本發(fā)明涉及一種多吊具橋吊擺角測(cè)量裝置及采用該裝置進(jìn)行測(cè)量的方法。

背景技術(shù)：

橋式吊車(chē)是一種用于重物搬運(yùn)的機(jī)械裝置，被廣泛應(yīng)用于碼頭、海洋工業(yè)和工地施工等。目前，集裝箱貨物在港口碼頭的貨物吞吐量中占據(jù)了極大的比重，而由于雙吊具橋式吊車(chē)的兩個(gè)吊具可以同時(shí)工作，其無(wú)疑提高了橋式吊車(chē)的工作效率；并且隨著時(shí)間的推移，港口貨物的總量和集裝箱貨物的數(shù)量都在不斷的上升，以裝卸量大，操作方便等優(yōu)勢(shì)著稱(chēng)的橋式吊車(chē)在集裝箱貨物的裝卸應(yīng)用中也將變得更加廣泛。但是由于橋式吊車(chē)搬運(yùn)的貨物比較重，操作過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)橋吊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生搖晃的現(xiàn)象，若吊具擺角過(guò)大，將是一件十分危險(xiǎn)的事情。且多吊具的同時(shí)工作存在兩物相碰撞的可能性，若發(fā)生相撞后果不堪設(shè)想。因此，為了提高集裝箱的船舶裝卸速度，能否對(duì)雙吊具的擺角進(jìn)行精確的控制以使其能準(zhǔn)確的對(duì)位卡車(chē)成為制約雙吊具橋吊推廣使用的關(guān)鍵。

目前橋式吊車(chē)的擺角檢測(cè)多采用物理檢測(cè)裝置，比如光電碼盤(pán)、電壓傳感器等，這些裝置往往存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、用久之后摩擦增大、維護(hù)不方便、檢測(cè)有死區(qū)等不同缺點(diǎn)，而且這些裝置都只針對(duì)單一吊具進(jìn)行擺角檢測(cè)，無(wú)法同時(shí)檢測(cè)多個(gè)吊具的擺角。更有甚者，現(xiàn)場(chǎng)集裝箱起重機(jī)操作人員直接根據(jù)目測(cè)和負(fù)載的運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)定擺角的大小，這樣不僅得不到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，且給工作帶來(lái)很大的隱患，極大地影響了工作的效率與質(zhì)量。此外，大部分單起升系統(tǒng)的橋吊，以手工操作主，要么沒(méi)有使用擺角測(cè)量裝置，要么沒(méi)有將吊具及負(fù)載的擺動(dòng)情況直觀地顯示給集裝箱操作員，要么只是安裝了一些機(jī)械防搖裝置和電子防搖裝置，但都無(wú)法從根本上實(shí)現(xiàn)橋吊操作的自動(dòng)控制。在新近的報(bào)道中，有部分機(jī)構(gòu)開(kāi)展了針對(duì)單吊具橋吊負(fù)載防搖和負(fù)載定位控制的研究和應(yīng)用，在這些橋吊控制系統(tǒng)中普遍采用了比較復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)檢測(cè)裝置，如激光角度儀、角度傳感器等實(shí)現(xiàn)負(fù)載擺角的檢測(cè)，這些檢測(cè)裝置不僅價(jià)格昂貴，其同樣存在結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，抗干擾能力差，維護(hù)不方便，或者存在死區(qū)不能檢測(cè)到微小的角度變化等缺陷，極大地限制了角度檢測(cè)裝置的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種多吊具橋吊擺角測(cè)量裝置，其能精確檢測(cè)吊具橋吊擺角大小，其具有成本低廉，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

本發(fā)明提供了一種多吊具橋吊擺角測(cè)量裝置，所述多吊具橋吊包括橋吊大車(chē)和橋吊小車(chē)；所述橋吊小車(chē)上設(shè)置有用于提升集裝箱的第一吊繩：所述測(cè)量裝置包括：

設(shè)置于橋吊小車(chē)上的擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)；

與地平線呈小于90度夾角的扇形平面紅外光線發(fā)射器：用于發(fā)射扇形的紅外光，使光線遇到第一吊繩中的一個(gè)或多個(gè)留下光斑，輔助擺角的檢測(cè)；

擺角檢測(cè)攝像頭：用于接收擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)的命令時(shí)，拍下第一吊繩的圖像；所述擺角檢測(cè)攝像頭相對(duì)地平線水平設(shè)置；

設(shè)置于第一吊繩上端的吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物：用于確定第一吊繩上一個(gè)點(diǎn)的位置，即確定第一吊繩的頂點(diǎn)位置，以計(jì)算擺角值；及

視頻圖像處理器：用于接收擺角檢測(cè)攝像頭拍下的第一吊繩的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理和檢索，找到光斑和吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的位置；

所述擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)、扇形平面紅外光線發(fā)射器、視頻圖像處理器自上到下依次設(shè)置于第二吊繩上，且第二吊繩隨著橋吊小車(chē)在橋吊大車(chē)上的移動(dòng)而移動(dòng)；所述第二吊繩與第一吊繩平行設(shè)置；

所述擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)根據(jù)視頻圖像處理器傳來(lái)的位置信息，采用光學(xué)成像關(guān)系轉(zhuǎn)換，計(jì)算出在世界坐標(biāo)系下的光斑和吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的位置坐標(biāo)，結(jié)合數(shù)學(xué)公式計(jì)算出擺角值的大小。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)：所述擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通訊的方式向擺角檢測(cè)攝像頭發(fā)送命令。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)：所述吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物為球、圖案、或涂敷在第一吊繩上端的油漆。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)：所述多吊具橋吊包括橋吊駕駛室，所述橋吊駕駛室內(nèi)設(shè)置有顯示頻，所述擺角值顯示在顯示屏上。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)：所述數(shù)學(xué)公式為正切公式、正玄公式和余玄公式。

本發(fā)明還提供一種可行性強(qiáng)、準(zhǔn)確率高的多吊具橋吊擺角測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量的方法，所述多吊具橋吊為雙吊具橋吊，所述雙吊具橋吊包括橋吊大車(chē)和橋吊小車(chē)；所述橋吊小車(chē)上設(shè)置有用于提升集裝箱的第一吊繩，其特征在于：所述測(cè)量裝置包括：

設(shè)置于橋吊小車(chē)上的擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)；

與地平線呈小于90度夾角的扇形平面紅外光線發(fā)射器：用于發(fā)射扇形的紅外光，使光線遇到第一吊繩中的一個(gè)或兩個(gè)留下光斑，輔助擺角的檢測(cè)；

擺角檢測(cè)攝像頭：用于接收擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)的命令時(shí)，拍下第一吊繩的圖像；所述擺角檢測(cè)攝像頭相對(duì)地平線水平設(shè)置；

設(shè)置于第一吊繩上端的吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物：用于確定第一吊繩上一個(gè)點(diǎn)的位置，即確定第一吊繩的頂點(diǎn)位置，以計(jì)算擺角值；及

視頻圖像處理器：用于接收擺角檢測(cè)攝像頭拍下的第一吊繩的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理和檢索，找到光斑和吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的位置；

所述擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)、扇形平面紅外光線發(fā)射器、視頻圖像處理器自上到下依次設(shè)置于第二吊繩上，且第二吊繩隨著橋吊小車(chē)在橋吊大車(chē)上的移動(dòng)而移動(dòng)；所述第二吊繩與第一吊繩平行設(shè)置；

所述擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)根據(jù)視頻圖像處理器傳來(lái)的位置信息，采用光學(xué)成像關(guān)系轉(zhuǎn)換，計(jì)算出在世界坐標(biāo)系下的光斑和吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的位置坐標(biāo)，結(jié)合數(shù)學(xué)公式計(jì)算出擺角值的大??；

所述測(cè)量的方法包括如下步驟：

1)、橋吊小車(chē)接受運(yùn)行命令后開(kāi)始運(yùn)行，此時(shí)第一吊繩隨之會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)，擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)此時(shí)需要擺角信息，通過(guò)串口通訊方式給擺角檢測(cè)攝像頭發(fā)出命令，擺角檢測(cè)攝像頭開(kāi)始工作對(duì)第一吊繩中的每個(gè)吊繩檢測(cè)攝像，把拍攝下來(lái)的每一幀圖片通過(guò)串口通訊傳送給視頻圖像處理器上進(jìn)行圖像識(shí)別處理；

2)、根據(jù)橋吊小車(chē)在不同方向的擺動(dòng)，分別建立相應(yīng)的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量：

建立x-y坐標(biāo)，若橋吊小車(chē)沿x方向運(yùn)動(dòng)，橋吊小車(chē)會(huì)在x-y面擺動(dòng)，設(shè)檢索到單一吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的坐標(biāo)為(x1,y1)，光斑的坐標(biāo)為(x2,y2)，則x-y面擺角δ可由如下式(1)算得：

若δ為正時(shí)，表示朝左側(cè)擺動(dòng)；若δ為負(fù)時(shí)，表示朝右側(cè)擺動(dòng)；

建立y-z坐標(biāo)，若橋吊沿z方向運(yùn)動(dòng)，橋吊會(huì)在y-z面擺動(dòng)；扇形平面紅外光線發(fā)射器與地平線成θ角(θ小于90度)；點(diǎn)d為第一吊繩的最頂點(diǎn)，由檢測(cè)到的吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物可以確定；線段de在第一吊繩所在直線上，點(diǎn)g在線段de上表示光斑所在位置，dg的長(zhǎng)短用a表示；光斑線段df與地平線垂直，長(zhǎng)度用b表示；線段ef表示攝像頭鏡頭的光心水平高度所在直線，gf的長(zhǎng)度用c來(lái)表示；gh垂直于ef，表示光斑相對(duì)攝像頭的高度，長(zhǎng)度用q來(lái)表示；虛線gp表示光斑所在高度的水平線；∠gdf的大小用γ表示，為所求的擺角，∠dfg和∠dgf的大小分別用α和β表示；

由于第一吊繩的頂部與擺角檢測(cè)攝像頭的水平高度固定不變且可知，故df的長(zhǎng)度b已知；因?yàn)椤夕梁汀夕葹榛ビ嗟年P(guān)系，∠θ為扇形平面紅外光線發(fā)射器軸線對(duì)地平線夾角為已知；直線gf的方向固定；光斑相對(duì)于吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的高度，即q可知，光斑g的位置必定在相對(duì)于攝像頭光心高出q的水平線上；那么直線gf與直線gp的交點(diǎn)就是光斑g的唯一位置，即δdgf是唯一并可以確定的，則γ可知；

α，θ，b為已知量；當(dāng)y2已知后，q可知，那么y-z面擺角可由聯(lián)立方程(2)求得：

由擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)解方程組即可求出γ的值；

若y2低于擺角檢測(cè)攝像頭位置高度，表示朝擺角檢測(cè)攝像頭的反方向擺動(dòng)；若y2高于擺角檢測(cè)攝像頭位置高度，表示朝擺角檢測(cè)攝像頭方向擺動(dòng)；

當(dāng)橋吊小車(chē)向任意方向擺動(dòng)時(shí)，通過(guò)上述方法求取其在x-y面和y-z面的投影角δ”和γ，即可由擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)復(fù)原三維角度；

3)、對(duì)第一吊繩中的另一吊繩上做同樣的工作，同樣得到一組擺角值；當(dāng)兩個(gè)第一吊繩工作在互鎖模式時(shí)，得到的兩組擺腳值理論上應(yīng)該相同；如果不同，那么將互相作為對(duì)照進(jìn)行擺腳的修訂，此工作在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行；當(dāng)兩個(gè)第一吊繩工作在獨(dú)立模式下時(shí)，兩個(gè)第一吊繩的擺腳互不影響，分別得到兩組角度；

4)、擺角計(jì)算完后，通過(guò)串口通訊將擺角信息顯示在橋吊駕駛室的顯示屏上，給操作人員提供參考信息；或者通過(guò)串口通訊傳輸?shù)綌[角計(jì)算及計(jì)算機(jī)的橋吊控制器上，作為擺角反饋給控制器提供必要的控制參數(shù)。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)：所述吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物和光斑的搜索通過(guò)建立興趣區(qū)的方法實(shí)現(xiàn)，具體操作步驟如下：

首先接收到擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)的命令后擺角檢測(cè)攝像頭開(kāi)始拍攝圖片，然后由擺角檢測(cè)攝像頭及圖像處理器在興趣區(qū)內(nèi)檢索吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物和光斑的坐標(biāo)位置，再分別利用公式(1)和公式(2)計(jì)算出x-y面擺角和y-z面擺角的值，最后將所得的角度信息顯示在橋吊駕駛室的屏幕上或者傳送到擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)的控制器上提供必要的參數(shù)，并更新興趣區(qū)等待下一次圖片的到來(lái)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種雙吊具橋吊擺角測(cè)量裝置及采用該裝置進(jìn)行測(cè)量的方法具有以下專(zhuān)利法意義的有益效果：

1、本發(fā)明借助輔助光，應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)，使用相機(jī)與一個(gè)對(duì)地成固定角度的扇形平面紅外線發(fā)射器，通過(guò)相機(jī)捕抓雙吊具吊繩的圖片，并通過(guò)圖像識(shí)別檢索到紅外線射在每個(gè)吊具吊繩的光斑及其頂點(diǎn)標(biāo)志物的位置信息，經(jīng)過(guò)換算得到吊具的擺角信息。此擺角信息可以通過(guò)傳輸顯示在操作員的顯示屏上，給操作員提供參考；也可以反饋給吊具擺角的控制器上，為控制器提供必要的參數(shù)信息。

2、本方法采用非接觸式測(cè)量的方式，所以不會(huì)因?yàn)槭褂脮r(shí)間長(zhǎng)了之后產(chǎn)生過(guò)大摩擦而影響測(cè)量準(zhǔn)確性；檢測(cè)設(shè)備僅由擺角檢測(cè)攝像頭和扇形平面紅外光線發(fā)射器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，維護(hù)方便；而只要安裝距離調(diào)試得當(dāng)，鏡頭廣角范圍足夠大，即可以使擺角的測(cè)量沒(méi)有死區(qū)，準(zhǔn)確性提高。

3、紅外線具有一定的穿透能力，可以穿透云霧，故在大霧等能力度較低的天氣條件下也不影響檢測(cè)，抗干擾能力良好；在夜間這樣確實(shí)光照的條件，輔助光還可以充當(dāng)光源，為擺角檢測(cè)攝像頭提供足夠的光照條件，解決了其它一些視覺(jué)的擺角檢測(cè)裝置在夜間無(wú)法工作的難題。

4、本發(fā)明涉及的橋吊吊具檢測(cè)裝置借助輔助光，應(yīng)用視覺(jué)圖像識(shí)別技術(shù)，解決了雙吊具橋式吊車(chē)的擺角的檢測(cè)、擺角信息處理及顯示問(wèn)題。

5、本發(fā)明借助輔助光，應(yīng)用視覺(jué)圖像識(shí)別的方法對(duì)吊具的擺角進(jìn)行檢測(cè)及顯示，結(jié)構(gòu)和原理都很簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)攝像頭和一個(gè)扇形平面紅外光線發(fā)射器即可。部分波長(zhǎng)的紅外線對(duì)人體無(wú)害，并具有一定的穿透性，可以穿透云霧，在能見(jiàn)度較低的天氣條件下也不影響使用；作為單色光，擺角檢測(cè)攝像頭可以識(shí)別到，而且建設(shè)方便。

6、整個(gè)裝置成本相對(duì)也比較低廉，檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)且穩(wěn)定，對(duì)工作環(huán)境要求不高，同時(shí)抗干擾能力良好，成功地克服了上述提到的物理結(jié)構(gòu)檢測(cè)裝置存在的不足，同時(shí)也解決了一些視覺(jué)擺角檢測(cè)裝置的缺陷。更重要的是，現(xiàn)有的擺角測(cè)量裝置都是針對(duì)單吊具橋吊設(shè)計(jì)的，不適合解決雙吊具橋吊擺角的檢測(cè)，而本發(fā)明不僅適用于雙吊具橋吊，甚至可以推廣到多吊具橋吊的擺角檢測(cè)上來(lái)。

7、目前已有的文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)于雙吊具橋式吊車(chē)的擺角測(cè)量裝置的研究較少。相比傳統(tǒng)的單吊具橋式吊車(chē)，本發(fā)明涉及的擺角測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)和原理都十分簡(jiǎn)單，使用和維護(hù)方便，成本低廉，不會(huì)有摩擦影響測(cè)量測(cè)量結(jié)果，具有良好的抗干擾能力，不僅可以為集裝箱操作員提供操作的擺角參考，而且可提供單吊具和雙吊具乃至多吊具橋式吊車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)的擺角信息。

附圖說(shuō)明

圖1是：實(shí)施例1的雙吊具橋吊及其擺角檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)與組成。

圖2是：實(shí)施例1的雙吊具橋吊擺角檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖3是：實(shí)施例1的擺角檢測(cè)攝像頭下吊繩在x-y面的成像圖。

圖4是：實(shí)施例1的借助扇形平面紅外光線在每個(gè)吊繩上產(chǎn)生光斑的位置信息，換算y-z面的擺角的幾何關(guān)系圖。

圖5是：實(shí)施例1的興趣區(qū)的選擇方式圖。

圖6是：實(shí)施例1的擺角測(cè)量流程圖。

圖7是：實(shí)施例1的信息處理流程圖。

圖中：1、大車(chē)支架移動(dòng)結(jié)構(gòu)；2、大車(chē)軌道車(chē)輪；3、第一集裝箱；4、第二集裝箱；5、扇形平面紅外光線發(fā)射器；6、吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物；7、擺角檢測(cè)攝像頭；8、視頻圖像處理器；9、橋吊駕駛室；10、吊具起升電機(jī)；11、擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)；12、大車(chē)軌道；13、小車(chē)軌道；14、小車(chē)軌道車(chē)輪；15、第一雙吊具；16、第二雙吊具；17、第一大車(chē)移動(dòng)結(jié)構(gòu)；18、第二大車(chē)移動(dòng)結(jié)構(gòu)；19、橋吊小車(chē)；20、橋吊大車(chē)；21、小車(chē)移動(dòng)結(jié)構(gòu)；22、扇形光線(虛線)與每個(gè)吊繩的交點(diǎn)(黑色圓點(diǎn))，即光斑；23、圖像上的光斑像；24、吊繩；25、圖像上的吊繩像。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種多雙吊具橋吊擺角測(cè)量裝置及采用該裝置進(jìn)行測(cè)量的方法做進(jìn)一步更詳細(xì)的說(shuō)明：

雙吊具橋吊有兩個(gè)吊具(或者說(shuō)兩條第一吊繩)，每條第一吊繩用于提升一個(gè)集裝箱。扇形平面紅外光線發(fā)射器、視頻圖像處理器等裝置安裝在兩吊具的側(cè)面具有一定距離的地方(參考圖2)，并隨橋吊小車(chē)一起運(yùn)動(dòng)。

在每個(gè)第一吊繩頂部都設(shè)置一個(gè)頂點(diǎn)標(biāo)志物，不同吊繩的頂點(diǎn)標(biāo)志物可以用不同的圖案加以區(qū)別，紅外光遇到每個(gè)第一吊繩都在第一吊繩上留下相應(yīng)的一個(gè)光斑。

攝像頭在兩吊具的側(cè)面，如果兩個(gè)吊具的擺角相同時(shí)，第一吊繩中的其中一個(gè)會(huì)被第一吊繩中的另一個(gè)遮擋，所以會(huì)只拍攝到只有一條第一吊繩的像；如果兩個(gè)第一吊繩的擺角不一樣，擺角檢測(cè)攝像頭拍下的像中兩個(gè)第一吊繩都應(yīng)拍攝到。因?yàn)楦鞯谝坏趵K是獨(dú)立的，所以附圖3中以一條吊繩為例，只畫(huà)出一條第一吊繩做說(shuō)明。

第一吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物是用于確定該吊繩頂點(diǎn)的位置，配合該第一吊繩上光斑的位置，輔助計(jì)算擺角，由每條第一吊繩上光斑和頂點(diǎn)標(biāo)志物的位置信息，計(jì)算出擺角的值。

實(shí)施例1

本實(shí)施例的多吊具橋吊擺角測(cè)量裝置，多吊具橋吊包括橋吊大車(chē)和橋吊小車(chē)；橋吊小車(chē)上設(shè)置有用于提升集裝箱的第一吊繩：測(cè)量裝置包括：

設(shè)置于橋吊小車(chē)上的擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)；

與地平線呈小于90度夾角的扇形平面紅外光線發(fā)射器：用于發(fā)射扇形的紅外光，使光線遇到第一吊繩中的一個(gè)或多個(gè)留下光斑，輔助擺角的檢測(cè)；

擺角檢測(cè)攝像頭：用于接收擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)的命令時(shí)，拍下第一吊繩的圖像；所述擺角檢測(cè)攝像頭相對(duì)地平線水平設(shè)置；

設(shè)置于第一吊繩上端的吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物：用于確定第一吊繩上一個(gè)點(diǎn)的位置，即確定第一吊繩的頂點(diǎn)位置，以計(jì)算擺角值；及

視頻圖像處理器：用于接收擺角檢測(cè)攝像頭拍下的第一吊繩的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理和檢索，找到光斑和吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的位置；

擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)、扇形平面紅外光線發(fā)射器、視頻圖像處理器自上到下依次設(shè)置于第二吊繩上，且第二吊繩隨著橋吊小車(chē)在橋吊大車(chē)上的移動(dòng)而移動(dòng)；所述第二吊繩與第一吊繩平行設(shè)置；

擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)根據(jù)視頻圖像處理器傳來(lái)的位置信息，采用光學(xué)成像關(guān)系轉(zhuǎn)換，計(jì)算出在世界坐標(biāo)系下的光斑和吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的位置坐標(biāo)，結(jié)合數(shù)學(xué)公式計(jì)算出擺角值的大小。

擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通訊的方式向擺角檢測(cè)攝像頭發(fā)送命令。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)：所述吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物為球、圖案、或涂敷在第一吊繩上端的油漆。

多吊具橋吊包括橋吊駕駛室，所述橋吊駕駛室內(nèi)設(shè)置有顯示頻，所述擺角值顯示在顯示屏上。

數(shù)學(xué)公式為正切公式、正玄公式和余玄公式。

本實(shí)施例的可行性強(qiáng)、準(zhǔn)確率高的多吊具橋吊擺角測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量的方法，多吊具橋吊為雙吊具橋吊，所述雙吊具橋吊包括橋吊大車(chē)和橋吊小車(chē)；橋吊小車(chē)上設(shè)置有用于提升集裝箱的第一吊繩：測(cè)量裝置包括：

設(shè)置于橋吊小車(chē)上的擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)；

與地平線呈小于90度夾角的扇形平面紅外光線發(fā)射器：用于發(fā)射扇形的紅外光，使光線遇到第一吊繩中的一個(gè)或兩個(gè)留下光斑，輔助擺角的檢測(cè)；

擺角檢測(cè)攝像頭：用于接收擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)的命令時(shí)，拍下第一吊繩的圖像；所述擺角檢測(cè)攝像頭相對(duì)地平線水平設(shè)置；

設(shè)置于第一吊繩上端的吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物：用于確定第一吊繩上一個(gè)點(diǎn)的位置，即確定第一吊繩的頂點(diǎn)位置，以計(jì)算擺角值；及

視頻圖像處理器：用于接收擺角檢測(cè)攝像頭拍下的第一吊繩的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理和檢索，找到光斑和吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的位置；

擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)、扇形平面紅外光線發(fā)射器、視頻圖像處理器自上到下依次設(shè)置于第二吊繩上，且第二吊繩隨著橋吊小車(chē)在橋吊大車(chē)上的移動(dòng)而移動(dòng)；第二吊繩與第一吊繩平行設(shè)置；

擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)根據(jù)視頻圖像處理器傳來(lái)的位置信息，采用光學(xué)成像關(guān)系轉(zhuǎn)換，計(jì)算出在世界坐標(biāo)系下的光斑和吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的位置坐標(biāo)，結(jié)合數(shù)學(xué)公式計(jì)算出擺角值的大??；

測(cè)量的方法包括如下步驟：

1)、橋吊小車(chē)接受運(yùn)行命令后開(kāi)始運(yùn)行，此時(shí)第一吊繩隨之會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)，擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)此時(shí)需要擺角信息，通過(guò)串口通訊方式給擺角檢測(cè)攝像頭發(fā)出命令，擺角檢測(cè)攝像頭開(kāi)始工作對(duì)第一吊繩中的每個(gè)吊繩檢測(cè)攝像，把拍攝下來(lái)的每一幀圖片通過(guò)串口通訊傳送給視頻圖像處理器上進(jìn)行圖像識(shí)別處理；

2)、根據(jù)橋吊小車(chē)在不同方向的擺動(dòng)，分別建立相應(yīng)的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量：

建立x-y坐標(biāo)，若橋吊小車(chē)沿x方向運(yùn)動(dòng)，橋吊小車(chē)會(huì)在x-y面擺動(dòng)，設(shè)檢索到單一吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的坐標(biāo)為(x1,y1)，光斑的坐標(biāo)為(x2,y2)，則x-y面擺角δ可由如下式(1)算得：

若δ為正時(shí)，表示朝左側(cè)擺動(dòng)；若δ為負(fù)時(shí)，表示朝右側(cè)擺動(dòng)；

建立y-z坐標(biāo)，若橋吊沿z方向運(yùn)動(dòng)，橋吊會(huì)在y-z面擺動(dòng)；扇形平面紅外光線發(fā)射器與地平線成θ角(θ小于90度)；點(diǎn)d為第一吊繩的最頂點(diǎn)，由檢測(cè)到的吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物可以確定；線段de在第一吊繩所在直線上，點(diǎn)g在線段de上表示光斑所在位置，dg的長(zhǎng)短用a表示；光斑線段df與地平線垂直，長(zhǎng)度用b表示；線段ef表示攝像頭鏡頭的光心水平高度所在直線，gf的長(zhǎng)度用c來(lái)表示；gh垂直于ef，表示光斑相對(duì)攝像頭的高度，長(zhǎng)度用q來(lái)表示；虛線gp表示光斑所在高度的水平線；∠gdf的大小用γ表示，為所求的擺角，∠dfg和∠dgf的大小分別用α和β表示；

由于第一吊繩的頂部與擺角檢測(cè)攝像頭的水平高度固定不變且可知，故df的長(zhǎng)度b已知；因?yàn)椤夕梁汀夕葹榛ビ嗟年P(guān)系，∠θ為扇形平面紅外光線發(fā)射器軸線對(duì)地平線夾角為已知；直線gf的方向固定；光斑相對(duì)于吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的高度，即q可知，光斑g的位置必定在相對(duì)于攝像頭光心高出q的水平線上；那么直線gf與直線gp的交點(diǎn)就是光斑g的唯一位置，即δdgf是唯一并可以確定的，則γ可知；

α，θ，b為已知量；當(dāng)y2已知后，q可知，那么y-z面擺角可由聯(lián)立方程(2)求得：

由擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)解方程組即可求出γ的值；

若y2低于擺角檢測(cè)攝像頭位置高度，表示朝擺角檢測(cè)攝像頭的反方向擺動(dòng)；若y2高于擺角檢測(cè)攝像頭位置高度，表示朝擺角檢測(cè)攝像頭方向擺動(dòng)；

當(dāng)橋吊小車(chē)向任意方向擺動(dòng)時(shí)，通過(guò)上述方法求取其在x-y面和y-z面的投影角δ”和γ，即可由擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)復(fù)原三維角度；

3)、對(duì)第一吊繩中的另一吊繩上做同樣的工作，同樣得到一組擺角值；當(dāng)兩個(gè)第一吊繩工作在互鎖模式時(shí)，得到的兩組擺腳值理論上應(yīng)該相同；如果不同，那么將互相作為對(duì)照進(jìn)行擺腳的修訂，此工作在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行；當(dāng)兩個(gè)第一吊繩工作在獨(dú)立模式下時(shí)，兩個(gè)第一吊繩的擺腳互不影響，分別得到兩組角度；

4)、擺角計(jì)算完后，通過(guò)串口通訊將擺角信息顯示在橋吊駕駛室的顯示屏上，給操作人員提供參考信息；或者通過(guò)串口通訊傳輸?shù)綌[角計(jì)算及計(jì)算機(jī)的橋吊控制器上，作為擺角反饋給控制器提供必要的控制參數(shù)。

吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物和光斑的搜索通過(guò)建立興趣區(qū)的方法實(shí)現(xiàn)，具體操作步驟如下：

首先接收到擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)的命令后擺角檢測(cè)攝像頭開(kāi)始拍攝圖片，然后由擺角檢測(cè)攝像頭及圖像處理器在興趣區(qū)內(nèi)檢索吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物和光斑的坐標(biāo)位置，再分別利用公式(1)和公式(2)計(jì)算出x-y面擺角和y-z面擺角的值，最后將所得的角度信息顯示在橋吊駕駛室的屏幕上或者傳送到擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)的控制器上提供必要的參數(shù)，并更新興趣區(qū)等待下一次圖片的到來(lái)。

具體結(jié)合圖1-圖4做如下說(shuō)明：

在圖1雙吊具橋吊及其擺角檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)與組成結(jié)構(gòu)示意圖，由扇形平面紅外光線發(fā)射器5、擺角檢測(cè)攝像頭7、視頻圖像處理器8和擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)11組成的測(cè)試裝置隨著橋吊小車(chē)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。圖2為雙吊具橋吊擺角測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖3為擺角檢測(cè)攝像頭下吊繩在x-y面的成像圖。

扇形平面紅外光線發(fā)射器25與地平線成θ角(θ小于90度)發(fā)射出扇形平面紅外光線，照在每個(gè)第一吊繩上會(huì)留下光斑22。因?yàn)閿[角檢測(cè)攝像頭7水平放置，所以像平面與水平線是垂直的。又因?yàn)槭澜缱鴺?biāo)的x-y面與像平面平行，那么，很容易可以理解擺角檢測(cè)攝像頭7拍下來(lái)的圖像，即是第一吊繩三維擺角在x-y面的投影像。因此，只要檢測(cè)到吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物6和光斑23的位置，根據(jù)位置信息就可以計(jì)算得到x-y面的擺角值，并且根據(jù)光學(xué)成像的關(guān)系，也可以轉(zhuǎn)換計(jì)算出在世界坐標(biāo)中的位置。

圖4為借助扇形平面紅外光線在每個(gè)第一吊繩上產(chǎn)生光斑的位置信息，換算y-z面的擺角γ的幾何關(guān)系圖。點(diǎn)d為第一吊繩的最頂點(diǎn)，由檢測(cè)到的吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物6可以確定；線段de在第一吊繩所在直線上，點(diǎn)g在線段de上表示光斑所在位置，dg的長(zhǎng)短用a表示；光斑線段df與地平線垂直，長(zhǎng)度用b表示；線段ef表示攝像頭鏡頭的光心水平高度所在直線，gf的長(zhǎng)度用c來(lái)表示；gh垂直于ef，表示光斑相對(duì)攝像頭的高度，長(zhǎng)度用q來(lái)表示；虛線gp表示光斑所在高度的水平線?！蟝df的大小用γ表示，為所求的擺角，∠dfg和∠dgf的大小分別用α和β表示。

由于第一吊繩的頂部與擺角檢測(cè)攝像頭的水平高度固定不變且可知，故df的長(zhǎng)度b已知。因?yàn)椤夕梁汀夕葹榛ビ嗟年P(guān)系，為扇形平面紅外光線發(fā)射器軸線對(duì)地平線夾角可知，故已知，直線gf的方向固定。從圖2中可以知道光斑相對(duì)于第一吊繩頂點(diǎn)的高度，即q可知，即光斑g的位置必定在相對(duì)于攝像頭光心高出q的水平線上。那么直線gf與直線gp的交點(diǎn)就是光斑g的唯一位置，即δdgf是唯一并可以確定的，則γ可知。

圖5為興趣區(qū)的選擇方式演示圖。最外端的大正方形表示拍攝的圖片，黑色的小方塊表示光斑，里面的幾個(gè)小正方形表示興趣區(qū)。因?yàn)閿[角檢測(cè)攝像頭拍攝的圖片像素較多，而光斑較小只存在于幾個(gè)像素中，所以如果在整張圖片中遍歷的搜索光斑的位置，會(huì)嚴(yán)重?cái)[角檢測(cè)的速度。為了減少檢測(cè)所需時(shí)間，提高檢測(cè)速度，首先在興趣區(qū)中對(duì)光斑進(jìn)行搜索。原理如下：設(shè)在本楨圖像中搜索到光斑的位置為點(diǎn)(a1,a2)，那么下一幀圖像傳來(lái)時(shí)則在以點(diǎn)(a1,a2)為中心，邊長(zhǎng)r的正方形區(qū)域(即興趣區(qū)1)中首先搜索光斑，若設(shè)搜索到光斑位置為(b1,b2)，以此類(lèi)推，則再下一幀圖像傳來(lái)后在以點(diǎn)(b1,b2)為中心，邊長(zhǎng)為r的正方形區(qū)域(即興趣區(qū)2)中搜尋光斑，從而得到光斑(c1,c2)。若在興趣區(qū)中無(wú)法搜索到光斑，則把r擴(kuò)大一倍生成新的興趣區(qū)進(jìn)行搜索。對(duì)吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物的興趣區(qū)選擇方式同理。

圖6為擺腳測(cè)量裝置的流程圖。首先接收到擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)11的命令后擺角檢測(cè)攝像頭7開(kāi)始拍攝圖片，然后由擺角圖像處理器8在興趣區(qū)內(nèi)檢索吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物27和光斑30的坐標(biāo)位置，再分別利用公式(1)和公式(2)計(jì)算出x-y面擺角和y-z面擺角的值，最后將所得的角度信息顯示在橋吊駕駛室9的屏幕上或者傳送到擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)11的控制器上提供必要的參數(shù)，并更新興趣區(qū)等待下一次圖片的到來(lái)。

圖7為信息處理流程圖，此圖解釋了信號(hào)的流向問(wèn)題。擺角檢測(cè)攝像頭7把圖像信息通過(guò)串口傳給視頻圖像處理器8對(duì)圖像進(jìn)行處理，并把處理結(jié)果通過(guò)串口傳輸給擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)11，在由擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)11執(zhí)行事先根據(jù)公式(1)和(2)編程好的算法計(jì)算出擺角值δ和γ，可以把擺角值顯示在橋吊駕駛室9的顯示屏上，或者反饋到擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)11的控制器上。

3.主要部件的具體功能如下：擺角檢測(cè)攝像頭7：接收到擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)11的命令時(shí)，拍攝下吊繩的圖像，發(fā)送給擺角圖像處理器8；擺角圖像處理器8：得到擺角檢測(cè)攝像頭7拍下的圖像后，對(duì)圖像進(jìn)行處理及檢索，找到光斑30和吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物27的位置坐標(biāo)，并將位置信息傳給擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)11；擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)11：根據(jù)擺角圖像處理器8傳來(lái)的位置信息，根據(jù)一些光學(xué)成像的關(guān)系轉(zhuǎn)換，計(jì)算出在世界坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)，并結(jié)合公式(1)和(2)，計(jì)算出擺角值δ和γ。然后可以將擺角值顯示在橋吊駕駛室9的顯示屏上，幫助操作人控制橋吊，或者傳送給自身的控制器，為控制器提供必要的擺角參數(shù)。

扇形平面紅外光線發(fā)射器5：發(fā)射扇形的紅外光，若光線遇到吊繩，便會(huì)留下光斑30，輔助擺角的檢測(cè)；在夜間缺少光照的條件下，也有充當(dāng)光源的作用；吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物27：標(biāo)志物可以為球、特殊圖案或在繩上漆上特殊顏色的漆等，方便擺角圖像處理器檢索，以確定吊繩頂點(diǎn)位置，而計(jì)算擺角值δ和γ。

具體工作過(guò)程如下：

(1)如圖2所示，橋吊小車(chē)19接受運(yùn)行命令后開(kāi)始運(yùn)行，此時(shí)第一吊繩21和22隨之會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)。擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)26此時(shí)需要擺角信息，通過(guò)串口通訊方式給擺角檢測(cè)攝像頭24發(fā)出命令，擺角檢測(cè)攝像24開(kāi)始工作，把拍攝下來(lái)的每一幀圖片傳送通過(guò)串口通訊擺角圖像處理器23上進(jìn)行圖像識(shí)別處理。

(2)如圖1所示，若橋吊小車(chē)19沿x方向運(yùn)動(dòng)(即在大車(chē)軌道15上運(yùn)動(dòng))，第一吊繩會(huì)在x-y面擺動(dòng)。則根據(jù)圖3所示，x-y面擺角可以從圖像上直接得出。設(shè)檢索到吊繩頂點(diǎn)標(biāo)志物6的坐標(biāo)為(x1,y1)，光斑的坐標(biāo)為(x2,y2)，則x-y面擺角δ可由如下式(1)算得：

(1)若δ為正時(shí)，表示朝左側(cè)擺動(dòng)；若δ為負(fù)時(shí)，表示朝右側(cè)擺動(dòng)。

(3)如圖1所示，若橋吊小車(chē)沿z方向運(yùn)動(dòng)(即在小車(chē)軌道13上運(yùn)動(dòng))，

第一吊繩會(huì)在y-z面擺動(dòng)。根據(jù)上文中對(duì)圖3的說(shuō)明，α，θ，b為已知

量；當(dāng)y2已知后，q可知，那么y-z面擺角可由聯(lián)立方程(2)求得：

由擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)11解方程組即可求出γ的值。若y2低于擺角檢測(cè)攝像頭位置高度，表示朝擺角檢測(cè)攝像頭7的反方向擺動(dòng)；若y2高于擺角檢測(cè)攝像頭位置高度，表示朝擺角檢測(cè)攝像頭7方向擺動(dòng)。

(4)當(dāng)?shù)谝坏趵K向任意方向擺動(dòng)時(shí)，通過(guò)上述方法求取其在x-y面和y-z面的投影角δ”和γ，即可由擺角計(jì)算及控制計(jì)算機(jī)11復(fù)原三維角度。

(5)對(duì)第一吊繩中的另外一個(gè)上做同樣的工作，同樣得到一組擺角值。當(dāng)?shù)谝坏趵K中的兩個(gè)工作在互鎖模式時(shí)，得到的兩組擺腳值理論上應(yīng)該相同；如果不同，那么將互相作為對(duì)照進(jìn)行擺腳的修訂，此工作在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行。當(dāng)兩個(gè)第一吊繩工作在獨(dú)立模式下時(shí)，兩個(gè)第一吊繩的擺腳互不影響，分別得到兩組角度。(6)擺角計(jì)算完后，通過(guò)串口通訊將擺角信息顯示在橋吊駕駛室9的顯示屏上，給操作人員提供參考信息；或者通過(guò)串口通訊傳輸?shù)綌[角計(jì)算及計(jì)算機(jī)11的橋吊控制器上，作為擺角反饋給控制器提供必要的控制參數(shù)；最后更新興趣區(qū)。