JP2706318B2

JP2706318B2 - コイル位置検出装置

Info

Publication number: JP2706318B2
Application number: JP1149407A
Authority: JP
Inventors: 則幸川田; 智國光; 五雄村田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1989-04-13
Filing date: 1989-06-14
Publication date: 1998-01-28
Anticipated expiration: 2013-01-28
Also published as: JPH0361803A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、製鉄所のコイル倉庫の天井クレーンの自動
（無人）運転化に適用されるコイル位置検出装置に関す
る。

＜従来の技術＞薄板鋼板をロール状に巻取ったコイルは、各製鉄工程
や出荷時の待ち時間に、倉庫に貯蔵されることになる。

最近このコイル倉庫にて作業の自動化のため、天井ク
レーンの自動（無人）運転化が進められており、従来困
難であった作業の管理を容易とし、生産性の向上や均質
化を図り、さらに、悪環境下での作業や危険作業，単純
作業から人間を解放できるという大きな効果を企図して
いる。

この場合、この天井クレーンの自動化にあたって問題
となるのは、従来運転手がクレーン機上に搭乗して行な
っているコイルのハンドリング作業である。

すなわち、ハンドリング作業にあって、目標コイルの
正確な置場と、置場内でのコイル位置とクレーン間の相
対的な位置関係などを明確にしないと、ミスハンドリン
グや荷振れを引き起こし、事故の発生にも結びつくこと
が問題である。また、コイルの倉庫への入庫方法として
トレーラによる場合には、トレーラの停車位置が変動す
るためコイル位置の管理精度が悪くなることも問題とな
る。

以上のような状況から、クレーンに対し所定コイルの
位置を正確に与えるセンサが要求されており、このため
従来、２台のITVによるコイル位置検出装置が提案され
ている。（高嶋和夫;ITVカメラ２台による三角測量方式
でコイル位置を検出，センサ技術Vol.2,No.10,P.74〜P.
78）この装置はコイルの有する円筒形状を利用したもの
で、２組のITVと光源の配置を工夫することにより、三
角測量方式でコイル中心の３次元位置を計測するもので
ある。そして、天井クレーンが事前に設定されたトレー
ラ停止位置に粗位置決めされており、その装置によって
コイル位置を検出し正確な位置決めを行なうことを目的
としている。

以下、第３図を基に従来の装置のコイル中心の３次元
位置の検出原理を説明する。

コイル４は、鋼板をロール状に巻いたものであり、そ
の形状は円筒状である。この円筒状コイル４の側面に点
光源３からの発散光を照射し、同方向より観測すると帯
状に明るく光る部分P_A,P_Bが観測できる。レンズ主点間
の中央である３次元座標系（X,Y,Z）の原点をＯと置
き、２組のITVカメラ１（レンズ系の主点）と光源３
（発光点）をＸ方向に±x_Rだけ互いに離して設置する。
ITVカメラ１の光軸は、原点Ｏからの垂線に対してθ_A,
θ_Ｂの角度をもつように初期設定する。

以上の構成において片方（Ａ）側のみの光源３でコイ
ル４を照明し、同側のITVカメラ１によりコイルを撮像
する。いま、コイル４の中心に向かって照射された光束
は点P_Aで法線方向からの入射光となるので、ふたたび同
光路に向かって反射され撮像係に対し正反射成分を与え
ることになる。したがって、ITVカメラ１の撮像面に
は、コイル表面P_Aの撮像位置に前述した反射パターン像
を得る。

ここで第４図に示すようにITVカメラでの撮像面にお
いて光軸位置Ｏ′を原点とする、座標系（ξ，η）で表
わすと、反射パターン像の中心位置V_O（ξ_O,η_Ｏ）から
コイル４の中心を通過する直線ａとITVカメラ光軸との
間のズレ角α_Ａξ，α_Ａηが次の（１）式により求ま
る。

この（１）式において、ｆはITVカメラ撮像レンズの
焦点距離を示す値であり固定軸となる。そこで全体の構
成を示す第３図に戻り、（１）式で得られるズレ角α
_Ａξ，α_Ａηを加味して直線ａの方程式をと表わし得る。ここでx_Rはレンズ系の主点位置を示す。
まったく同様の展開により他方（Ｂ）側の光源とITV系
により直線ｂの方程式をを得る。コイル４の円筒中心Ｐ（x_P,y_P,z_P）は直線a,b
の交点であるので（２），（３）を連立させて解くと次
式を得る。

ここでθ_A,x_Rは、それぞれITVカメラ１の光軸設定角
と同カメラのレンズ系の主点設定位置を示し、両者とも
既知の値である。またズレ角α_Ａξ，α_Ａη，α_Ｂξ，
α_Ｂηは前述した方法で求まるので、コイル中心位置Ｐ
（x_P,y_P,z_P）が算出できる。

実際のクレーンにおいてx_Pは横行、y_Pは巻上げ、z_Pは
走行の各方向に対応する。クレーンのハンドリング中心
と上記座標系の原点Ｏを合致させれば、上記の各値をそ
のままクレーン制御量として用いることができる。

＜発明が解決しようとする課題＞上述の従来技術はコイル位置検出には有用な方式であ
るが、なお、次のような（１）〜（３）に示す問題もか
かえている。

（１）光源３には倉庫内に一般照明用光源である水銀
灯と区別するためナトリウム灯を用い、TVカメラ１の受
光部でナトリウム灯の発光波長帯のみ選択受光する方式
を採用しているが、この受光は点光源からの発散光を利
用しているため、光強度が弱くなり、コイル４からの反
射パターン像と背景とのコントラストの差がなく反射パ
ターン像を抽出できないケースが生じ易い。

（２）従来の方式で得られる情報は、コイル４の中心
の３次元位置座標のみであり、ハンドリングの自動化に
おいて十分な情報量とは言い難い。すなわち、コイルハ
ンドリングの自動化には、コイル中心の３次元位置座標
の他にコイル４の傾き（xz平面上）やさらにはコイルの
外径や幅の情報も必要である。

（３）従来の方式では、あらかじめ、２台のTVカメラ
１の視野内にコイル４を設置する必要がある。これに対
して、コイルハンドリングを自動化するためには、まず
自立的にコイル４の位置を検出する機構が必要である。

＜課題を解決するための手段＞上述の目的を達成する本発明は、コイルに照射するレ
ーザー光を発するレーザー光源と、そのレーザー光の向
きを調節する１次元のスキャニングミラーと、対象物か
らのレーザー光の反射光を撮影するTVカメラとをコイル
ヤードの横行装置に搭載し、上記TVカメラの映像信号を
デジタル化するＡ−Ｄ変換器と、このデジタル化した映
像信号よりレーザー光の反射光を抽出する二値化装置
と、この抽出したレーザー光の反射光の重心位置を求め
三角測量の原理より対象物の３次元位置を検出する座標
変換装置と、上記横行装置を移動させて上記対象物上の
複数組のエッジの３次元位置座標データを求めてこの座
標データを円又はだ円の方程式に代入してこの方程式か
らコイルの重心位置，半径，幅，傾きを計算する演算装
置と、を備えることを特徴とする。

＜作用＞第５図（ａ）に本発明の装置を設置したコイルヤード
の概念図を示す。コイルヤードにおけるコイルハンドリ
ングとは、トラック（トレーラー）の専用荷台15によっ
てコイルヤード内に運ばれたコイル４をクレーンで持ち
上げて所定の位置に積み降ろすことである。本発明で
は、コイルヤードにおいて任意の位置を原点Ｏとしてク
レーンの走行方向をｚ軸、横行装置（トロリー）の横行
方向の軌道上をｘ軸、巻き方向をｙ軸としたxyz3次元直
交座標系を設定する。また、第６図に示すようにTVカメ
ラの受光面に対してξ−η２次元直交座標系を設定す
る。

レーザースリット光源６は、例えばレーザー光源と１
次元のスキャニングミラーにより構成でき、このたとえ
ば第５図（ｂ）に示すレーザースリット光源６とTVカメ
ラ１は、第５図（ａ）に示すようにＸ方向に移動するト
ロリー13に搭載される。また、この搭載にあたって、レ
ーザースリット光源６のスリット光は、鉛直下向きに照
射されるのみならず、スリットによる像がｚ軸と平行に
なるように取付けられる。

第６図に、レーザースリット光源６とTVカメラ１及び
コイル４との光学配置を示す。第６図（ａ）の如くレー
ザースリット光源６より発したレーザー光はコイル４に
より反射されてTVカメラ１の受光面に入射する。従っ
て、このときの入射角度αを検出すれば、三角測量の原
理により、レーザー光が反射した地点の距離y₁を次式で
計算できる。

y₁＝C_tan（θ−α）（５）ここで、Ｃは、TVカメラ１とレーザー光源の距離、θ
はカメラの取付角度である。コイルヤードにおいて、ト
レーラーによりコイル４が搬入される位置は決まってい
るので、その位置の上方にトロリーの軌道を設置し、ト
ロリーを移動させて高さ情報をモニターすればコイル位
置が検出できる。

次にコイルを検出したら、１次元スキャニングミラー
を作動させスリット光源として、コイルをTVカメラ１で
撮影する。すると、第７図に示すように、１個または複
数個のスリット像が得られる。複数個のスリット像が得
られたときは第６図（ｂ）の如く座標データξが最も大
きいスリット像を選択する。これはTVカメラで撮影する
視野において、コイルが最も地上から高く、TVカメラの
撮像面ξ−η座標系においてξ座標の値が地上からの高
さに対応するためである。

いま、検出したスリット像のＺ方向の両端をP₁,P₂と
し、それぞれの座標データをP₁（ξ₁,η_１）、P₂（ξ₂,
η_２）とする。これは、コイルの幅方向の両端のエッジ
に相当する。P₁,P₂に対応するxyz3次元空間座標系上の
点をQ₁（x₁,y₁,z₁）,Q₂（x₂,y₂,z₂）とすると、Q₁,Q₂の
３次元座標成分は、三角測量の原理よりP₁,P₂で表現で
きる。

ここで、ｆはレンズの焦点距離である。次にトロリーを移動させ
ることにより、スリット像の位置を移動させて、同様の
方法によりコイルの幅方向の両端のエッジ上の点の３次
元位置座標を複数個（最低３組以上）取得する（第７図
参照）。いま１方のエッジ上の点をQ₁,Q₁′,Q₁″…と
し、もう一方のエッジ上の点をQ₂,Q₂′,Q₂″…とする。

各々のエッジ上の点に対して、平面の方程式と球の方程式（ｘ−x₁₀）^２＋（ｙ−y₁₀）^２＋（ｚ−z₁₀）^２＝r₁₀
² （９）（ｘ−x₂₀）^２＋（ｙ−y₂₀）^２＋（ｚ−z₂₀）^２＝r₂₀
² （10）のパラメータを求め（例えばニュートンラフリン法を適
用）、（７）式と（９）式、（８）式と（10）式をそれ
ぞれ連立して解くと、コイルの幅方向のエッジ（円）の
方程式が得られる。いま、求めた、円の方程式の中心を
それぞれ（x_O,y_O,z_O）と（x_O′,y_O′,z_O′）、半径をr_O
とr_O′とすると、コイルの半径ｒは、で与えられる。また、コイルの重心Ｇ（g_x,g_y,g_z）は、で与えられる。また、コイルの幅をＤとすると、で与えられる。さらにコイルのｘ軸に対する傾きは次
式で与えられる。

本発明者は上述の位置検出に更に改良を重ねた結果、
上記コイル位置検出として一層有効な装置を提供する。
すなわち、トレーラによりコイルヤードに搬入されたコ
イル４につき、円の方程式が得られないことが生じない
ように改良を重ねている。第８図に示すようにトレーラ
の専用荷台15の長手方向に対してコイル４の中心軸の方
向が垂直になるようにコイル４がトレーラの専用荷台15
に設置されているときは有効であり問題はないのである
が第９図に示すように、トレーラの専用荷台15の長手方
向に対してコイルの中心軸の方向が平行になるようにコ
イル４がトレーラの専用荷台15に設置されるときには、
コイル位置が検出できないことがある。これは、スリッ
ト光が投射すると、複数組の径方向の３次元位置座標デ
ータが得られるが、これらのデータでは、コイルの幅方
向の両端のエッジ（円）の方程式が得られないためであ
る。第８図の状態では第７図に示すエッジQ₁,Q₁′,
Q₁″,Q₂,Q₂′,Q₂″が得られ第７図（ａ）に示す如きｘ
軸に対する高さ（ｙ軸）データが得られるが、第９図の
如くコイルの軸とｘ軸方向とが同方向にそろう場合等に
は、コイル幅方向エッジは得られない。

したがって、まずトロリーをｘ軸方向に移動させてｘ
軸方向の高さデータを得て、第10図（ａ）のような波形
を得る。この場合、専用荷台15の高さは規格化されてい
るので、専用荷台より高いデータは、コイルの高さデー
タと判断してよい。従って、このコイルの高さデータに
相当するｘ軸の位置データの区間の長さＬは、第11図の
如くコイルの幅Ｄとコイルの傾きにより、で表現できる。このとき、長さＬの中点の座標をＡ
（x_O,y,z_O）とおく（ｙは任意）。

次にコイルの存在するｘ軸上の位置x₁において、トロ
リーを停止し、ｚ軸方向に対する高さデータを取得する
と、第10図（ｂ）に示すようなデータが得られる。この
うち、上記と同様にコイルに相当する高さデータのみを
抽出し（最低４個以上）、ニュートンラフソン法等を利
用してだ円の方程式のパラメータy_O,z_O,a,bを決定する。すると、a,bのう
ち、値の小さいほうがコイルの半径ｒに相当する。第11
図よりａ＜ｂとなりｒ＝ａとなる。これは、コイルの形
状が円筒であり、それを径方向で切断するとその断面は
だ円になるためである。従ってコイルの傾きは次式で
与えられる。

さらに、コイルの幅Ｄは、（ｒ＝ａ）式より、Ｄ＝Ｌ_cos（Ｌは測定値）（17）で与えられる。一方、コイルの重心Ｇは次のようにして
得られる。第11図より、xz平面においてコイルの重心Ｇ
（g_x,g_z）は、点Ａを含み傾き−1/tanの直線と点Ｂを
含み傾き、tanの直線の交点として与えられる。

従って（17）（18）式を連立して解くと、コイルの重
心位置Ｇは次のように表現できる。

以上により、コイルの重心G,幅D,半径r,傾きが決ま
り、コイルの位置決めが行なえる。

＜実施例＞ここで、第１図を参照して本考案の実施例を説明す
る。第１図において、６はレーザースリット光源、１は
TVカメラ、７はTVカメラ１による映像信号をＡ−Ｄ変換
するＡ−Ｄ変換器、８は二値化処理してスリット像を抽
出する二値化装置、９はスリット像におけるコイル両端
の座標データ（η，ξ）を検出する端点検出装置、10は
トロリー13のＸ軸及びＺ軸に対する位置座標を検出する
横行位置検出装置14のデータと、撮像面上の座標データ
（η，ξ）により、x,y,z3次元空間上の座標位置（x,y,
z）を求める座標変換装置、11は演算装置で、トロリー1
3を移動させて上記処理を繰り返し、コイルの幅方向の
両端のエッジ上の点の３次元位置座標を複数組求め、そ
れらを基にコイルの幅方向の両端のエッジ（円）の方程
式のパラメータを計算し、それらのパラメータにより、
コイルの中心Ｇの３次元位置座標，コイルの半径r,幅D,
傾き,tanを得るものである。また、12は制御量送出イ
ンターフェースで計算結果を通信用のデータに変換する
装置である。

コイル位置検出に当っては、コイルヤードにおいて任
意の位置を原点Ｏとして、横行方向と平行な方向をｘ
軸、巻上げ方向と平行な方向をｙ軸、走行方向と平行な
方向をｚ軸とするxyz3次元直交位置座標系を設定する。
一方、レーザースリット光源６とTVカメラ１を対とした
撮像系をクレーンのトロリーまたは、クレーンとは独立
に横行移動可能な横行装置上にセットする。レーザース
リット光源６は、例えば、レーザースリット光源と走査
ミラーによって、走査ミラーを高い周波数で走査するこ
とによって実現できる。

コイルが搬入されたら、トロリー13を移動させながら
鉛直下方向の高さを検出する。（このときは、走査ミラ
ーはスキャンさせず、レーザースリット光が鉛直下向き
に照射される角度で固定する。）その高さデータがトレ
ーラーの専用荷台よりも高くなった地点より、走査ミラ
ーのスキャンを開始し、スリット光源とする。この開始
によりコイル幅両端のエッジの座標を求め、方程式のパ
ラメータを求め、このパラメータによりコイルの中心や
半径傾き等を得ることは前述のとおりである。

第２図は他の実施例である。同図にて、１はTVカメ
ラ、6aはレーザースポット光源、6bは１次元スキャニン
グ装置であり、トロリー13は搭載する。14は横行位置検
出装置で、13のトロリーのｘ及びｚ座標の位置を出力
し、座標変換装置10に入力する。まず、１次元スキャニ
ング装置6bの向きを調節し、レーザースポット光を鉛直
下向きに照射させる。トロリー13を移動させながら、TV
カメラ１でレーザースポット光の反射光を撮影し、AD変
換器７で映像信号をＡ−Ｄ変換し、二値化装置８で、映
像信号を二値化してレーザースポット光の反射光を抽出
する。次に座標変換装置10で、レーザースポット光の反
射光の重心位置（η₁,ξ_１）を演算し、その位置に対応
する、対象物の３次元位置座標（ｘ′,y′,z′）を三角
測量の原理で計算する。具体的には、レーザー光とカメ
ラ間の距離をＣ、カメラの取付角度をθ、レーザースポ
ット光の反射光の重心位置（η₁,ζ_１）に対応するTVカ
メラの光軸からの検出角度をαとすると、レーザースポ
ット光源から対象物までの距離ｈは次式で与えられる。

ｈ＝Ctan（θ−α）（21）従って対象物の３次元位置座標は、で与えられる。トロリーを移動させながら、第10図
（ａ）に示すデータを取得し、コイルに相当するデータ
の幅をＬとする。（第11図参照）次にトロリーの位置（ｘ座標）がコイルに相当するデ
ータの地点においてトロリーを停止し、１次元スキャニ
ング装置6bによりレーザースポット光の軌跡がｚ軸と平
行になるように走査して、第10図（ｂ）に示すデータを
取得する。すると、演算装置11において、（15）〜（2
0）式に相当する演算を実行し、コイルの重心位置G,半
径r,幅D,傾きを計算し、制御量送出インタフェース12
を経由してコイル位置データを出力する。

以上が本発明装置の他の実施例の構成の作用である。
なお、本発明の装置によると第９図に示すコイル配置の
みでなく、第８図に示すコイル配置においてもコイルの
位置決めが可能である。これは、レーザースポット光を
鉛直下向きに投射しながらトロリーを移動させると、第
10図（ｂ）に示す波形のデータが得られ、さらに、トロ
リーをコイルのデータに相当する地点で停止し、レーザ
ースポット光の軌跡をｚ軸と平行になるように走査する
と、第10図（ａ）に示す波形のデータが得られるためで
ある。

また、上記発明の装置において、トロリーを移動させ
ながら、第10図（ａ）に示す高さデータをとるとき常に
高さデータをモニタし、それが、コイルの高さに達した
とき（専用荷台の高さより高くなったとき）を検出し
て、一旦トロリーを停止し、15の１次元スキャニング装
置を駆動して第10図（ｂ）に示すデータをとり、再びレ
ーザースポット光の向きを鉛直下向きにしてトロリーを
移動させて、第10図（ａ）に示すデータを続けて取ると
いう手順も考えられる。このようにすると、トロリーを
後もどりさせる必要がなくなり、上述に比べ時間を節約
した効率的な位置決めが可能になる。

＜発明の効果＞以上説明したように、本発明によれば次の効果があ
る。

（１）三角測量による高さ検出によりコイルの存在の
有無を自立的に確認できる。

（２）光源にレーザー光源を採用したので、背景との
S/Nが向上し、処理の信頼性が増した。

（３）コイルの中心位置座標だけでなく、コイル半
径，幅，傾きの情報が得られるので、コイル位置決めの
信頼性が向上した。

しかも、トレーラーに対するコイルの配置に関係なし
に自動的にコイルの位置決めが可能となり、全てのコイ
ルヤードにおける天井クレーンの自動運転化を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図は本発明の二つの実施例のブロック図、
第３図は従来のコイル位置検出の原理図、第４図は従来
のコイルと反射パターン像との関係図、第５図（ａ）
（ｂ）は本発明に係るコイルヤードの概念図とトロリー
の説明図、第６図（ａ）（ｂ）は本発明の実施例のコイ
ル位置検出の原理図、第７図（ａ）（ｂ）は取得データ
の説明図、第８図，第９図はコイルヤードにおける専用
荷台上のコイルの配置図，第10図は、本発明の装置が取
得する高さデータの波形図、第11図は本発明の装置にお
けるコイルヤードに設置した座標系とコイル位置の検出
量の関係図である。図中、１はTVカメラ、４はコイル、６はレーザースリット光源、 6aはレーザスポット光源、 6bはスキャニングミラー、 10は座標変換装置、 11は演算装置、 13はトロリー、 14は横行位置検出装置である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−292377（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−88102（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−6810（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−101379（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】コイルに照射するレーザー光を発するレー
ザー光源と、そのレーザー光の向きを調節する１次元の
スキャニングミラーと、対象物からのレーザー光の反射
光を撮影するTVカメラとをコイルヤードの横行装置に搭
載し、上記TVカメラの映像信号をデジタル化するＡ−Ｄ変換器
と、のデジタル化した映像信号よりレーザー光の反射光
を抽出する二値化装置と、この抽出したレーザー光の反
射光の重心位置を求め三角測量の原理より対象物の３次
元位置を検出する座標変換装置と、上記横行装置を移動
させて上記対象物上の複数組のエッジの３次元位置座標
データを求めてこの座標データを円又はだ円の方程式に
代入してこの方程式からコイルの重心位置、半径、幅、
傾きを計算する演算装置と、を備えることを特徴とする
コイル位置検出装置。