CN112581425B - 一种专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法及应用 - Google Patents

一种专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于鱼雷罐车罐体倾角探测与倾动控制技术领域，公开了一种专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法及系统，利用机器视觉测量方法对鱼雷罐车罐体的倾角进行检测，通过高分辨率相机与倾角传感器相结合的非接触测量方式全程监控罐体姿态及倾动状况；利用工控机内的专用软件在线处理高分辨率相机的图像，计算图像中鱼雷罐车罐体的旋转角度；当旋转角度或速度大于阈值时，软件将产生声光报警信号。本发明采用连续角度测量方法，实时连续地测量罐体倾角，保证在倾动和运输过程中的倾角控制和监测需要，配合以PLC为主控制器的倾动控制设备，可以精确控制罐体起止角度，倾倒速度，最大程度保证倾动作业的安全性和可靠性。

Description

一种专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法及应用
技术领域
本发明属于车辆罐体倾角探测与倾动控制技术领域，尤其涉及一种专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法及应用。
背景技术
目前，最接近的现有技术：近几年冶金行业发生的安全问题一般都是重大事故，爆炸、喷溅、倾翻、泄露等高温熔融金属作业事故一旦发生，都会造成巨大经济损失甚至人员伤亡。
高温熔融金属专用运输车辆倾翻事故主要发生在翻转与运输作业两个环节，翻转时，因车辆定位、倾角控制等问题，导致金属液体未准确流入指定位置，导致事故发生。当前针对专用运输车辆研究主要集中在电气系统上，但是高温、重载、粉尘环境下罐体倾动防倾翻与车辆脱轨防倾翻监控与预警研究尚未见报道。
以钢铁行业为例，针对翻转作业，鱼雷罐车的左右倾翻限位通常采用主令控制器实现，在反复多次出受铁过程中，由于主令控制器磨损容易出现限位失灵，导致倾翻过度而发生恶性生产事故。特别是铁水罐有轨车辆进入厂房，到达受水点铁水罐翻转倒水过程中倾角探测和控制问题，是目前高温熔融金属转运作业中自动化程度不高和存在安全风险的工作节点。虽然在倾倒铁水的过程前已经疏散工作人员，但倾翻、泄露等事故依然对附近人员构成巨大安全威胁。因此，亟需一种专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法，以弥补现有技术空白。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前罐体翻转作业主要采用主令控制器对鱼雷罐车翻转限位。长期重复翻转过程中，主令控制器容易引发限位失灵，会导致罐体翻转过度，继而演变成生产事故。目前研究主要集中在电气系统上，但是高温、粉尘环境下罐体倾动防倾翻监控与预警研究尚未见报道。
解决上述技术问题的难度：在罐体高温环境下，采用非接触方式精确测量罐体转动倾角。
解决上述技术问题的意义：在高温环境下，采用非接触式倾角探测技术实现对鱼雷罐车罐体翻转角度的实时精确测量，可以为罐体翻转作业监测和翻转角度控制提供精确数据，避免罐体翻转失控，最大程度保证倾动作业的安全性和可靠性，提升冶金行业安全监控和管理能力。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法及应用。
本发明是这样实现的，一种专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法，所述专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法包括以下步骤：
步骤一，将鱼雷罐旋转测量相机直接安装于前台车的待测雪花型加强筋的正前方，通过工业无线AP与调车机端的工控机进行图像传输，利用机器视觉测量的方法对鱼雷罐的倾角进行监测。
步骤二，利用工控机内的专用软件在线处理高分辨率相机的图像，计算图像中鱼雷罐罐体的旋转角度，并实时采集安装于混铁车车体的高精度倾角传感器的数据。通过高分辨率相机与倾角传感器相结合的非接触测量方式全程监控机车车身姿态及鱼雷罐的倾动状况。
步骤三，将步骤二得到的两组数据互为参照，计算出罐体相对地面或车体的旋转角度及速度。当旋转角度或速度大于阈值时，软件将产生声光报警信号。
进一步，步骤二中，所述罐体旋转角度采用二进制鲁棒不变尺度变换(BRISK)法来计算。先利用汉明距离进行一次筛选得到匹配点后，再选定匹配点间最小汉明距离作为参考值对一次匹配点进行二次筛选来提高配准点的准确度。将最终的匹配点结合最大类间方差法来求取罐体的旋转角度。
进一步，所述二进制鲁棒不变尺度变换算法的实现过程包括：
构建尺度空间，包括n个层ci以及n个内层di(i＝0,1,…,n-1)。c0层就是原图像，c1层是从c0层开始以2倍下采样获得，以此类推；内层d0由源图像1.5倍下采样得到，其余内层连续2倍下采样。若t表示尺度，则每层的尺度t(ci)＝2i，t(di)＝2i×1.5。计算每层的FAST得分，当中心像素p与周围相邻域内足够多的像素点相差很大时，可认为其为特征点。使高斯函数平滑采样点，采样点对(pi,pj)的平滑强度值分别设为(pi,σi)和(pj,σj)，则两点间的距离梯度：
Figure BDA0002745188940000031
定义短距离采样对的S子集和长距离采样对的L子集分别为：
Figure BDA0002745188940000032
其中，δmax与δmin为阈值上下限；
在集合L中计算关键点的模式方向为：
Figure BDA0002745188940000033
将坐标轴旋转到特征点的主方向，再次采样；在集合S中进行像素值比较生成二进制描述子。
对图像进行二值化处理，结合二值化图像中像素不为0的点为对象和图像中利用二进制鲁棒不变尺度变换法求得的匹配点的像素坐标，求得两部分的共有部分作为目标点对，利用源图像中任意两匹配点组成的直线的斜率k1对应在匹配图像中的两个点的斜率k2计算旋转角度，最终对所有求得的角度值利用三倍的标准差进行处理，将处理后的值作为最终的角度值。
进一步，所述罐体倾动防倾翻监控装备包含信号处理与控制计算机、千兆网高清相机、照明光源、串口继电器、交流继电器、交流接触器以及两组驱动电机构成。
所述设备采用基于数字图像处理的技术实现倾角探测，当倾角距离目标值较大时采用双电机同时连续驱动旋转的方式工作，当倾角在距离目标角度5°左右时，切换为单电机点动驱动模式，低速运转直至到位。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法的专用车辆罐体倾角探测与倾动控制器。
本发明的另一目的在于一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法。
本发明的另一目的在于一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供的一种专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法，利用机器视觉测量方法对鱼雷罐的倾角进行检测，通过高分辨率相机与倾角传感器相结合的非接触测量方式全程监控鱼雷罐车车身姿态及罐体的倾动状况，避免罐体倾动失效或不稳而引起针对机车存在的脱轨风险。
本发明采用连续角度测量方法，实时连续地测量罐体倾角，保证在倾动和运输过程中的倾角控制和监测需要，配合以PLC为主控制器的倾动控制设备，可以精确控制罐体起止角度，倾动速度，最大程度保证倾动作业的安全性和可靠性。
本发明将鱼雷罐旋转测量相机直接安装于前台车的待测雪花型加强筋的正前方，通过工业无线AP与调车机端的工控机进行图像传输，一方面排除了转弯偏摆的影响，另一方面去除了电缆连接，更加方便可靠。
附图说明
图1是本发明实施例提供的专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的测试图像。
图中：图(a)为原始图像；图(b)为灰度化图像；图(c)为旋转10°图像。
图3是本发明实施例提供的特征点提取与匹配图像。
图中：图(a)是特征点提取；图(b)是特征点匹配。
图4是本发明实施例提供的测试结果示意图。
图中：图(a)是测试图像2；图(b)是测试图像3。
图5是本发明实施例提供的旋转角度测量实验平台。
图6是本发明实施例提供的倾角测量及控制界面。
图7是本发明实施例提供的测量精度与目标旋转角度关系示意图。
图8是本发明实施例提供的倾角测量分辨率测试示意图。
图9是本发明实施例提供的罐体倾动防倾翻监控装备构成示意图。
图10是本发明实施例提供的鱼雷罐倾动角度控制逻辑示意图。
图11是本发明实施例提供的罐体倾动控制电路原理图。
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。
现有技术针对专用运输车辆研究主要集中在电气系统上，但是高温、重载、粉尘环境下罐体倾动防倾翻与车辆脱轨防倾翻监控与预警研究尚未见报道。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的一种专用车辆罐体倾角探测与倾动控制方法包括以下步骤：
S101：将鱼雷罐旋转测量相机直接安装于前台车的待测雪花型加强筋的正前方，通过工业无线AP与调车机端的工控机进行图像传输，利用机器视觉测量的方法对鱼雷罐的倾角进行监测。
S102：利用工控机内的专用软件在线处理高分辨率相机的图像，计算图像中鱼雷罐罐体的旋转角度，并实时采集安装于混铁车车体的高精度倾角传感器的数据。通过高分辨率相机与倾角传感器相结合的非接触测量方式全程监控机车车身姿态及鱼雷罐的倾动状况。
S103：将S102得到的两组数据互为参照，计算出罐体相对地面或车体的旋转角度及速度。当旋转角度或速度大于阈值时，软件将产生声光报警信号。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：专用车辆罐体倾角探测与倾动控制技术
1.1倾角探测与控制方案设计
通过利用机器视觉测量的方法对鱼雷罐的倾角进行监测，通过高分辨率相机与倾角传感器相结合的非接触测量方式全程监控机车车身姿态及鱼雷罐的倾动状况，避免因离鱼雷罐过近导致监测设备高温失效或不稳，从而引起针对机车存在的脱轨风险。
系统设计将鱼雷罐旋转测量相机直接安装于前台车的待测雪花型加强筋的正前方，通过工业无线AP与调车机端的工控机进行图像传输，一方面排除了转弯偏摆的影响，另一方面去除了电缆连接，更加方便可靠。工控机内的专用软件在线处理高分辨率相机的图像，计算图像中鱼雷罐罐体的旋转角度，并实时采集安装于混铁车车体的高精度倾角传感器的数据，两组数据互为参照可以计算出罐体相对地面或车体的旋转角度及速度，当旋转角度或速度大于阈值时，软件将产生声光报警信号。
1.2图像识别倾角计算方法
为了确保计算精度与速度，拟采用二进制鲁棒不变尺度变换(BRISK)法来计算罐体旋转角度，由于该方法匹配点精度较低，因此可以先利用汉明距离进行一次筛选得到匹配点后，再选定匹配点间最小汉明距离作为参考值对一次匹配点进行二次筛选来提高配准点的准确度。将最终的匹配点结合最大类间方差法来求取罐体的旋转角度。
构建尺度空间，包括n个层ci以及n个内层di(i＝0,1,…,n-1)。c0层就是原图像，c1层是从c0层开始以2倍下采样获得，以此类推；内层d0由源图像1.5倍下采样得到，其余内层连续2倍下采样。若t表示尺度，则每层的尺度t(ci)＝2i，t(di)＝2i×1.5。计算每层的FAST得分，当中心像素p与周围相邻域内足够多的像素点相差很大时，可认为其为特征点。使高斯函数平滑采样点，采样点对(pi,pj)的平滑强度值分别设为(pi,σi)和(pj,σj)，则两点间的距离梯度：
Figure BDA0002745188940000071
定义短距离采样对的S子集和长距离采样对的L子集分别为：
Figure BDA0002745188940000072
其中，δmax与δmin为阈值上下限；
在集合L中计算关键点的模式方向为：
Figure BDA0002745188940000073
将坐标轴旋转到特征点的主方向，再次采样；在集合S中进行像素值比较生成二进制描述子。
对图像进行二值化处理，结合二值化图像中像素不为0的点为对象和图像中利用二进制鲁棒不变尺度变换法求得的匹配点的像素坐标，求得两部分的共有部分作为目标点对，利用源图像中任意两匹配点组成的直线的斜率k1对应在匹配图像中的两个点的斜率k2计算旋转角度，最终对所有求得的角度值利用三倍的标准差进行处理，将处理后的值作为最终的角度值。
实施例2：图像识别倾角计算方法测试
测试图像如图2所示，图2(a)为原始图像；图2(b)为灰度化图像；图2(c)为旋转10°图像。特征点提取与匹配如图3所示，图3(a)是特征点提取，图3(b)是特征点匹配。测试结果如图4所示，图4(a)是测试图像2，图4(b)是测试图像3。
本发明通过多组实验图像仿真了并测试了该算法的测量精度，图2与图3为一组测试用例中的测量过程，软件首先将图像黑白化，然后分别提取初始图像与旋转图像中的特征点，在对特征点进行匹配，最后通过匹配关系换算出两幅图像之间的旋转角度。其测量结果如表1所示。
表1旋转角测量结果
Figure BDA0002745188940000081
在上述测试中，测试图像的分辨率均为500×500，分辨率并不是很高，从而可以在一定程度上确保计算过程能够在0.5s内完成。通过上述测试结果可以看出，该算法在应对不同图像、不同旋转角的过程中都能保证较高的测量精度，其平均测量精度水平在0.1°以内。
实施例3：图像识别倾角计算模拟实验测试
3.1测试环境
旋转角测量采用了如图5所示方法，其中精密旋转台台面作为被测对象。
精密旋转平台采用42步进电机驱动，通过外部步进电机驱动器精确控制旋转角度，其角度分辨率为0.000625°，远远高于罐体倾角测量的精度要求，能够作为理想参考目标。精密旋转台及驱动的参数如表2所示。
表2测试设备性能参数表
Figure BDA0002745188940000091
3.2倾角测量精度测试实验
(指标要求：倾角检测精度0.5°，倾角控制精度1°)
倾角测量精度取决于设备的测量均值及误差分布，由于鱼雷罐车的罐体倾动范围被限制在±120°范围内，因此，测试实验中通过仅对精密旋转倾角±120°范围内每隔20°的倾动状态进行了测量，并对分析采集到的数据精度及其噪声水平。图6所示为倾角测量及控制软件界面，测试数据参见表3与表4。
表3倾角测量数据(120°～0°)
Figure BDA0002745188940000101
Figure BDA0002745188940000111
表4倾角测量数据(-20°～-120°)
Figure BDA0002745188940000121
Figure BDA0002745188940000131
由表3与表4可以看出，设备对倾角的测量线性度很高，在±120°范围内测量均值的最大偏差不超过0.1度，全量程测量线性度在1‰以内，系统的测量精度若以标准差σ(置信度68％)考量，其全量程精度不低于0.166°，若以1.96σ(执行度95％)，其全量程精度不低于0.325度，若以3σ(置信度99.74％)其全量程精度不低于0.498°，能够满足设计指标的要求。图7所示为测量精度与目标实际倾角之间的关系，可见测量在0度附近精度最高，在全量程范围内，测量精度随倾角增大有所增加但是都在精度要求范围之内。
图8所示为倾角测量分辨率测试，精密旋转台以0.5°的角度间隔进行调整，在数据变化图中可以看到清晰的梯度变化，说明系统测量分辨率远大于0.5°。
此外在测试中，当采用CPU主频2.5GHz的CPU时，倾角测量软件的数据更新率约为122次/分钟(约2Hz)，由于鱼雷罐最大旋转角速度约0.9°/s，若在距目标角度较大时采用双电机驱动连续转动，角度较小时采用单电机驱动点动方式控制鱼雷罐体，该数据刷新率能够满足1°的控制精度要求。
实施例4：罐体倾动防倾翻监控装备
如图9所示，罐体倾动防倾翻监控装备包含信号处理与控制计算机、千兆网高清相机、照明光源、串口继电器、交流继电器、交流接触器以及两组驱动电机构成。设备采用基于数字图像处理的技术实现倾角探测，倾角测量精度可达到0.5°以上，CPU主频率大于2.5GHz时处理速度不低于2Hz。采用的串口继电器响应时间约10ms，380V固体继电器的响应时间约10ms，电磁式交流接触器的切换时间约0.3S；双电机驱动时鱼雷罐的最大转动速度约0.9°/s，可见系统整体控制切换时间约在0.5S以内。因此，为确保罐体转动控制精度在1°以内，设备采用了如图10所示的控制方式，当倾角距离目标值较大时采用双电机同时连续驱动旋转的方式工作，当倾角在距离目标角度5°左右时，切换为单电机点动驱动模式，低速运转直至到位。
图11所示为罐体倾动控制电路原理图。其中，控制计算机通过串口控制继电器1为所有的380V继电器提供控制电压，只要让继电器处于断开状态则所有380V继电器断开电机停转，同时串口继电器1具备闪断(继电器接通后一定时间内将自动断开)功能，可以实现电机点动功能；在此基础上控制计算机通过串口控制单刀双掷继电器2和串口继电器3切换电机1与电机2的正反转；电机的正反转控制采用了双路交流接触器，通过切换3相380V交流电中的其中两相的方式改变电机转动方向，由于前端继电器2与继电器3均采用了单刀双掷继电器，因此可以有效避免正反向同时通电的情况发生，防止回路短路，提高了设备的可靠性。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
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 (4)

1.一种车辆罐体倾角探测与倾动控制方法，其特征在于，所述车辆罐体倾角探测与倾动控制方法包括以下步骤：
步骤一，利用机器视觉捕捉罐体姿态，运用图像识别技术检测特征点，计算角度，实现对鱼雷罐车罐体的倾角监测；
步骤二，利用工控机内的软件，在线处理高分辨率相机的图像，计算鱼雷罐车罐体的旋转角度，并实时采集安装于车架的高精度倾角传感器的数据；通过高分辨率相机与倾角传感器相结合的非接触测量方式全程监控鱼雷罐车身姿态及罐体的倾动状况；
步骤三，将步骤二获得的鱼雷罐车罐体的旋转角度数据和车架的高精度倾角数据互为参照，计算出罐体相对地面或车体的旋转角度及速度；当旋转角度或速度大于阈值时，软件将产生声光报警信号；
车辆罐体倾角探测与倾动控制方法利用罐体倾动防倾翻监控装备进行倾角控制，所述罐体倾动防倾翻监控装备包含信号处理与控制计算机、千兆网高清相机、照明光源、串口继电器、交流继电器、交流接触器以及两组驱动电机构成；
所述罐体倾动防倾翻监控装备采用基于数字图像处理的技术实现倾角探测，当倾角距离目标值较大时采用双电机同时连续驱动旋转的方式工作，当倾角在距离目标角度5°时，切换为单电机点动驱动模式，低速运转直至到位。
2.如权利要求1所述车辆罐体倾角探测与倾动控制方法，其特征在于，步骤二中，所述罐体旋转角度采用二进制鲁棒不变尺度变换法来计算：
先利用汉明距离筛选匹配点，再以最小汉明距离作为参考，进行二次筛选；结合最大类间方差法计算旋转角度；
构建尺度空间，包括n个层ci以及n个内层di(i＝0,1,…,n-1)；c0层就是原图像，c1层是从c0层开始以2倍下采样获得，以此类推；内层d0由原图像1.5倍下采样得到，其余内层连续2倍下采样；若t表示尺度，则每层的尺度t(ci)＝2i，t(di)＝2i×1.5；计算每层的FAST得分，当中心像素p与周围相邻域内足够多的像素点相差很大时，为特征点；使用高斯函数平滑采样点，采样点对(pi,pj)的平滑强度值分别设为(pi,σi)和(pj,σj)，则两点间的距离梯度：
Figure FDA0003657899750000021
定义短距离采样对的S子集和长距离采样对的L子集分别为：
Figure FDA0003657899750000022
其中，δmax与δmin为阈值上下限；
在集合L中计算关键点的模式方向为：
Figure FDA0003657899750000023
将坐标轴旋转到特征点的主方向，再次采样；在集合S中进行像素值比较生成二进制描述子；
对图像进行二值化处理，结合二值化图像中像素不为0的点为对象和图像中利用二进制鲁棒不变尺度变换法求得的匹配点的像素坐标，求得两部分的共有部分作为目标点对，利用原图像中任意两匹配点组成的直线的斜率k1对应在匹配图像中的两个点的斜率k2计算旋转角度，最终对所有求得的角度值利用三倍的标准差进行处理，将处理后的值作为最终的角度值。
3.一种实施权利要求1所述车辆罐体倾角探测与倾动控制方法的车辆罐体倾动防倾翻监控装备。
4.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-2任意一项所述的车辆罐体倾角探测与倾动控制方法。
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