摆角检测装置与对应的信号处理装置连接，每一吊绳穿过对应的摆角测量装置与对应的吊具连接；用于显示摆角信息的显示模块设置在桥吊驾驶室内，与摆角合成计算机连接；所述的摆角检测装置内包括两个轻质摆架、黑盒子；两个轻质摆架分别沿着x轴和y轴互相垂直安装，且两个半圆形轻质摆架相切；每个轻质摆架沿着圆周方向设有光滑开缝，吊绳先后从两个轻质摆架的开缝中穿过；每个轻质摆架上均连接遮光板；黑盒子内有面形CCD图像传感器、遮光板、LED发光板三部分；所述的LED发光板固定在黑盒子的内壁上；所述的遮光板与LED发光板的面积、形状一样，静止时候可以完全遮盖住LED发光板；遮光板随着轻质摆架的转动而转动；面形CCD图像传感器与对应的信号处理装置电性相连。

2.一种基于面形CCD图像检测双吊具桥吊摆角测量方法，使用如权利要求1所述的基于面形CCD图像检测的双吊具桥吊摆角测量装置，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：双吊具摆角检测装置在安装时，需要对各个部件进行初始位置信息设定，以此为初始参考位置，设定过程如下：在小车尚未运动的情况下，双吊具桥吊的两个吊具自然下垂，此时吊绳无任何摆角，轻质摆架、遮光板均无任何转动，此时LED发光板与遮光板完全重合；记录上述的初始位置的各个信息，两组摆角检测装置得到的信号作为摆角计算的初始参考值，此时面形CCD传感器接收到的信息作为初始信息，此时的摆角为0；

步骤二：驾驶室向双吊具桥吊发出运行指令，桥吊根据不同运行指令控制吊具的运行，由于小车的运动带动各自的吊绳发生摆动；当吊绳摆动时，轻质摆架的摆动带动遮光板转动，引起面形CCD图像传感器板接收的光变化，并得出光源的面积；双吊具的摆角检测在上述的基础上检测两根吊绳的信息，每根吊绳需要两套同样结构，每套结构包括一个面形CCD图像传感器，一个遮光板，一个LED发光板，一个黑盒子，用于检测其中一个方向的角度；

步骤三：信号处理器接受到来自x,y方向上的电信号加以处理，经过放大，滤波，A/D转换后通过计算机串口送到摆角合成计算机进行摆角合成处理，根据得到的信号得出发光板漏出部分光源面积S₁，而整个LED发光板的面积为S，可以计算得出x方向上的轻质摆架转动的角度θ＝(S₁/S)*π，同时得到的视频图像可以得出其摆动方向的正负；同样的方法得到y方向上的角度，进而将两个方向上的角度合成，得到摆绳的摆角值

步骤四：步骤一到步骤三为第一吊具获取一组摆角值的操作流程，同理，第二吊具根据步骤一到步骤三得到另一组摆角值；将第一吊具与第二吊具的摆角信息传送给驾驶室的显示器上供桥吊驾驶员参考，或者作为反馈信息送入防摇/同步控制装置中；在双起升双吊具桥吊的实际工况中，第一吊具和第二吊具可相互独立工作也可互锁同步工作，在独立工作模式时，两个吊具互不影响，分别得到两个角度值，在互锁工作模式时，计算处理得到的两个吊具的摆角值理论上应该相同，如果不同，将得到的信号通过摆角合成计算机进行相应处理，使两个摆角值相互对照进行修正，以保证更好的同步效果。

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