WO2010009570A1 - 一种起吊定位方法及起吊智能视觉系统 - Google Patents

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lifting
hook
image
cooperation
camera
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于起峰
张小虎
姜欣
桂阳
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Yu Qifeng
Zhang Xiaohu
Jiang Xin
Gui Yang
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/18—Control systems or devices
    • B66C13/46—Position indicators for suspended loads or for crane elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/18—Control systems or devices
    • B66C13/48—Automatic control of crane drives for producing a single or repeated working cycle; Programme control

Definitions

  • a lifting positioning method and lifting intelligent vision system are provided.
  • the invention relates to engineering fields such as tower cranes and cranes, as well as digital photogrammetry, digital image processing, computer vision and the like, and further relates to a lifting positioning method and a lifting intelligent vision system. Background technique
  • the lifting device As a heavy transport vehicle, the lifting device has been widely used in workshops, docks, warehouses, construction sites and the like.
  • lifting devices such as tower cranes
  • traditional control methods which require the staff to operate in a fixed operating room on the crane.
  • the operating distance is long, and the operator does not see the lifting of the cargo and the place where the goods need to be placed. It is not possible to hoist and place the goods accurately, and the cargo conveying process requires at least two people to complete, the cargo conveying rate is low, and the productivity is low.
  • the operating conditions of the crane operators are particularly harsh. The operators have long worked in the harsh environment such as the sun and sand. They have to withstand exposure to the sun and heat and cold. They are prone to fatigue, causing adverse reactions or diseases such as heat stroke, resulting in long driving operations. Not safe.
  • the technical problem to be solved by the present invention is that, in view of the deficiencies of the prior art, a lifting positioning method and a lifting intelligent vision system for implementing the method are proposed in combination with the dual image intersection photogrammetry method, and the camera measurement is applied to the lifting control system.
  • the high degree of digitization can meet the requirements of high reliability and intelligence of lifting and loading requirements, thereby greatly reducing the labor intensity of operators and improving work efficiency.
  • the technical solution adopted by the present invention is a lifting positioning method, which includes the following steps:
  • a camera device is mounted on each side of the beam of the lifting device, and a cooperation mark is mounted on the hook and the lifting ring of the object to be lifted;
  • the hook of the lifting device controlled by the controller automatically runs to the lifting ring of the lifting object and is automatically lifted.
  • a plurality of camera devices may be first installed at the top of the tower so that the field of view can cover a range of 360 degrees in the vicinity, and the cooperation device is captured by the tower top camera device.
  • the present invention also provides a lifting intelligent vision system for implementing the above lifting positioning method, comprising: an image capturing device respectively disposed on two sides of the lifting beam and a controller connected thereto, and the hook and the object to be lifted in the lifting device Cooperative signs are installed on the rings.
  • the lifting tower top or the top of the crane is further mounted with a plurality of camera devices.
  • the camera device is preferably a digital camera.
  • the cooperation logo may be a circle, a crosshair, or a apex shape.
  • the lifting positioning method and the lifting intelligent vision system of the invention can meet the requirements of high reliability and intelligence of lifting and loading requirements, thereby greatly reducing the labor intensity of the operator and improving the working efficiency; applying the method of the invention
  • the camera device is calibrated, and the mutual correspondence between the image point position and the space marker point position in the image is established, and the field of view of the camera device is covered by the field of view of the lifting object, so that in actual use, , high efficiency and good intelligence.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a lifting intelligent vision system in the embodiment
  • FIG. 2 is a cooperative marking point pattern in FIG. 1; wherein (1) is a circle, (2) is a crosshair, and (3) is a vertex angle;
  • the lifting device in this embodiment is a tower crane, and the scheme of the lifting intelligent vision system is shown in FIG. 1 .
  • ⁇ and c 2 are two cameras mounted on the beam with a common field of view
  • P 2 are rings mounted on the hook and the object to be hoisted, respectively.
  • FIG. 1 The lifting intelligent vision system that implements this method is shown in Figure 1.
  • a plurality of cameras C covering a range of 360 degrees are fixedly mounted on the top of the tower crane.
  • the angles of the cameras described above are fixed to the beams, and (:, C 2 is mounted on the beam.
  • P 2 is a cooperation mark installed on the hook and the lifting ring respectively;
  • the camera calibration method is used to establish the mutual correspondence between the image point position and the space marker point position in the image;
  • the tower crane coordinate system with the tower base as the origin 0, the direction of the beam is the X axis, the vertical direction is the Z axis, and the vertical XOZ direction is the Y axis;
  • the two cooperation mark points are obtained; and the space coordinates ( ⁇ , 0, ⁇ , ) in the coordinate system, ( ⁇ 2 , ⁇ 2 , z 2 .
  • ⁇ is the height difference between the hook and the sling
  • L is the horizontal distance between the two in the direction of the beam
  • ⁇ is the vertical plane of the beam to the vertical plane of the object Angle
  • the cooperation logo is shown in Fig. 2. It can be a circle, a diagonal shape, or a crosshair, or any other easily recognizable figure.
  • sub-pixel image localization is one of the advanced image processing methods that makes target positioning accuracy in images higher than the physical resolution of images.
  • the present invention can employ the following sub-pixel positioning techniques:
  • the basic idea is to make a template that can be adjusted. For each coarse positioning point, first determine the parameters of the template to be selected, select the most appropriate template, and use the selected template to perform correlation operations on the coarse positioning point and its neighbor points. The correlation coefficient fits the surface to determine the maximum relative position. 2. Adaptive Threshold Center of Gravity
  • a target area with a certain area can be extracted by a variety of image processing methods, and the gray scale center of gravity method is used to determine the target area by using the gray scale as the weight in the target area.
  • the gray center of gravity is used as the target position, and the Gaussian distribution template with adaptive threshold is used to track and locate the feature target.
  • the apex angle logo image has certain features, such as the diagonal region is bright or dark and the average gradation difference is small, the adjacent corner region is bright and dark, and the average gradation difference is large, and the four angular regions are respectively
  • the average gray level is significantly different from the average gray level of the entire area.
  • the average gray level of the center area is similar to the average gray level of the entire area.
  • the gray level difference between pixels in the same angle range is small, and the outer edge of the mark has an ellipse or an approximate ellipse. Exist, there are two step edges that intersect at the center.
  • the hardware device with the camera device and the personal computer (or DSP processor) as the core can be used with low degree of hardware, high degree of digitization and high degree of automation, and can be obtained by using a computer as a controller for the camera device. Image data is stored, copied, transferred, and automated.
  • Digital camera devices are easy to store and easy to implement post-processing numbers It is more suitable for analog cameras than digital cameras. Since the lifting equipment is accompanied by vibration during the operation of the crane. In order to ensure the normal working state of the camera device and correctly obtain the cooperative marker image, the camera device needs to be fixed on the lifting device.
  • PC computer or DSP processor can be used as the image storage and data processing device in the controller. Because the DSP processor is fast and easy to operate, it is more suitable for use in practical devices. When the camera is selected, the DSP processor can be designed according to the interface scheme of the camera.
  • the lifting device may be any one of the existing lifting devices, such as a tower crane or a crane in the embodiment, and no additional design is required.

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  • Automation & Control Theory (AREA)
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  • Control And Safety Of Cranes (AREA)

Description

一种起吊定位方法及起吊智能视觉系统.
技术领域
本发明涉及塔吊， 吊车等工程领域， 以及数字摄影测量、 数字图像处理、 计算机视觉等学科范围， 进一步是指一种起吊定位方法及起吊智能视觉系统。 背景技术
起吊装置作为一种重物运输工具， 已经广泛地应用于车间、 码头、 仓库、 建筑工地等场所。
目前， 起吊装置， 如塔吊大多采用的是传统控制方式的吊车， 需要工作人 员在吊车上的固定的操作室内操作， 操作距离远， 操作人员看不到起吊货物和 需要放置货物地方的情况， 因此不能将货物准确的起吊和进行放置， 而且货物 输送过程至少需要两个人才能完成， 货物输送率低， 生产率低。 此外， 吊车的 操作人员工作条件也特别恶劣，操作人员长期在太阳、风沙等恶劣环境下工作， 要经受暴晒和酷热及寒冷， 很容易疲惫， 产生中暑等不良反应或疾病， 造成长 时间驾驶操作的不安全。
近年来， 一些遥控、 视频监控等起吊装备的出现， 大大改善了操作人员的 工作环境， 使得操作人员只需在货物起吊需要地或专门的办公室进行作业。 但 起吊时还是离不开人的操作。
同时， 在科学出版社出版的 《基于图像的精密测量与运动测量》一书中， 提到了一种 "双像交会摄影测量方法"， 该方法指明： 在使用两台或多台摄像机 从不同的位置对目标拍摄的条件下， 各个摄像机的光心和像点组成的射线都应 该通过空间物点， 即各射线应在物点相交。 双像交会摄影测量方法利用这个原 理实现了对空间物点进行交会定位， 简称为线线交会。 发明内容
本发明要解决的技术问题是， 针对现有技术存在的不足， 结合双像交会摄 影测量方法提出一种起吊定位方法及实现该方法的起吊智能视觉系统， 将摄像 测量运用于起吊控制中， 系统数字化程度高， 可满足起吊装运要求高可靠度、 智能化的需要， 从而大大降低了操作人员的劳动强度， 提高了工作效率。
为达到上述目的， 本发明采取的技术方案是一种起吊定位方法， 包括如下 步骤：
a.在起吊装置的横梁两侧各装有一台摄像装置， 并在吊钩和待起吊的物 体的吊环上安装有合作标志；
b.控制横梁旋转，使得吊钩和吊环上的合作标志进入横梁两摄像装置的 视场内；
c.用所述横梁上的两个摄像装置对吊钩和吊环同时成像，然后自动提取 合作标志图像坐标并进行定位，运用双像交会摄影测量方法求得合作标志的 空间三维坐标，得到吊钩和吊环的空间三维坐标；根据吊钩和吊环的空间三 维坐标求得吊钩和吊环之间的高度差 H和二者在横梁方向的水平距离 L， 以及横梁所在垂直面到物体所在垂直面的角度 α ;
d. 通过以上求得的参数， 由控制器控制起吊设备的吊钩自动运行至起吊物 体的吊环处， 自动起吊。
作为优选方案， 在上述 a步骤中， 可以首先在塔顶安装若干个摄像装置， 使其视场能覆盖附近 360度范围， 并用所述塔顶摄像装置捕捉吊环上的合作标 志， 以确定起吊物体所在方位， 达到自动控制横梁旋转到相应位置的目的。 相应的， 本发明还提出一种实现上述起吊定位方法的起吊智能视觉系统， 其包括分别位于起吊横梁两侧的摄像装置和与之连接的控制器， 且起吊装置中 的吊钩和待起吊物体的吊环上分别安装有合作标志。 相应的优选方案是，所述起吊智能视觉系统中，还包括起吊塔顶或吊车顶部 还安装有多个摄像装置。 且所述摄像装置优选为数字摄像机。所述合作标志可为圆形、十字丝、或对 顶角形状。
由以上可知， 本发明所述的起吊定位方法和起吊智能视觉系统可满足起吊 装运要求高可靠度、 智能化的需要， 从而大大降低了操作人员的劳动强度， 提 高了工作效率；应用本发明方法时，只需起吊设备出厂安装时标定好摄像装置， 建立图像中像点位置和空间标志点位置的相互对应关系， 同时使摄像装置视场 覆盖起吊物品存在的范围即可， 因此在实际使用中， 效率高， 智能化程度好。 附图说明
图 1为实施例中起吊智能视觉系统示意图； 图 2为图 1中合作标志点样式； 其中 （1 ) 为圆形， （2) 为十字丝， （3 ) 为对顶角；
具体实施方式 以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。 本实施例中的起吊装置为塔吊，其起吊智能视觉系统方案图如图 1所示， 为安装在塔吊顶部的能覆盖 360度视场的摄像机， ς、 c2为安装在横梁上的拥 有共同视场区域的两部摄像机， 、 P2分别为安装在吊钩和待吊物体的吊环上 的合作标志。
本实施例所述起吊定位方法的详细步骤包括：
a.实现该方法的起吊智能视觉系统如图 1 所示。 在所述塔吊顶部固定安装 几部视场能覆盖 360度范围的摄像机 C， 以上所述的几部摄像机各自与横梁的 夹角固定已知， （： ,、 C2为安装在横梁上的拥有共同视场区域的两部摄像机，
P2分别为安装在吊钩和吊环上的合作标志；
b.所述塔吊在出厂安装时， 釆用摄像标定法， 建立图像中像点位置和空间 标志点位置的相互对应关系；
c 所述塔吊坐标系， 以塔基为原点 0， 横梁所在方向为 X轴， 竖直方向为 Z轴， 垂直 XOZ方向为 Y轴；
d. 用所述塔顶像机 C捕捉吊环上的合作标志 P2， 由捕捉到合作标志点的 位置， 即可确定起吊物体所在方位， 控制横梁旋转， 使得吊环合作标志 P2进入 横梁两像机 ς、 c2的视场内；
e. 用所述横梁上的两摄像机同时对两合作标志点 ^、 P2成像， 用亚像素图 像定位技术进行所述图像处理， 提取合作标志点 ¾、 P2的像点位置。
f. 由所述提取到的合作标志点的像点位置， 根据双像交会摄影测量方法， 得到两合作标志点 ；、 的在坐标系中的空间坐标 （^、 0、 Ζ, ) 、 ( Χ2 , Υ2 , z2 。
g. 由上面得到的空间坐标 （ ,、 0、 Ζ, ) 、 ( Χ2 , Υ2 , ζ2 ) , 即可得到： = Ζ2—
L = ^X2 2 + Y^ ~Χ a = arc ^ 其中 Η为吊钩和吊环之间的高度差， L为二者在横梁方向的水平距离， α 为横梁所在垂直面到物体所在垂直面的角度；
h.把以上求得的各参数送入控制器，控制塔吊吊钩自动运行至起吊物体的 吊环处， 自动起吊。
其中合作标志如图 2所示， 可以是圆形， 也可以是对角形， 或十字丝， 或 其它任意容易识别的图形。
通过釆用各种已有数字图像处理技术， 可以高精度地检测并定位图像点位 置， 再通过双像交会摄影测量方法得到标志点的空间坐标。 例如， 亚像素图像 定位技术就是一种先进的图像处理方法之一， 运用它使图像中目标定位精度高 于图像的物理分辨率。 本发明可采用如下亚像素定位技术：
1、 使用自适应模板相关滤波法
基本思想是制作参数可以调整的模板， 对每个粗定位点， 首先确定应选模 板的参数， 选择最合适的模板， 用所选模板对粗定位点及其邻域点进行相关运 算， 用所得相关系数拟合曲面， 确定最大相关位置。 2、 自适应阈值重心法
对于有些目标， 可以通过多种图像处理的方法提取具有一定面积的目标区 域， 并考虑到目标的灰度分布特征， 采用灰度重心法， 在目标区域内以灰度为 权值求出目标区域的灰度重心作为目标位置， 同时采用带自适应阈值的高斯分 布模板对特征目标进行跟踪定位。
3、 灰度图拟合法
对于有些目标， 还可直接根据目标图像的特征， 选用合适的解析曲面， 对 灰度图进行曲面拟合， 再求出解析曲面的极值位置， 从而实现目标的亚像素精 度定位。
4、 根据灰度特征进行指定区域或全场的自动识别
如图 2所示， 对顶角标志图像具有一定的特征， 如对角区域同为亮或暗而 平均灰度差异小， 邻角区域一亮一暗而平均灰度差异大， 4 个角域各自的平均 灰度与整个区域的平均灰度有较大差异， 中心区的平均灰度与整个区域的平均 灰度相近， 同一角域内象素间灰度差异小， 标志外缘有椭圆或近似椭圆存在， 有两条相交于中心的阶跃边缘存在。 充分利用这些特征， 可以可靠地实现高精 度的识别与定位。
实施本发明， 可釆用以摄像装置和个人计算机（或 DSP处理器）为核心的 硬件设备， 对硬件依赖程度低， 数字化程度和自动化程度高， 可采用作为控制 器的计算机对摄像装置获得的图像数据进行存储、 复制、 传输和自动化处理。
摄像装置的选择与安装： 数字摄像装置存储方便， 易于实现后处理的数字 化、 自动化， 因此采用数字摄像装置比模拟摄像装置更合适。 由于起吊设备在 工作运行过程中伴随有振动存在。 为保证摄像装置的正常工作状态， 正确获得 合作标志物图像， 需要将摄像装置固定在起吊设备上。
处理器选择设计方案：在起吊智能视觉系统中，可以采用 PC计算机或 DSP 处理器， 作为控制器中的图像存储、 数据处理设备。 由于 DSP处理器速度快、 操作简便， 因此更适合用在实际装置中。 在摄像装置选定， 可以根据摄像装置 的接口方案设计 DSP处理器。
其中起吊设备可以是现有起吊设备中任意一种， 如实施例中塔吊， 或吊车 等起吊 i殳备， 无需另外设计。

Claims

权利要求
1、 一种起吊定位方法， 其特征是， 包括如下步骤： a.在起吊装置的横梁两侧各装有一台摄像装置， 并在吊钩和待起吊的物 体的吊环上安装有合作标志； b. 旋转起吊装置的横梁， 使得吊钩和吊环上的合作标志进入横梁两侧 摄像装置的视场内； c.用所述横梁上的两个摄像装置对吊钩和吊环同时成像，然后自动提取 合作标志图像坐标并进行定位，运用双像交会摄影测量方法求得合作标志的 空间三维坐标，得到吊钩和吊环的空间三维坐标；根据吊钩和吊环的空间三 维坐标求得吊钩和吊环之间的高度差 H和二者在横梁方向的水平距离 L， 以及横梁所在垂直面到物体所在垂直面的角度 α；
d. 通过以上求得的参数， 由控制器控制起吊设备的吊钩自动运行至起 吊物体的吊环处， 自动起吊。
2、 根据权利要求 1所述起吊定位方法， 其特征是， 所述 a步骤中， 首 先在塔顶安装若干个摄像装置，使其视场能覆盖附近 360度范围，并用所述 塔顶摄像装置捕捉吊环上的合作标志， 以确定起吊物体所在方位， 自动控制 横梁旋转到相应位置。
3、 根据权利要求 1、 2所述起吊定位方法， 其特征是， 所述参数获得的 步骤包括：
a.起吊设备在安装时， 首先采用摄像标定法建立图像中像点位置和空间标 志点位置的相互对应关系。
b. 所述起吊设备坐标系， 以塔基为原点 0， 横梁所在方向为 X轴， 竖直 方向为 Z轴， 垂直 XOZ方向为 Y轴；
c. 用所述塔顶摄像装置 C捕捉吊环上的合作标志 P2， 由捕捉到合作标志 点的位置，即可确定起吊物体所在方位，控制横梁旋转，使得吊环合作标志 进 入横梁两像机 ς、 c2的视场内； d. 用所述横梁上的两摄像机同时对两合作标志点 ^、 2成像， 用亚像素图 像定位技术进行所述图像处理， 提取合作标志点 ^、 2的像点位置； e. 由所述提取到的合作标志点的像点位置， 根据双像交会摄影测量方法， 得到两合作标志点 、 P2的在坐标系中的空间坐标 （ 、 0、 Z ) 、 (X2, Y2、 ζ2) ； f. 由上面得到的空间坐标 （ 0、 ) 、 (Χ2, Υ2, ζ2) ， 即可得到： = Ζ2-Ζ{
a - arc tan—
X2 其中 H为吊钩和吊环之间的高度差， L为二者在横梁方向的水平距离， a 为横梁所在垂直面到物体所在垂直面的角度。
4、 根据权利要求 1、 2所述起吊定位方法， 其特征是， 所述合作标志点的 像点位置采用亚像素图像定位技术进行图像处理， 从而提取到该像点位置。
5、一种起吊智能视觉系统，其特征是， 包括分别位于起吊横梁两侧的摄像 装置和与之连接的控制器， 且起吊装置中的吊钩和待起吊物体的吊环上分别安 装有合作标志。
6、根据权利要求 5所述起吊智能视觉系统， 其特征是， 起吊塔顶或吊车顶 部还安装有多个摄像装置。
7、 根据权利要求 5、 6所述起吊智能视觉系统， 其特征是， 所述摄像装置 为数字摄像机。
8、 根据权利要求 5、 6所述起吊智能视觉系统， 其特征是， 所述合作标志 为圆形、 十字丝、 或对顶角形状。
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