專利名稱：一種帶有機器視覺、定位系統(tǒng)的智能起重機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有機器視覺、定位系統(tǒng)的智能起重機。
背景技術(shù)：
目前，起重機存在自動化程度低、效率不高、精度較差的問題。例如 200910119264.8專利起重機智能控制器手柄單片機的電源由接收器供給用按鍵開關(guān) (1-8)的開閉向單片機的(12-19)發(fā)送指令，用單片機進行編碼由2、3向收據(jù)傳輸塊的11、 12向接收器的單片機的10、11傳輸?shù)木幋a進行解碼，電阻排Rl是單片機的上拉電阻，由單 片機的(1-8)腳向光電耦合器的(1-8)腳的輸入端發(fā)送指令，電阻排R2是光電耦合器的上 拉電阻R0-R6是可控硅的限流電阻用光電耦合器的通斷來控制可控硅開關(guān)動作，控制接觸 器的開關(guān)接收器和手柄的電源全部由接收器供給，它們是在接收器用變壓器整流濾波和三 端穩(wěn)壓輸出的5V直流供電手柄和控制器的接線是用一條直徑0. 12m m2X4芯屏蔽電纜 連接，它們的智能控制全部由單片機和軟件程序控制，上升和下降的限位直接連在了 P521 的輸入端。200910064321. 7專利涉及一種起重機交流電動機調(diào)速控制裝置，包括殼體，在 殼體中安裝有智能主令控制器，智能主令控制器與起重機轉(zhuǎn)子調(diào)速智能控制器相連接、與 倒相控制器相連接、與制動器接觸器相連接、與制動器接觸器相連接，制動器接觸器與制動 器相連接，倒相控制器與總開關(guān)連接，倒相控制器與電動機定子相連接，電動機的轉(zhuǎn)子與起 重機轉(zhuǎn)子高調(diào)速智能控制器相連接，總開關(guān)與外部電源相連接，與制動器接觸器連接、與倒 相控制器相連接。其優(yōu)點是減輕起重機電動機發(fā)熱量、降低起重機的電氣的故障率，壓縮 起重電氣成本，提高安裝速度，提高起重機智能化的起重機電動機調(diào)速的智能控制裝置。起 重機力矩智能限制器2004200^952. 2專利涉及一種用于起重機中智能監(jiān)控裝置，它主要 適用于控制和監(jiān)控起重機工作的監(jiān)控裝置。而提供一種能精確獲得起重機工作過程中的參 數(shù)，控制靈敏度高，能實現(xiàn)直觀實時監(jiān)控、提高作業(yè)準(zhǔn)確性和工作效率的起重機力矩智能限 制器。與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的有益效果結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，通過設(shè)置重力傳感器及幅度 傳感器裝置，主控制箱、顯示器，且主控制箱分別通過屏蔽電纜與重力傳感器裝置、幅度傳 感器裝置和顯示器相連接，對起重量、工作幅度、起重力矩比如力臂長度、起重量和起重力 矩明確顯示，同時能夠直觀地反映起重機的工況，安裝、調(diào)試、檢測方便；檢測結(jié)構(gòu)能隨機顯 示、打印、遠程發(fā)送，可實現(xiàn)多層次的監(jiān)督管理。200710056919. 2專利公開一種起重機安全 系統(tǒng)檢測控制方法，包括有如下階段啟動起重機并判斷系統(tǒng)是否正常的階段；判斷當(dāng)前 已設(shè)的起重機工況與所需工況是否相符的階段；時時檢測、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和顯示起重機當(dāng)前 負荷參數(shù)，并與起重機額定參數(shù)相比較的階段；總線控制信號接收模/數(shù)轉(zhuǎn)換的信號的階 段；根據(jù)起重機當(dāng)前負荷參數(shù)與起重機額定參數(shù)相比較的結(jié)果進行顯示和報警的階段；在 起重機超負荷時停止起重機工作的階段。本發(fā)明既直觀又準(zhǔn)確，操作司機一目了然，此外， 本發(fā)明的起重機安全系統(tǒng)還增加了總線控制功能，使起重機安全系統(tǒng)與起重機控制系統(tǒng)進 行數(shù)據(jù)交換，智能化程度更高。使起重機運行在最佳狀態(tài)?？刂聘泳_、燃油消耗更經(jīng)濟 合理。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提供一種克服以上缺點的帶有機器視覺、定位系統(tǒng)的智能起 重機；一種帶有機器視覺、定位系統(tǒng)的智能起重機，其特征在于由機器視覺、定位系統(tǒng)和 智能控制系統(tǒng)組成；機器視覺、定位系統(tǒng)由機械系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成機械部分主要由行 走大車、行走小車、主梁、端梁、立柱、底座等組成，是實際起重機的等比例縮小模型，用以模 擬起重機運行中的各種狀態(tài)，大小車的行走機構(gòu)采用伺服電機驅(qū)動；大小車位移測量采用 對伺服電機的碼盤信號進行分頻與計數(shù)，分頻可通過在伺服電機驅(qū)動器中設(shè)置一定的參數(shù) 來實現(xiàn)，計數(shù)可通過電控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)；大小車的位置限位保護裝置采用反 射式光電開關(guān)，來實現(xiàn)行走大小車的限位報警功能，其檢測距離為O 30cm ；電控系統(tǒng)為 圖像采集利用工業(yè)CCD采集圖像，將得到的圖像模擬電壓信號輸入到圖像采集卡中，轉(zhuǎn)換 為便于計算機處理的數(shù)字信號，圖像采集卡安裝在工業(yè)控制計算機的PCI總線插槽中，圖 像采樣速度為25幀/秒，滿足系統(tǒng)控制的實時性要求；交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)選定的交流伺服 電機及驅(qū)動器具有全閉環(huán)控制功能，配有3種精度的編碼器可供選用，可以選擇脈沖量進 行位置控制、模擬量進行速度控制與轉(zhuǎn)矩控制等多種控制方式，具有完善的過壓、過載、過 電流保護功能，是一個開放式的交流伺服電機系統(tǒng)，可以根據(jù)實際需要，調(diào)整電機參數(shù)；基 于工業(yè)計算機的控制平臺基于視覺的起重機目標(biāo)定位系統(tǒng)以工業(yè)計算機為控制核心，它 最突出的特點是具備高性能的運算能力和存儲容量，有大量的應(yīng)用軟件可以使用，適用于 復(fù)雜應(yīng)用和大量數(shù)據(jù)處理。通過在工業(yè)計算機內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集卡和圖像采集卡等，就可對 起重機系統(tǒng)的運動參數(shù)進行采集，并且產(chǎn)生伺服電機的各種控制信號；智控起重機由機械系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成，采用改進的PID控制策略實現(xiàn)起重機的 系統(tǒng)的快速準(zhǔn)確定位；智控起重機械部分與主要由結(jié)構(gòu)(1)硬臂小車(2)大車機構(gòu)(3)組 成大、小車行走機構(gòu)采用伺服電機(4)驅(qū)動；大車位移測量采用對伺服電機的硬盤信號進 行分步驟與計數(shù)，計數(shù)通過電控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)集卡(件號幻來實現(xiàn)；電控系統(tǒng)首先是圖像采集，通過CCD攝像頭(6)采集圖像，由圖像采集卡(7)處 理，轉(zhuǎn)換為生成數(shù)字信號送入計算機；工業(yè)計算機(8)控制核心，通過數(shù)據(jù)采集卡和圖像 采集卡可對起重機系統(tǒng)的運動系數(shù)進行采集并產(chǎn)出伺服電機的各種控制信號；電控系統(tǒng)采 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器(9)，具有自學(xué)習(xí)、自組織功能和聯(lián)想記憶，并自行處理；基于視覺伺服的起重機目標(biāo)定位系統(tǒng)軟件采用VC++語言進行設(shè)計開發(fā)，軟件界 面主要分為參數(shù)設(shè)置，狀態(tài)顯示，自動控制，手動控制等頁面，其中控制頁面中包含視頻采 集圖像及相關(guān)參數(shù)顯示。下面重點介紹本軟件的兩個核心部分1.圓筒形目標(biāo)的快速識別算法本系統(tǒng)需要定位的是圓筒形特定目標(biāo)，從不同的角度看，圓筒形目標(biāo)都可以近似 為橢圓，而橢圓的圓心及橢度等參數(shù)反應(yīng)了目標(biāo)的位置，這是起重機定位的主要依據(jù)，所以 對橢圓目標(biāo)的快速識別算法是基于視覺的起重機目標(biāo)定位系統(tǒng)的重點，也是本項目的創(chuàng)新 之處。標(biāo)準(zhǔn)橢圓方程為
_9] [O-x0)cos(6Q Hy —凡)sin(^)]2 + [(x -xo)sm(0) + (y -y0)cos(^)]2 — 1 ⑴
a2b2 其中(X(1，y0)為橢圓圓心，a，b為橢圓的長短軸，θ為橢圓傾斜度。由式(1)可 知，需要5個參數(shù)來描述橢圓，這為橢圓的識別帶來很大的困難。根據(jù)的圖像大小及背景復(fù)雜程度的不同，目前國際上一些比較先進的算法對一幅圖像中的橢圓識別大約幾秒到幾十 秒的時間，這不能滿足本系統(tǒng)的實時性要求。通過推導(dǎo)，得到橢圓的弦長與切線角之間的微分公式= —^-；-r------cos[arctan(-—---)1 (2)
β a2 sin2{θ +β) + b2 cos2{θ + β) sin(^ + β)α\ η{θ + β)η該公式把式(1)的5參數(shù)簡化為3參數(shù)a，b和θ。以式⑵為目標(biāo)曲線，通過最 速下降法快速擬合待識別曲線，通過計算殘差來判斷待識別曲線與目標(biāo)曲線與之間的相似 度，同時估計參數(shù)a，b和θ。也就是說，通過式( 可以同時完成對目標(biāo)識別與參數(shù)估計，
dL
實現(xiàn)橢圓目標(biāo)的快速識別。圖2就是某一橢圓與其對應(yīng)的曲線。
αβ2.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID位置伺服控制算法在工業(yè)控制中，傳統(tǒng)的PID控制至今仍處于主導(dǎo)地位，尤其適用于能建立數(shù)學(xué)模 型的確定性控制系統(tǒng)。然而大量的工業(yè)過程往往具有非線性、時變不確定性等因素，難以建 立其精確的數(shù)學(xué)模型；另外，PID控制器中的參數(shù)通常都由人工整定，由于一次性整定得到 的這些參數(shù)很難保證其控制效果始終處于最佳狀態(tài)因，因此常規(guī)PID控制器的控制效果 和控制精度受到了限制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自組織功能和聯(lián)想記憶、并行處理等優(yōu)點， 使其在復(fù)雜的工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID，它主要由3個部分組成(1)經(jīng)典PID控制器直接對被控對象過程進行閉環(huán)控制，其三個參數(shù)Ivkpkd在 線確定。采用增量式PID，控制算法為Au(k) = kp[e (k)-e (k_l) ] +k^ (k) +kd[e (k)-2e (k_l) +e (k_2) ] (3)(2)RBF辯識網(wǎng)絡(luò)用于建立被控系統(tǒng)的辯識模型，以便動態(tài)地觀測控制對象的輸 出對控制輸入的靈敏度，提供給BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其徑向基函數(shù)為高斯函數(shù)。辯識器的性能指 標(biāo)函數(shù)為J = ^{y(k)-y(k)f(4)根據(jù)梯度下降法，修正網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)等參數(shù)=++(5)其中為η學(xué)習(xí)率，為α慣性系數(shù)。C3) BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用三層BP網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整自身權(quán)系數(shù)，對PID控制參數(shù)進行調(diào) 節(jié)，以達到控制性能指標(biāo)的最優(yōu)。該起重機具有自動化程度較高、效率高、精度高的優(yōu)點。
四

圖1為系一種帶有機器視覺、定位系統(tǒng)的智能起重機統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。
五具體實施例方式下面結(jié)合附圖具體介紹在圖1中，1為機械結(jié)構(gòu)；2為硬臂小車；3為大車機構(gòu)；4 為伺服電機；5為數(shù)據(jù)集卡；6為CCD攝像頭；7為圖像采集卡；8為工業(yè)計算機；9為電控系
5統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器。一種帶有機器視覺、定位系統(tǒng)的智能起重機，其特征在于由機 器視覺、定位系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)組成；機器視覺、定位系統(tǒng)由機械系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成 機械部分主要由行走大車、行走小車、主梁、端梁、立柱、底座等組成，是實際起重機的等比 例縮小模型，用以模擬起重機運行中的各種狀態(tài)，大小車的行走機構(gòu)采用伺服電機驅(qū)動； 大小車位移測量采用對伺服電機的碼盤信號進行分頻與計數(shù)，分頻可通過在伺服電機驅(qū) 動器中設(shè)置一定的參數(shù)來實現(xiàn)，計數(shù)可通過電控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)；大小車的位 置限位保護裝置采用反射式光電開關(guān)，來實現(xiàn)行走大小車的限位報警功能，其檢測距離為 0 30cm ；電控系統(tǒng)為圖像采集利用工業(yè)CCD采集圖像，將得到的圖像模擬電壓信號輸入 到圖像采集卡中，轉(zhuǎn)換為便于計算機處理的數(shù)字信號，圖像采集卡安裝在工業(yè)控制計算機 的PCI總線插槽中，圖像采樣速度為25幀/秒，滿足系統(tǒng)控制的實時性要求；交流伺服驅(qū) 動系統(tǒng)選定的交流伺服電機及驅(qū)動器具有全閉環(huán)控制功能，配有3種精度的編碼器可供選 用，可以選擇脈沖量進行位置控制、模擬量進行速度控制與轉(zhuǎn)矩控制等多種控制方式，具有 完善的過壓、過載、過電流保護功能，是一個開放式的交流伺服電機系統(tǒng)，可以根據(jù)實際需 要，調(diào)整電機參數(shù)；基于工業(yè)計算機的控制平臺基于視覺的起重機目標(biāo)定位系統(tǒng)以工業(yè) 計算機為控制核心，它最突出的特點是具備高性能的運算能力和存儲容量，有大量的應(yīng)用 軟件可以使用，適用于復(fù)雜應(yīng)用和大量數(shù)據(jù)處理。通過在工業(yè)計算機內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集卡和 圖像采集卡等，就可對起重機系統(tǒng)的運動參數(shù)進行采集，并且產(chǎn)生伺服電機的各種控制信 號；智控起重機由機械系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成，采用改進的PID控制策略實現(xiàn)起重機的 系統(tǒng)的快速準(zhǔn)確定位；智控起重機械部分與主要由結(jié)構(gòu)(1)硬臂小車(2)大車機構(gòu)(3)組 成大、小車行走機構(gòu)采用伺服電機(4)驅(qū)動；大車位移測量采用對伺服電機的硬盤信號進 行分步驟與計數(shù)，計數(shù)通過電控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)集卡(件號幻來實現(xiàn)；電控系統(tǒng)首先是圖像采集，通過CCD攝像頭(6)采集圖像，由圖像采集卡(7)處 理，轉(zhuǎn)換為生成數(shù)字信號送入計算機；工業(yè)計算機(8)控制核心，通過數(shù)據(jù)采集卡和圖像采 集卡可對起重機系統(tǒng)的運動系數(shù)進行采集并產(chǎn)出伺服電機的各種控制信號；電控系統(tǒng)采用 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器(9)，具有自學(xué)習(xí)、自組織功能和聯(lián)想記憶，并自行處理；基于視覺伺服的起重機目標(biāo)定位系統(tǒng)軟件采用VC++語言進行設(shè)計開發(fā)，軟件界 面主要分為參數(shù)設(shè)置，狀態(tài)顯示，自動控制，手動控制等頁面，其中控制頁面中包含視頻采 集圖像及相關(guān)參數(shù)顯示。下面重點介紹本軟件的兩個核心部分1.圓筒形目標(biāo)的快速識別算法本系統(tǒng)需要定位的是圓筒形特定目標(biāo)，從不同的角度看，圓筒形目標(biāo)都可以近似 為橢圓，而橢圓的圓心及橢度等參數(shù)反應(yīng)了目標(biāo)的位置，這是起重機定位的主要依據(jù)，所以 對橢圓目標(biāo)的快速識別算法是基于視覺的起重機目標(biāo)定位系統(tǒng)的重點，也是本項目的創(chuàng)新 之處。標(biāo)準(zhǔn)橢圓方程為
權(quán)利要求
1. 一種帶有機器視覺、定位系統(tǒng)的智能起重機，其特征在于由機器視覺、定位系統(tǒng)和 智能控制系統(tǒng)組成；機器視覺、定位系統(tǒng)由機械系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成機械部分主要由行 走大車、行走小車、主梁、端梁、立柱、底座等組成，是實際起重機的等比例縮小模型，用以模 擬起重機運行中的各種狀態(tài)，大小車的行走機構(gòu)采用伺服電機驅(qū)動；大小車位移測量采用 對伺服電機的碼盤信號進行分頻與計數(shù)，分頻可通過在伺服電機驅(qū)動器中設(shè)置一定的參數(shù) 來實現(xiàn)，計數(shù)可通過電控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)；大小車的位置限位保護裝置采用反 射式光電開關(guān)，來實現(xiàn)行走大小車的限位報警功能，其檢測距離為O 30cm ；電控系統(tǒng)為 圖像采集利用工業(yè)CCD采集圖像，將得到的圖像模擬電壓信號輸入到圖像采集卡中，轉(zhuǎn)換 為便于計算機處理的數(shù)字信號，圖像采集卡安裝在工業(yè)控制計算機的PCI總線插槽中，圖 像采樣速度為25幀/秒，；交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)選定的交流伺服電機及驅(qū)動器具有全閉環(huán)控 制功能，配有編碼器，可以選擇脈沖量進行位置控制、模擬量進行速度控制與轉(zhuǎn)矩控制等多 種控制方式，具有完善的過壓、過載、過電流保護功能，是一個開放式的交流伺服電機系統(tǒng); 基于工業(yè)計算機的控制平臺基于視覺的起重機目標(biāo)定位系統(tǒng)以工業(yè)計算機為控制核心， 通過在工業(yè)計算機內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集卡和圖像采集卡和相關(guān)系統(tǒng)，就可對起重機系統(tǒng)的運動 參數(shù)進行采集，并且產(chǎn)生伺服電機的各種控制信號；基于視覺伺服的起重機目標(biāo)定位系統(tǒng) 軟件采用VC++語言進行設(shè)計開發(fā)，軟件界面主要分為參數(shù)設(shè)置，狀態(tài)顯示，自動控制，手動 控制頁面，其中控制頁面中包含視頻采集圖像及相關(guān)參數(shù)顯示；軟件分別為圓筒形目標(biāo) 的快速識別算法；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID位置伺服控制算法。智能控制系統(tǒng)由機械系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成，采用改進的PID控制策略實現(xiàn)起重機的系 統(tǒng)的快速準(zhǔn)確定位；智控起重機械部分與主要由結(jié)構(gòu)(1)硬臂小車(2)大車機構(gòu)(3)組成 大、小車行走機構(gòu)采用伺服電機(4)驅(qū)動；大車位移測量采用對伺服電機的硬盤信號進行 分步驟與計數(shù)，計數(shù)通過電控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)集卡(5)來實現(xiàn)；電控系統(tǒng)首先是圖像采集，通 過CXD攝像頭(6)采集圖像，由圖像采集卡(7)處理，轉(zhuǎn)換為生成數(shù)字信號送入計算機；工 業(yè)計算機(8)控制核心，通過數(shù)據(jù)采集卡和圖像采集卡可對起重機系統(tǒng)的運動系數(shù)進行采 集并產(chǎn)出伺服電機的各種控制信號；電控系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器(9)，由輸入層、 隱層、結(jié)構(gòu)層、記憶層和輸出層構(gòu)成；具有自學(xué)習(xí)、自組織功能和聯(lián)想記憶，并自行處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有機器視覺、定位系統(tǒng)的智能起重機，由機器視覺、定位系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)組成；機器視覺、定位系統(tǒng)由機械系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成機械部分主要由行走大車、行走小車、主梁、端梁、立柱、底座等組成，電控系統(tǒng)為圖像采集利用工業(yè)CCD采集圖像，將得到的圖像模擬電壓信號輸入到圖像采集卡中，轉(zhuǎn)換為便于計算機處理的數(shù)字信號；智能控制系統(tǒng)由機械系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成，采用改進的PID控制策略實現(xiàn)起重機的系統(tǒng)的快速準(zhǔn)確定位；具有自動化程度較高、效率高、精度高的優(yōu)點。
文檔編號B66C13/48GK102115010SQ201010293379
公開日2011年7月6日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者嚴(yán)小明, 張永中, 李歡, 王友成, 趙全起 申請人:成都西部泰力起重機有限公司