本發(fā)明涉及碼頭起重機吊具光學檢測及定位控制，具體涉及基于紅外光源拍攝和陀螺儀的碼頭吊具定位系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、傳統(tǒng)集裝箱碼頭軌道吊存在司機工作強度大、人工成本高的缺點，在其操作規(guī)程中，其裝卸效果受視野和環(huán)境光源變化影響，容易出現(xiàn)誤操作，會導致設備、貨物出現(xiàn)損壞、人員受傷等情況，存在一定安全隱患；在自動化集裝箱碼頭或傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場自動化改造過程中，需要求軌道吊能實現(xiàn)對堆場集裝箱自動抓放且對水平運輸機械上的集裝箱自動裝卸要求較高，還需要要求軌道吊控制系統(tǒng)能在不同碼頭環(huán)境光源工況下，實時檢測并運算吊具位置、吊具姿態(tài)(前后傾角、左右傾角、左右旋轉(zhuǎn)角度、20英尺、40英尺等)信息，為軌道吊自動裝卸提供支撐。但是，由于目前碼頭主要應用基于機器視覺的碼頭吊具自動著箱系統(tǒng)及方法，其裝卸效果受司機視野和環(huán)境光源(強陽光、夜晚光線不足等)變化影響，從而不能滿足自動化集裝箱碼頭自動軌道吊作業(yè)滿足使用要求。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，有必要針對上述的問題，提出基于紅外光源拍攝和陀螺儀的碼頭吊具定位系統(tǒng)及方法，以克服上述背景技術中的若干缺點，并解決以下技術問題：如何通過紅外光源拍攝和陀螺儀定位的方式提高自動化碼頭吊具的姿態(tài)檢測精度及調(diào)控效率。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下的技術方案：

3、本發(fā)明提出一種基于紅外光源拍攝和陀螺儀的碼頭吊具定位系統(tǒng)，應用于自動化碼頭的起重設備，該起重設備為岸邊橋式起重機、軌道式集裝箱門式起重機或輪胎式集裝箱門式起重機，該定位系統(tǒng)包括：

4、紅外攝像機，設置于軌道吊的小車機構上，用于獲取在紅外光源照射下吊具的當前圖像信息；

5、三個紅外光源，間隔地橫向設置于軌道吊的吊具上，用于為紅外攝像機提供紅外光源；其中第一個紅外光源位于第二個紅外光源與第三個紅外光源之間，第二個紅外光源與第三個紅外光源均作為計算中心光源定位坐標，第一個紅外光源用于檢測坐標以及進行計算中心點坐標校驗；

6、陀螺儀，設置于軌道吊上，用于獲取陀螺儀安裝位置的俯仰角θp和偏差角θxy；

7、定位控制器，分別與紅外攝像機、plc控制器、陀螺儀進行通信連接；定位控制器用于將通過紅外攝像機的當前圖像信息獲得吊具位置信息與由通過陀螺儀定位檢測獲得陀螺儀安裝位置的俯仰角θp和偏差角θxy進行對比分析，實時識別吊具姿態(tài)信息、位置、角度狀態(tài)，從而實現(xiàn)對吊具姿態(tài)的定位調(diào)控；所述吊具位置信息包括吊具在空間直角坐標系中的吊具在小車行走方向上偏差值x燈偏差、吊具在大車行走方向上偏差值y燈偏差、吊具角度偏差值θ燈；

8、plc控制器，分別與軌道吊的小車動作機構、大車動作機構、吊具動作機構、陀螺儀進行電性連接。

9、進一步地，定位控制器設有一邊緣計算法，通過該邊緣計算法獲得邊緣計算結果，并根據(jù)所述邊緣計算結果通過一sobel函數(shù)獲得吊具的空間直角坐標系的圖像函數(shù)值f(x，y)、在小車行走方向上偏差值x燈偏差、吊具在大車行走方向上偏差值y燈偏差和吊具角度偏差值θ燈；該邊緣計算法運行于對所述當前圖像信息的每個像素點的灰度值、梯度和梯度角度進行計算的過程；邊緣計算結果包括在吊具的空間直角坐標系的小車行走方向x的灰度值in、大車行走方向y的灰度值in、吊具的空間直角坐標系的小車行走方向的梯度值g(x)、吊具的空間直角坐標系的大車行走方向的梯度值g(y)、吊具的空間直角坐標系的梯度的角度θ；吊具在小車行走方向上偏差值x燈偏差為吊具在小車行走方向x上實時計算吊具的坐標與起重設備小車行走方向指令坐標的偏差值；吊具在大車行走方向上偏差值y燈偏差為吊具在大車方向y上實時計算吊具的坐標與起重設備大車行走方向指令坐標的偏差值。

10、進一步地，吊具角度偏差值

11、進一步地，所述陀螺儀用于將檢測到的對應小車行走方向x的第一角速度信號ax、對應大車行走方向y的第二角速度ay、對應吊具起升方向z上的第三角速度信號az及掃描周期t，并將對應小車行走方向x、大車行走方向y及吊具起升方向z上的角速度信號及掃描周期t發(fā)送給定位控制器；

12、定位控制器根據(jù)所述的各個角速度信號及掃描周期t推算出陀螺儀安裝位置的俯仰角θp和偏差角θxy。

13、進一步地，定位控制器將吊具在小車行走方向上偏差值x燈偏差、吊具在大車行走方向上偏差值y燈偏差、吊具角度偏差值θ燈和偏差角θxy，與偏差極大值θ差1、偏差極小值θ差2進行比較，plc控制器控制軌道吊各執(zhí)行機構動作以實現(xiàn)自動吊具定位及糾偏功能；

14、偏差極大值θ差1、偏差極小值θ差2分別為偏差角θxy的比較范圍的兩個極限端點。

15、進一步地，偏差角θxy的范圍的中間值為吊具在標準姿態(tài)下靜止不動的標準偏差角θxy差。

16、本實施例提出一種基于紅外光源拍攝和陀螺儀的碼頭吊具定位方法，通過如上任一項所述的基于紅外光源拍攝和陀螺儀的碼頭吊具定位系統(tǒng)實現(xiàn)，該定位方法包括以下順序執(zhí)行的步驟：

17、步驟s1，紅外攝像機實時獲取紅外光源照射下的當前吊具畫面信息，并將當前吊具畫面信息傳送至定位控制器；

18、并且陀螺儀將包括俯仰角θp和偏差角θxy的實時信息傳輸至定位算法控制器，還將包括俯仰角θp的實時信息傳輸至plc控制器；

19、步驟s2，定位控制器根據(jù)于步驟s1獲得的當前吊具畫面信息，并通過一邊緣計算法獲得對應吊具紅外光源圖像每個像素點的灰度值、梯度和梯度角度；

20、步驟s3，定位控制器根據(jù)步驟s2獲得的梯度和梯度角度，通過一sobel函數(shù)獲得吊具的空間直角坐標系的圖像函數(shù)值f(x，y)、在小車行走方向上偏差值x燈偏差、吊具在大車行走方向上偏差值y燈偏差和吊具角度偏差值θ燈；

21、步驟s4，定位控制器根據(jù)plc控制器反饋的小車動作機構、大車動作機構、吊具動作機構的動作信息、俯仰角θp、偏差角θxy、在小車行走方向上偏差值x燈偏差、吊具在大車行走方向上偏差值y燈偏差和吊具角度偏差值θ燈進行吊具姿態(tài)識別，從而獲得報警指令或糾偏指令；

22、步驟s5，當定位控制器獲得報警指令時，給發(fā)出plc控制器故障指令，plc控制器控制起重設備相關機構停止工作，并提示維護人員停機調(diào)整鋼絲繩或更換鋼絲繩；

23、當定位控制器獲得糾偏指令時，plc控制器控制吊具動作直至在小車行走方向上偏差值x燈偏差、吊具在大車行走方向上偏差值y燈偏差、吊具角度偏差值θxy均為零或落入一歸零范圍，然后停止吊具糾偏。

24、進一步地，于步驟s4中，當plc控制器檢測當前未控制吊具在小車行走方向x或大車行走方向y動作時，并且當滿足比較式θp＞θp差和θxy＞θxy差中的一個時，定位控制器發(fā)出報警指令；θp差為設定標準俯仰角閾值；θxy差為吊具在標準姿態(tài)下靜止不動的標準偏差角。

25、進一步地，于步驟s2中，從當前吊具畫面信息獲得w白色像素個數(shù)和像素位置信息，即將圖像分為相同面積的單位像素點共n塊圖像，每個圖像區(qū)域得到的w白色像素個數(shù)；像素位置信息包括像素的個數(shù)和位置。

26、進一步地，于步驟s2中，對對應吊具紅外光源圖像每個像素點的梯度計算過程包括以下步驟：

27、步驟s11，對應吊具紅外光源圖像每個像素點的的灰度值可以分解成小車行走方向x、大車行走方向y、吊具起升方向z上不同位置的灰度值；

28、步驟s12，使用sobel算子計算梯度的卷積，得到該像素點在小車行走方向x的灰度變化；

29、步驟s13，把一矩陣e與圖像中指定像素及該指定像素的n鄰域的元素構成的矩陣的對應元素相乘，從而得到該像素點在小車行走方向x的差分，所有像素點在小車行走方向x上的差分構成矩陣gx；

30、步驟s14，參照步驟s13計算得到大車行走方向y上的差分gy，從而獲得梯度g。

31、本發(fā)明的有益效果為：

32、本發(fā)明將能在各種碼頭環(huán)境光源、作業(yè)吊具晃動工況下，起重機實時計算獲取吊具位置、姿態(tài)、角度，通過吊具紅外光源定位、陀螺儀定位，實時計算識別吊具姿態(tài)信息、位置、角度狀態(tài)，保障了起重設備控制系統(tǒng)可以識別吊具姿態(tài)和位置，更加快速、準確、有效的抓放集裝箱，實現(xiàn)軌道吊對堆場集裝箱自動抓放、對水平運輸機械上的集裝箱自動裝卸，保障軌道吊自動作業(yè)的效率和安全性；本發(fā)明提高了吊具的定位精度，通過在小范圍目標差值下，由陀螺儀介入控制從而實現(xiàn)吊具的精確調(diào)控；本發(fā)明提高了定位系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過陀螺儀和紅外光源，在吊具姿態(tài)異常、鋼絲繩拉長損傷引起吊具姿態(tài)變化、紅外光源拍攝定位異常情況下，及時糾偏停止定位；本發(fā)明減少了裝卸紅外光源易受環(huán)境光源影響，可通陀螺儀介入糾偏，提升紅外光源拍攝在中午強光、黑暗下的穩(wěn)定性；

33、本發(fā)明還同時具有以下適應自動化集裝箱碼頭作業(yè)的優(yōu)點：

34、(1)實現(xiàn)自動化輔助吊具收放箱精準高效的作業(yè)；

35、(2)在不同碼頭環(huán)境光源工況下能接收實時檢測上傳的吊具圖像信息，判斷吊具當前姿態(tài)和位置信息；

36、(3)通過陀螺儀定位與紅外光源拍攝定位的融合方式，監(jiān)測當前吊具位置、角度狀態(tài)，實現(xiàn)自動化精確控制；

37、(4)通過與起重設備的控制系統(tǒng)相互配合，保障軌道吊自動化作業(yè)過程中吊具的精準放置，實現(xiàn)對堆場集裝箱自動抓放、對水平運輸機械上的集裝箱自動裝卸。