JPH0361803A - コイル位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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＃（
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間１［、Ｔ
ｈ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拠案され
ている。

（高嶋和夫；　ＩＴＶカメラ２台（こよる三角測量方式
でコイル位置を検出、センサ技術Ｖｏ１２゜＆１０．Ｐ
、７４〜Ｐ、７ｇ） 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ＩＥ！潤すると
帯状に明るく光る部分ＰＡ、Ｐ、がＩＩ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±ｘ８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θＡ、θ。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四側のみの光源３でコイル４を
照明し、同側のＫＴＶ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ば点
ＰＡ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ＰＡ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０′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ｖ０（ξ。、η。）
からコイル４の中心を通過する直４１１ａとＩＴＶカメ
ラ光軸との間のズレ角６ｈξｐＱｈヮが次の（１）式に
より求まる。

一１ηＯ ａ　　　＝自鵬　□ Ａη　　　　ｆ 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値となる。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入
ξ、αＡ、を加味して直＠ａの方程式を と表わし得る。ここでｘＦＩ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（６）側の光源とＩ
ＴＶ系により直線すの方程式をを得る。コイル４の円筒
中心Ｐ（ｘＰ、　）’ｐｐ　ｚｐ）は［＠ａ、ｂの交点
であルノテ（２）、（３）式を連立させて解くと次式を
得る。

とこで０１．ｘ７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αＡξ、αＡヮ、αＢξｐａＢヮは前述した
方法で求まるので、コイル中心位置Ｐ（ｘＰ。

Ｙｐｐ　ｚｐ）が算出できろ。

実際のクレーンにおいてｘＰは横行、ｙｐ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、上記の各位
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ろ情報は、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。

く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
複数個の３次元位置座標データを求めそれらよりコイル
の重心位置。

半径、輻、傾きを計算する演算装置と、を備えることを
特徴とする。

く作　　　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−）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０としてクレ
ーンの走行方向を２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＠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２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＃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ｙｉを次式で計算できる。

ｙ、＝Ｃ１ｍ　（θ−α）（５） ここで、Ｃば、ＴＶカメラｌ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−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、検出したスリーブ像のＺ方向の両端をｐ、、ｐ２
εし、それぞれの座標データをＰ。

（ξ１．η、）、Ｐ２（ξ１　η２ンとする。これは、
コイルの幅方向の両端のエツジに相当する。

Ｐｌ、Ｐ２に対応するｘｙｚ３次元空次元空間座標点上
Ｑ！（”Ｉｓ　Ｊｐ　”１）　ｐ　Ｑ２　（ｘ２．”ｊ
２ｐ　”２）とすると、Ｑ１叫の３次元座標域分は、三
角２１１１１の原理よりｐ４．ｐ２で表現できる。

Ｑ、　ｘ１＝３（レーザースリット光源の位置）ｙ　１
＝　ＣＪｍ　（θ−ａ、） ２ｘ２−８ ｙ２＝Ｃｍ　（θ−α２） ここで、ｂｉｉａ＝ｆ　　ｆはレンズの焦点距離でｆ′ 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
向の両端のエツジ上の点の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方のエツ
ジ上の点をＱｔ’　Ｑｔ’　ｐ　Ｑｔ’・・・とし、も
う一方のエツジ上の点をＱ２．　Ｑ、’　、　Ｑ２’・
・・とする。

各々のエツジ上の点に対して、平面の方程式 ％式％（７） （ （８） と球の方程式 （ｘ−ｘｌ。）　２＋（ｙ−ｙ、。）　２＋（ｚ−ｚ、
０）　”＝＝ｒ、０（９１（ｘ−ｘ２゜）”＋（ｙ−ｙ
、。）　２＋　（ｚ　−ｚ　２ｏ）　”＝　ｒ２ｏ’　
　Ｑ呻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）式と開式を
それぞれ連立して解くと、コイルの幅方向のエツジ（円
）の方程式が得られろ。いま、求めた、円の方程式の中
心をそれぞれ（”ｏｓＹｏｐｚｏ）　と　（ｘｏｊ　ｙ
ｏｌ　”。’　）、半径をｒｏとｒ０／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、ｐｇ　ｙ　
ｐ　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ψ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
記コイル位置検出ヒ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１
５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、
スリット光を投射すると、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ツジ（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図に示すエツジＱ１１　Ｑｌ’　
ＩＱ、’　、　Ｑ、、　Ｑｇｌ’　、　Ｑ２’が得られ
第７図（ａ）　ニ示す如き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、コイル幅方向エツジは
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りとコイルの傾きψにより、 Ｌ＝−Ｑｌ 慟ψ で表現できる。このとき、長さＬの中点の座標をＡ　（
ｘｏ、　ｙ、　ｚｏ）とおく　　（ｙは任意）。

次にコイルの存在するＸ軸上の位ｗｘ１において、トロ
リーを停止し、Ｘ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
を抽出しく最低４個以上）、ニュートンラフリン法等を
利用してだ円の方程式 のパラメータＹ０ｐ　ｚｏｐ　”ｐ　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ψは次式で与えられる。

（ト）ψ＝τ　　　　　　　　　　　　　　ａ呻さらに
、コイルの輻りは、（ｒ＝８）式より、 Ｄ＝Ｌ（ト）ψ　（Ｌは測定値）（１乃で与えられる。

一方、コイルの重心Ｇは次のようにして得られる。第１
１図より、ＸＺ平面においてコイルの重心Ｇ（ｇ、ｇ、
）は、点Ａを含み傾き−」の直線と点Ｂを含み傾き、−
ψ 一ψの直線の交点として与えられる。

（ｚ−ｚ、）＝−ψ（ｘ−ｘ、）　　　　　　　　　　
　　α１従ってＱｌ（１１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。

Ｑ＝ｇ＝ｙ （２） 以上により、コイルの重心Ｇ２幅り、半径ｒ、傾きψ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Ｘ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↓りと、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
穣位置（ｘｐ　ｙｐ　ｚ）を求める座標変換装置、１１
は演算装置で、トロリー１３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ツジ上の点の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、ｙ−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、輻り、傾き、−ψ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（こ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Ｘ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。■メーザ
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。

（ことのきは、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。

）モの高さデータがトレーラ−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ツジの
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に搭載する。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
ト光を鉛直下向艶に照射させる。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Ｍ７で映像信号をＡ−Ｄ変換し、二
値化袋Ｆ！１８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（η１ξｌ）を演算し、その位置に対応する
、対象物の３次元位置塵＊　（ｘ　ｐ　ｙ’ｐ　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．ξ、）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ｇｌｈは次式で
与えられる。

ｈ＝ｃｔａｍ（θ−ａ　）　　　　　　　　　　　　（
２１）従って対象物の３次元位置座標は、 ｘ／　−（横行位置検出装置の出力） 、ｙ’　＝ｈ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　（２２）２′＝（横行位置検出装置の出力） で与えられろ。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ａｌり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１６ｂによりレーザースポット光の軌跡がＸ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、（１
！１〜０！１式に相当する演算を実行し、コイルの重心
位置Ｇ、半径ｒ２幅り、傾きψ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＃
９１！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２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
、−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（ａｌ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）　　コイルの中心位口座ｆＩＡｔ！けでなく、コ
イル半径２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−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ａｍ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。 三菱重工業株式会社 ｆｐ理士 （他１名） 第 １ 図 一実施例 第２図 他の実施例 第３図 従来の位置検出の原理 第 図 第 ７ 図 （ａ） （ａ） 第 図 弔 ０ 図 （０） ×軸の位置データ 第 １ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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個の３次元位置座標デー
   タを求めそれらよりコイルの重心位置、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。