CN110304551B - 基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统及方法，主要涉及路桥施工技术领域。包括：从机，所述从机包括位于桥墩上侧的高度调节装置、云台、图像采集装置、微控制器、第一无线通讯模块；定位灯，所述定位灯垂直安装在梁片的端部的底面上；定位标记，所述定位标记设置在桥墩的顶面上；主机，所述主机包括微处理器、触摸屏、架桥机控制器、第二无线通讯模块，所述触摸屏、架桥机控制器、第二无线通讯模块均与微处理器信号连接。本发明的有益效果在于：能够替代传统的人工观测梁片和桥墩中心十字线相对位置，能够提高架梁精准度、提高架梁速度、减少在架梁过程中因锚栓孔与支座上的锚栓对接不上而重新落梁的问题。

Description

基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统及方法
技术领域
本发明涉及路桥施工技术领域，具体是基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统及方法。
背景技术
架桥机是一种将预制好的梁片放置到预制好的桥墩上去的设备，属于起重机范畴，主要功能是将梁片提起，然后运送到规定位置后落下，在落梁时应保证落梁位置符合设计要求，而传统的落梁方式仅是通过人工观测梁片和桥墩中心十字线相对位置的方式来确保落梁精度，落梁精度完全依靠经验。
在施工过程中，由于梁片重量和体积过大，在架设中遇到很大的困难，特别是在铁路桥梁架设过程中，因支撑垫石上的锚栓孔与梁体支座上的锚栓对接不上而需重新落梁，导致大量的时间、人力和设备成本的消耗以及工期进度的延误。因此，如何提高架梁精准度、提高架梁速度、减少在架梁过程中因锚栓孔与支座上的锚栓对接不上而重新落梁的问题，是铁路桥梁架设工程待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种能够替代传统的人工观测梁片和桥墩中心十字线相对位置的方法的基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统及方法，能够提高架梁精准度、提高架梁速度、减少在架梁过程中因锚栓孔与支座上的锚栓对接不上而重新落梁的问题。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统，包括：
从机，所述从机包括位于桥墩上侧的高度调节装置，所述高度调节装置安装在架桥机上，所述高度调节装置的底端设有云台，所述云台上安装有图像采集装置，所述高度调节装置上设有微控制器、第一无线通讯模块，所述第一无线通讯模块、图像采集装置、云台、高度调节装置均与微控制器信号连接；
定位灯，所述定位灯垂直安装在梁片的端部的底面上，所述定位灯的头部指向桥墩，且定位灯的下端不低于梁片的底面；
定位标记，所述定位标记设置在桥墩的顶面上；
主机，所述主机包括微处理器、触摸屏、架桥机控制器、第二无线通讯模块，所述触摸屏、架桥机控制器、第二无线通讯模块均与微处理器信号连接。
所述高度调节装置包括空心连杆，所述空心连杆中设有直线电机，所述空心连杆的底端设有伸缩柱，所述伸缩柱与空心连杆滑动连接，所述直线电机的一端与空心连杆固定连接，另一端与伸缩柱固定连接。
所述定位灯上设有外螺纹，所述梁片上预设有与定位灯相适应的安装孔。
所述定位灯为红光激光头，所述定位标记为蓝色十字形标记。
所述微处理器中设有用于将图像采集装置采集到的图像转换为二值化图像的图像处理模块、用于计算定位灯照射在桥墩的顶面上的光斑的中心与定位标记的中心的欧式距离的计算模块。
所述微控制器连接有按键模块、显示模块。
基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制方法，按照以下步骤进行：
步骤1：在梁片的两端的底面上预设与定位灯相适应的安装孔，在桥墩的顶面上绘制定位标记；
步骤2：将定位灯安装在安装孔中，确保定位灯固定且不冒头不松动，然后打开定位灯；
步骤3：将从机安装在架桥机上，利用架桥机搬运梁片至桥墩的上侧，定位灯照射在桥墩上，在桥墩的顶面上形成一个光斑；
步骤4：利用主机远程启动从机上的图像采集装置，操控人员通过主机中的触摸屏人机交互控制从机上的高度调节装置、云台，将图像采集装置调整至合适的观测位置与观测角度，利用图像采集装置采集现场图像，并将现场图像传输至主机；
步骤5：利用主机对图像采集装置采集的现场图像进行处理，获得含有光斑与定位标记的二值化图像；
步骤6：利用主机计算光斑的中心与定位标记的中心的欧氏距离，并判断欧式距离是否为零，若欧氏距离为零，则进入步骤7；若欧式距离不为零，则进入步骤8；
步骤7：由架桥机控制器控制架桥机将梁片落下；
步骤8：通过架桥机控制器控制架桥机调整位置，采用PID控制，再次检测欧式距离，直至欧式距离为零时，由架桥机控制器控制架桥机将梁片落下。
所述步骤5包括以下步骤：
第一步，通过高斯滤波和中值滤波进行现场图像的平滑处理；
第二步，将经平滑处理的现场图像转化成HSV颜色空间模型，获得HSV图像；
第三步，对HSV图像进行三通道分离，获得三通道图像；
第四步，对三通道图像进行按位与运算，获得含有光斑与定位标记的二值化图像；
所述第四步包括对二值化图像进行消除噪声的数学形态学处理。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的从机与桥墩相对应，一个桥墩对应一个从机，分别安装在架桥机对角线位置，利用高度调节装置能够对图像采集装置的高度进行调整，能够将图像采集装置调整到能够清楚拍摄梁片和桥墩结合处的位置，利用云台俯仰能够调整图像采集装置的拍摄角度，获得最佳的拍摄角度，利用无线通讯模块实现从机与主机之间信号的无线传输，触摸屏实时显示从机采集的图像信号，微处理器通过图像处理算法进行分析、计算后，通过架桥机控制器连接架桥机PLC，控制架桥机放梁动作，实现精准落梁，能够提高架梁精准度、提高架梁速度、减少在架梁过程中因锚栓孔与支座上的锚栓对接不上而重新落梁的问题。
附图说明
附图1是本发明的结构框图；
附图2是施工示意图；
附图3是梁片的仰视图；
附图4是桥墩的俯视图；
附图5是从机的工作位置示意图；
附图6是从机的结构示意图；
附图7是从机的工作流程图；
附图8是主机工作流程图；
附图9是精准落梁系统工作流程图。
附图中标号：1、高度调节装置；11、空心连杆；12、直线电机；13、伸缩柱；2、云台；3、图像采集装置；4、定位灯；5、定位标记；6、桥墩；7、梁片；8、安装孔；9、从机。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
本发明所述是基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统，包括：
从机9，从机9与桥墩6相对应，一个桥墩6对应一个从机9，分别安装在架桥机对角线位置。所述从机9包括位于桥墩6上侧的高度调节装置1，所述高度调节装置1安装在架桥机上，所述高度调节装置1的底端设有云台2，所述云台2上安装有图像采集装置3，所述高度调节装置1上设有微控制器、第一无线通讯模块，所述第一无线通讯模块、图像采集装置3、云台2、高度调节装置1均与微控制器信号连接，利用高度调节装置1能够对图像采集装置3的高度进行调整，能够将图像采集装置3调整到能够清楚拍摄梁片7和桥墩6结合处的位置，利用云台2俯仰能够调整图像采集装置3的拍摄角度，获得最佳的拍摄角度，第一无线通讯模块用于与主机进行信号传输；
定位灯4，所述定位灯4垂直安装在梁片7的端部的底面上，所述定位灯4的头部指向桥墩6，且定位灯4的下端不低于梁片7的底面；
定位标记5，所述定位标记5设置在桥墩6的顶面上；
通过判断定位灯4照射在桥墩6顶面上的光斑的中心与定位标记5的中心的欧式距离是否为零来判断梁片7是否对正。
主机，所述主机包括微处理器、触摸屏、架桥机控制器、第二无线通讯模块，所述触摸屏、架桥机控制器、第二无线通讯模块均与微处理器信号连接。
本发明利用无线通讯模块实现从机9与主机之间信号的无线传输，触摸屏实时显示从机9采集的图像信号，微处理器通过图像处理算法进行分析、计算后，通过架桥机控制器连接架桥机PLC，控制架桥机放梁动作，实现精准落梁，能够提高架梁精准度、提高架梁速度、减少在架梁过程中因锚栓孔与支座上的锚栓对接不上而重新落梁的问题。
为了高度调节的稳定性，所述高度调节装置1包括空心连杆11，所述空心连杆11中设有直线电机12，所述空心连杆11的底端设有伸缩柱13，所述伸缩柱13与空心连杆11滑动连接，所述直线电机12的一端与空心连杆11固定连接，另一端与伸缩柱13固定连接。
为了便于定位灯的安装，所述定位灯4上设有外螺纹，所述梁片7上预设有与定位灯4相适应的安装孔。
为了便于定位识别，所述定位灯4为红光激光头，所述定位标记5为蓝色十字形标记。
为了保证判断精度，所述微处理器中设有用于将图像采集装置3采集到的图像转换为二值化图像的图像处理模块、用于计算定位灯4照射在桥墩6的顶面上的光斑的中心与定位标记5的中心的欧式距离的计算模块。
为了便于从机的辅助调试，所述微控制器连接有按键模块、显示模块。
基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统的控制方法，按照以下步骤进行：
步骤1：在梁片7的两端的底面上预设与定位灯4相适应的安装孔8，在桥墩6的顶面上绘制定位标记5；
步骤2：将定位灯4安装在安装孔中，确保定位灯4固定且不冒头不松动，然后打开定位灯4；
步骤3：将从机安装在架桥机上，利用架桥机搬运梁片7至桥墩6的上侧，定位灯4照射在桥墩6上，在桥墩6的顶面上形成一个光斑；
步骤4：利用主机远程启动从机上的图像采集装置3，操控人员通过主机中的触摸屏人机交互控制从机上的高度调节装置1、云台3，将图像采集装置3调整至合适的观测位置与观测角度，利用图像采集装置3采集现场图像，并将现场图像传输至主机；
步骤5：利用主机对图像采集装置3采集的现场图像进行处理，获得含有光斑与定位标记的二值化图像；
步骤6：利用主机计算光斑的中心与定位标记的中心的欧氏距离，并判断欧式距离是否为零，若欧氏距离为零，则进入步骤7；若欧式距离不为零，则进入步骤8；
步骤7：由架桥机控制器控制架桥机将梁片7落下；
步骤8：通过架桥机控制器控制架桥机调整位置，采用PID控制，再次检测欧式距离，直至欧式距离为零时，由架桥机控制器控制架桥机将梁片7落下。
所述步骤5包括以下步骤：
第一步，通过高斯滤波和中值滤波进行现场图像的平滑处理；
第二步，将经平滑处理的现场图像转化成HSV颜色空间模型，获得HSV图像；
第三步，对HSV图像进行三通道分离，获得三通道图像；
第四步，对三通道图像进行按位与运算，获得含有光斑与定位标记的二值化图像；
所述第四步包括对二值化图像进行消除噪声的数学形态学处理。
能够实现精准落梁，能够提高架梁精准度、提高架梁速度、减少在架梁过程中因锚栓孔与支座上的锚栓对接不上而重新落梁的问题。
实施例：本发明所述是基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统，包括：
从机9，从机9与桥墩6相对应，一个桥墩6对应一个从机9，分别安装在架桥机对角线位置(如附图5所示)。所述从机9包括位于桥墩6上侧的高度调节装置1，所述高度调节装置1安装在架桥机上，所述高度调节装置1包括空心连杆11，所述空心连杆11中设有直线电机12，所述空心连杆11的底端设有伸缩柱13，所述伸缩柱13与空心连杆11滑动连接，所述直线电机12的一端与空心连杆11固定连接，另一端与伸缩柱13固定连接。高度调节装置1也可直接采用电推杆，可通过扎带将高度调节装置1固定在架桥机上，也可在高度调节装置1上焊接一个带孔的连接板，通过螺栓固定在架桥机上。所述高度调节装置1的底端设有云台2，云台2通过螺丝固定在高度调节装置1的底端，所述云台2上安装有图像采集装置3，图像采集装置3可采用摄像机，所述高度调节装置1上设有微控制器、第一无线通讯模块，第一无线通讯模块、图像采集装置3、云台2、高度调节装置1均与微控制器信号连接，微控制器通过驱动电路驱动高度调节装置1上的直线电机12。优选的，为了便于从机9的辅助调试，所述微控制器连接有按键模块、显示模块。利用高度调节装置1能够对图像采集装置3的高度进行调整，能够将图像采集装置3调整到能够清楚拍摄梁片7和桥墩6结合处的位置，利用云台2俯仰能够调整图像采集装置3的拍摄角度，获得最佳的拍摄角度，第一无线通讯模块用于与主机进行信号传输；
定位灯4，所述定位灯4垂直安装在梁片7的端部的底面上，所述定位灯4的头部指向桥墩6，且定位灯4的下端不低于梁片7的底面(附图2所示)，为保证精确定位一个梁片7上可布置四个定位灯4，每端两个；
定位灯4可采用一次性微型激光灯；
进一步的，为了便于定位灯4的安装，所述定位灯4上设有外螺纹，同时在梁片7上预设有与定位灯4相适应的安装孔。
定位标记5，所述定位标记5设置在桥墩6的顶面上(附图4所示)；
定位灯4的位置与定位标记5的位置相对应，定位灯4的数量与定位标记5的数量相对应，若要求梁片7的端面与桥墩6的中心线位于同一平面上时，则定位灯4的中心与梁片7的端面之间的垂直距离等于定位标记5的中心与桥墩7的中心线之间的垂直距离，优选的，为了便于定位识别，所述定位灯4采用红光激光头，所述定位标记5为蓝色十字形标记，在架桥机落梁中，人为观测梁片和桥墩中心十字线是否对接的问题就成功地转换成了红色圆形激光光斑和蓝色十字形标记的图像识别，以及两者的中心定位问题。在图像平面只要满足激光光斑的中心点像素坐标与蓝色方形标记中心点的像素坐标之间的欧式距离为零，那么梁片6与桥墩7就能对接成功，实现精准落梁。
主机，所述主机包括微处理器、触摸屏、架桥机控制器、第二无线通讯模块，所述触摸屏、架桥机控制器、第二无线通讯模块均与微处理器信号连接。
为了保证判断精度，所述微处理器中设有用于将图像采集装置3采集到的图像转换为二值化图像的图像处理模块、用于计算定位灯4照射在桥墩6的顶面上的光斑的中心与定位标记5的中心的欧式距离的计算模块。
本发明利用无线通讯模块实现从机9与主机之间信号的无线传输，信号都是通过短距离无线通信模块实现数据传输，省去了线路铺设，提高系统的灵活性、可移动性，触摸屏实时显示从机9采集的图像信号，微处理器通过图像处理算法进行分析、计算后，通过架桥机控制器连接架桥机PLC，控制架桥机放梁动作，实现精准落梁，能够提高架梁精准度、提高架梁速度、减少在架梁过程中因锚栓孔与支座上的锚栓对接不上而重新落梁的问题。
如附图7-9所示，基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统的控制方法，按照以下步骤进行：
步骤1：在梁片7的两端的底面上预设与定位灯4相适应的安装孔8(如附图3所示)，安装孔8为螺纹孔，在桥墩6的顶面上绘制蓝色十字形标记；
步骤2：将定位灯4(红光激光头)安装在安装孔中，确保定位灯4固定且不冒头不松动，然后打开定位灯4；
步骤3：将从机安装在架桥机上，利用架桥机搬运梁片7至桥墩6的上侧，定位灯4光束照射在桥墩6上，在桥墩6的顶面上形成一个光斑；
步骤4：利用主机远程启动从机上的图像采集装置3，架桥机驾驶员通过主机中的触摸屏观测采集到的视频信息，利用触摸屏人机交互控制从机上的高度调节装置1调节图像采集装置3至合适的观测位置，以能够看到光斑与定位标记5为准，再控制云台3，将图像采集装置3调整至合适的观测角度，即能清楚地拍摄到定位灯4投射在桥墩上6的光斑和桥墩6上的定位标记，利用图像采集装置3采集现场图像，并将现场图像传输至主机；
步骤5：考虑红色圆形激光光斑和蓝色十字形标记点颜色和背景的差异，采用基于颜色的图像识别方法将两者从图像中识别出来，利用主机对图像采集装置3采集的现场图像进行处理，获得含有光斑与定位标记的二值化图像，具体如下：
第一步，通过高斯滤波和中值滤波进行现场图像的平滑处理；
第二步，将经平滑处理的RGB现场图像转化成HSV颜色空间模型，获得HSV图像；
第三步，对HSV图像进行三通道分离，分成色度通道H，饱和度通道S及亮度通道V三种(实质上，H和S通道决定了物体的颜色，自然光下的施工现场亮度通道影响并不大)，确定激光光斑和方形标记的颜色阈值及提取颜色相近的区域，通过自适应阈值法，自动调节H，S分量得到与目标颜色色度、饱和度和亮度一致的三通道图像；
第四步，对三通道图像进行按位与运算，并进行消除噪声的数学形态学处理，获得含有光斑与定位标记的二值化图像(含有圆形激光光斑和十字形标记点的白色区域)；
步骤6：利用主机采用重心法可分别获得光斑与定位标记的中心的坐标，计算光斑的中心与定位标记的中心的欧氏距离，并判断欧式距离是否为零，若欧氏距离为零，则进入步骤7；若欧式距离不为零，则进入步骤8；
步骤7：由架桥机控制器控制架桥机将梁片7落下；
步骤8：通过架桥机控制器控制架桥机调整位置，采用PID控制，再次检测欧式距离，直至欧式距离为零时，由架桥机控制器控制架桥机将梁片7落下。
能够实现精准落梁，能够提高架梁精准度、提高架梁速度、减少在架梁过程中因锚栓孔与支座上的锚栓对接不上而重新落梁的问题。

Claims (8)

1.一种基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统的控制方法，其特征在于：
首先构建基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统，所述基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制系统包括：从机(9)，所述从机(9)包括位于桥墩(6)上侧的高度调节装置(1)，所述高度调节装置(1)安装在架桥机上，所述高度调节装置(1)的底端设有云台(2)，所述云台(2)上安装有图像采集装置(3)，所述高度调节装置(1)上设有微控制器、第一无线通讯模块，所述第一无线通讯模块、图像采集装置(3)、云台(2)、高度调节装置(1)均与微控制器信号连接；定位灯(4)，所述定位灯(4)垂直安装在梁片(7)的端部的底面上，所述定位灯(4)的头部指向桥墩(6)，且定位灯(4)的下端不低于梁片(7)的底面；定位标记(5)，所述定位标记(5)设置在桥墩(6)的顶面上；主机，所述主机包括微处理器、触摸屏、架桥机控制器、第二无线通讯模块，所述触摸屏、架桥机控制器、第二无线通讯模块均与微处理器信号连接；
然后按照以下步骤进行：
步骤1：在梁片(7)的两端的底面上预设与定位灯(4)相适应的安装孔(8)，在桥墩(6)的顶面上绘制定位标记(5)；
步骤2：将定位灯(4)安装在安装孔中，确保定位灯(4)固定且不冒头不松动，然后打开定位灯(4)；
步骤3：将从机安装在架桥机上，利用架桥机搬运梁片(7)至桥墩(6)的上侧，定位灯(4)照射在桥墩(6)上，在桥墩(6)的顶面上形成一个光斑；
步骤4：利用主机远程启动从机上的图像采集装置(3)，操控人员通过主机中的触摸屏人机交互控制从机上的高度调节装置(1)、云台(3)，将图像采集装置(3)调整至合适的观测位置与观测角度，利用图像采集装置(3)采集现场图像，并将现场图像传输至主机；
步骤5：利用主机对图像采集装置(3)采集的现场图像进行处理，获得含有光斑与定位标记的二值化图像；
步骤6：利用主机计算光斑的中心与定位标记的中心的欧氏距离，并判断欧式距离是否为零，若欧氏距离为零，则进入步骤7；若欧式距离不为零，则进入步骤8；
步骤7：由架桥机控制器控制架桥机将梁片(7)落下；
步骤8：通过架桥机控制器控制架桥机调整位置，采用PID控制，再次检测欧式距离，直至欧式距离为零时，由架桥机控制器控制架桥机将梁片(7)落下。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制方法，其特征在于，所述步骤5包括以下步骤：
第一步，通过高斯滤波和中值滤波进行现场图像的平滑处理；
第二步，将经平滑处理的现场图像转化成HSV颜色空间模型，获得HSV图像；
第三步，对HSV图像进行三通道分离，获得三通道图像；
第四步，对三通道图像进行按位与运算，获得含有光斑与定位标记的二值化图像。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制方法，其特征在于：所述第四步包括对二值化图像进行消除噪声的数学形态学处理。
4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制方法，其特征在于，所述高度调节装置(1)包括空心连杆(11)，所述空心连杆(11)中设有直线电机(12)，所述空心连杆(11)的底端设有伸缩柱(13)，所述伸缩柱(13)与空心连杆(11)滑动连接，所述直线电机(12)的一端与空心连杆(11)固定连接，另一端与伸缩柱(13)固定连接。
5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制方法，其特征在于，所述定位灯(4)上设有外螺纹。
6.根据权利要求1所述的基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制方法，其特征在于，所述定位灯(4)为红光激光头，所述定位标记(5)为蓝色十字形标记。
7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制方法，其特征在于，所述微处理器中设有用于将图像采集装置(3)采集到的图像转换为二值化图像的图像处理模块、用于计算定位灯(4)照射在桥墩(6)的顶面上的光斑的中心与定位标记(5)的中心的欧式距离的计算模块。
8.根据权利要求1所述的基于机器视觉的架桥机精准落梁无线控制方法，其特征在于，所述微控制器连接有按键模块、显示模块。
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