CN111060015B - 一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于堆垛机监测技术领域，公开了一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置，包括激光源点模块、摄像头、主控模块、以太网模块、电源模块和显示模块，所述激光源点模块固定设置在堆垛机底板下方，所述摄像头固定设置在堆垛机立柱支架上并正对所述激光源点模块，用于采集激光源点模块发出的光斑图像，并发送至所述主控模块，所述主控模块用于接收摄像头采集的光斑图像，并根据光斑图像中的光斑坐标，计算得到堆垛机运动垂直方向位移；所述以太网模块用于将所述主控模块计算得到的位移值发送至上位机。本发明可以跟踪并计算堆垛机的运动垂直方向的小幅度位移，大大提高了堆垛机的运行安全。

Description

一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置

技术领域

本发明属于堆垛机监测技术领域，具体涉及一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置。

背景技术

在物流堆垛机位移检测应用领域，堆垛机的运动方向位移可以使用编码器等技术进行跟踪和计算，堆垛机轨道在运行过程中可能会发生形变，但形变超出安全阈值后，如果不及时处理，将可能导致整条立体仓储隧道的重大事故；而且，轨道的形变到一定程度会导致堆垛机的运动垂直方向的水平面小幅度位移，因此，如果能检测到堆垛机的运动垂直方向的水平面小幅度位移，可以预示轨道的形变，但实际上，在堆垛机运行过程中，这种小幅度位移的检测是难以实现的。因此，现有技术中，往往是通过堆垛机发生货物存放位置异常事件的发生概率对比，来推测可能“堆垛机垂直运动方向的水平面维度的位移”超出安全设置。而且，现有物流系统中，激光测距仪（配反光板板），均用于测量堆垛机运动方向的行进（位移）距离，无法测量其垂直的水平面维度的位移及方向。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置，以实现物流堆垛机运动垂直的水平面方向小幅度位移在线检测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置，包括激光源点模块、摄像头、主控模块、以太网模块、电源模块 和显示模块，所述激光源点模块固定设置在堆垛机底板下方，所述摄像头固定设置在堆垛机立柱支架上并正对所述激光源点模块，用于采集激光源点模块发出的光斑图像，并发送至所述主控模块，所述主控模块用于接收摄像头采集的光斑图像，并根据光斑图像中的光斑坐标，计算得到堆垛机运动垂直方向位移；所述以太网模块用于将所述主控模块计算得到的位移值发送至上位机，所述显示模块用于实时显示数据，所述电源模块用于给装置供电。

所述主控模块还用于控制摄像头的工作参数；所述以太网模块还用于接收上位机发送的控制信息并发送至所述主控模块。

所述主控模块计算得到堆垛机运动垂直方向位移的具体方法包括以下步骤：

S1、当堆垛机在需要监测的行程的中间高度行程静止时，微调摄像头的水平位置，让堆垛机下方的激光点，在摄像头成像的中心位置；

S2、对整个堆垛机的监测垂直高程，进行分段高程标定：分段采集堆垛机位于多个不同垂直高程处时的光斑图像，标定不同高程下图像中光斑的圆心位置，并根据拟合算法计算得到所有高程下的光斑圆心位置；同时根据光斑尺寸对应的像素值，得到每个像素元对应的空间尺寸；

S3、当堆垛机工作时，控制摄像头根据设定参数采集光斑图像，计算得到光斑的圆心位置和光斑像素尺寸；依据分段高程标定得到的堆垛机静止时对应高程下的光斑圆心位置，计算得到当前光斑的圆心偏移距离；再依据当前高程下，每个像素点对应的实际空间距离，得到堆垛机运动垂直方向位移大小和方向。

所述电源模块包括第一电源转换模块，第二电源转换模块和第三电源转换模块，所述第一电源转换模块用于将外接电压转化为24V直流电压，所述第二电源转换模块用于将24V直流电压转化为5V直流电压，所述第三电源转换模块用于将5V直流电压转化为3.3V直流电压后给所述摄像头和主控模块供电。

所述的一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置，还包括报警模块，所述报警模块与主控模块连接，所述主控模块还用于在位移量超过安全阈值后，控制所述报警模块报警，并将位移方向和大小显示在所述显示模块上。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种依靠摄像头采集激光源点斑点图像尺寸的技术，可以跟踪并计算堆垛机的运动垂直方向的水平面的小幅度位移，经实践检验，精度可以达到±1mm，本技术已成功应用于某物流系统，大大提高了堆垛机的运行安全。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置的结构框图；

图2为本发明实施例的安装示意图；

图3为本发明实施例中位移量计算的工作原理图；

图4为本发明实施例中第一电源转换模块的电路原理图；

图5为本发明实施例中第二电源转换模块的电路原理图；

图6为本发明实施例中第三电源转换模块的电路原理图；

图中：1为激光源点模块，2为摄像头，3为主控模块，4为以太网模块，5为电源模块，6为显示模块，7为堆垛机，8为堆垛机立柱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置，包括激光源点模块1、摄像头2、主控模块3、以太网模块4、电源模块5 和显示模块6，如图2所示，所述激光源点模块1固定设置在堆垛机7底板下方，所述摄像头2固定设置在堆垛机立柱支架3上并且其成像中心正对所述激光源点模块1，用于采集激光源点模块1发出的光斑图像，并发送至所述主控模块3，所述主控模块3用于接收摄像头2采集的光斑图像，并根据光斑图像中的光斑坐标，计算得到堆垛机运动垂直方向位移；所述以太网模块4用于将所述主控模块计算得到的位移值发送至上位机8，所述显示模块6用于实时显示数据，所述电源模块5用于给装置供电。

具体地，本实施例中，所述主控模块3还用于控制摄像头的工作参数；所述以太网模块4还用于接收上位机8发送的控制信息并发送至所述主控模块3。也就是说，主控模块通过以太网模块接收外部PC（监控计算机）的以太网指令，控制摄像头的工作模式和扫描。

具体地，本实施例中，摄像头采用具有500万像素的自动变焦工业摄像头模块，其支持曝光、白平衡、色度、饱和度、对比度等众多参数设置，及JPEG/RGB565格式输出。2.主控模块U4：采用STM32F407核心板实现，其包含按键和LED指示灯。用于设置摄像头工作参数，接收摄像头采集数据；计算激光源点坐标信息，并将其发送至以太网模块 ；同时接收和处理来自以太网模块及外部按键的控制信息；并将需要显示的数据传输至显示模块。激光源点模块采用红色激光。

具体地，本实施例中，所述主控模块3计算得到堆垛机运动垂直方向的水平面位移的具体方法包括以下步骤：

S1当堆垛机在需要监测的行程的中间高度行程静止时（堆垛机下部和摄像头的高度差，存在最小工作距离限制），微调摄像头的水平位置，让堆垛机下方的激光点，在摄像头成像的中心位置（光斑图像的圆心在照片的中心），将光斑圆心坐标作为参考位置，这样可以保证整个高程的过程中，图像中的激光光斑都在图像的中心附近，便于计算以及不同堆垛机设备之间的偏移程度。理论上，如果堆垛机没有发生运动垂直方向的位移，那么摄像头成像中的激光光斑将始终处于成像的正中心。摄像机具备自动对焦功能，可以在整个高程，清晰成像。

S2对整个堆垛机的监测垂直高程，进行分段静止标定（段数越多，整个高程的整体精度就越高）：在不同的堆垛机高程下，控制摄像仪采集光斑图像，标定图像中光斑的圆心坐标，同时计算光斑尺寸；同时根据光斑尺寸和对应像素值，得到当前堆垛机高程下每个像素元对应的空间尺寸。在不同的高程下，激光光斑会略微有所不同，通过分段标定，可以基本消除激光光斑变化的影响。通过分段标定多个位置Hm的光斑圆心坐标（Xm，Ym），则可以通过线性拟合或最小二乘法拟合，可以标定得到所有高程处的光斑圆心坐标（X,Y）。

S3当堆垛机工作时，对堆垛机底部的光斑成像，首先根据激光光斑的像素尺寸，计算出堆垛机的当前运动高程H值；然后依据分段高程标定的堆垛机静止时光斑圆心位置（在摄像头成像中），通过差值计算，得到当前光斑的圆心偏移距离；再依据当前高程下，每个像素点对应的实际空间距离，得到堆垛机运动垂直方向位移大小和方向。

具体地，本实施例中，主控模块3控制摄像头2根据设定参数采集光斑图像的具体方法为：控制摄像头的视觉放大系统，使其采集光斑图像时，光斑图像所占有的像素值保持恒定。

本发明的工作原理如下：

假定：标定时，当前运动高程H下的激光光斑圆心坐标是（X ，Y），光斑直径是R ；前一标定点的堆垛机高程是H_i ，光斑直径是R_i ; 后一标定点的堆垛机高程是H_j ，光斑直径是R_j （随着堆垛机高程的增加，光斑尺寸基本线性递减）。假定H_j低，而H_i高 。

当前运动高程H的表达式为：

（1）

由于已经标定了多个高程下的光斑圆心位置，则当前运动高程H下的激光光斑理论圆心位置（X₀ ，Y₀），可以通过之前的分段标定数据，进行曲线拟合计算得到（拟合算法众多，例如：最小二乘法等，这里不再赘述）。

激光光斑在垂直于堆垛机高程方向的水平面的位移矢量为：

r =（X —X₀ ，Y —Y₀） ； （2）

这个位移矢量r的单位是像素（pix）。而每个像素，对应的实际空间距离，如下计算。

堆垛机底部的激光光斑在摄像头中成像，因为激光光斑实际物理尺寸L（mm）已知，根据其在成像中的像素尺寸N（pix）（分段校准），加以摄像头视觉镜头倍数F，可以倒推计算出：成像中一个像素，对应的空间距离p，校准值为P⁰，单位：mm /pix 。

空间距离的计算公式为：

（3）

假设摄像头成像分辨率：2500*2000；控制其视觉放大系统（与堆垛机运动距离成比例关系，堆垛机越远，放大倍数越大），可保证激光光斑在成像中，水平及垂直直径，占有像素大于200点。激光光斑尺寸，本实施例中为2mm，摄像头视觉倍率8倍。可以计算得出：成像中，每个像素点的分辨率，对应实际空间的0.08mm ，鉴于摄像头的非线性精度、激光光斑的尺寸误差等，实际精度可以达到±1mm 。当目标物体即堆垛机发生视觉平面（垂直于堆垛机运动方向）的小幅度位移时，成像中的激光光斑，也将随之位移，根据光斑圆心的位移像素和方向，和之前计算出的每个像素点的分辨率，对应实际空间的0.08mm，可以计算出光斑在实际空间中的位移矢量的空间距离。

此外，本实施例提供的一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置，还包括报警模块，所述报警模块与主控模块3连接，所述主控模块3还用于在位移量超过安全阈值后，控制所述报警模块报警，并将位移方向和大小显示在所述显示模块6上。当此位移量超出安全阈值后，系统将发出警示信号，并通过显示模块给出危险位移的方向。

具体地，本实施例中，所述电源模块5包括第一电源转换模块，第二电源转换模块和第三电源转换模块，如图4所示，所述第一电源转换模块用于将外接电压转化为24V直流电压，如图5所示，所述第二电源转换模块用于将24V直流电压转化为5V直流电压，如图6所示，所述第三电源转换模块用于将5V直流电压转化为3.3V直流电压后给所述摄像头2和主控模块3供电。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置，其特征在于，包括激光源点模块（1）、摄像头（2）、主控模块（3）、以太网模块（4）、电源模块（5） 和显示模块（6），所述激光源点模块（1）固定设置在堆垛机（7）底板下方，所述摄像头（2）固定设置在堆垛机立柱支架（3）上并正对所述激光源点模块（1），用于采集激光源点模块（1）发出的光斑图像，并发送至所述主控模块（3），所述主控模块（3）用于接收摄像头（2）采集的光斑图像，并根据光斑图像中的光斑坐标，计算得到堆垛机运动垂直方向位移；所述以太网模块（4）用于将所述主控模块计算得到的位移值发送至上位机（8），所述显示模块（6）用于实时显示数据，所述电源模块（5）用于给装置供电；

所述主控模块（3）计算得到堆垛机运动垂直方向位移的具体方法包括以下步骤：

S1、当堆垛机在需要监测的行程的中间高度行程静止时，微调摄像头的水平位置，让堆垛机下方的激光点，在摄像头成像的中心位置；

S2、对整个堆垛机的监测垂直高程，进行分段高程标定：分段采集堆垛机位于多个不同垂直高程处时的光斑图像，标定不同高程下图像中光斑的圆心位置，并根据拟合算法计算得到所有高程下的光斑圆心位置；同时根据光斑尺寸对应的像素值，得到每个像素元对应的空间尺寸；

S3、当堆垛机工作时，控制摄像头根据设定参数采集光斑图像，计算得到光斑的圆心位置和光斑像素尺寸；依据分段高程标定得到的堆垛机静止时对应高程下的光斑圆心位置，计算得到当前光斑的圆心偏移距离；再依据当前高程下，每个像素点对应的实际空间距离，得到堆垛机运动垂直方向位移大小和方向。

2.根据权利要求1所述的一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置，其特征在于，所述主控模块（3）还用于控制摄像头的工作参数；所述以太网模块（4）还用于接收上位机（8）发送的控制信息并发送至所述主控模块（3）。

3.根据权利要求1所述的一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置，其特征在于，所述电源模块（5）包括第一电源转换模块，第二电源转换模块和第三电源转换模块，所述第一电源转换模块用于将外接电压转化为24V直流电压，所述第二电源转换模块用于将24V直流电压转化为5V直流电压，所述第三电源转换模块用于将5V直流电压转化为3.3V直流电压后给所述摄像头（2）和主控模块（3）供电。

4.根据权利要求1所述的一种堆垛机运动垂直方向的小幅度位移检测装置，其特征在于，还包括报警模块，所述报警模块与主控模块（3）连接，所述主控模块（3）还用于在位移量超过安全阈值后，控制所述报警模块报警，并将位移方向和大小显示在所述显示模块（6）上。

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