专利名称：一种带有机器视觉、定位系统的智能起重机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有机器视觉、定位系统的智能起重机。
背景技术：
目前，起重机存在自动化程度低、效率不高、精度较差的问题。例如 200910119264.8专利起重机智能控制器手柄单片机的电源由接收器供给用按键开关 (1-8)的开闭向单片机的(12-19)发送指令，用单片机进行编码由2、3向收据传输块的11、 12向接收器的单片机的10、11传输的编码进行解码，电阻排Rl是单片机的上拉电阻，由单 片机的(1-8)脚向光电耦合器的(1-8)脚的输入端发送指令，电阻排R2是光电耦合器的上 拉电阻R0-R6是可控硅的限流电阻用光电耦合器的通断来控制可控硅开关动作，控制接触 器的开关接收器和手柄的电源全部由接收器供给，它们是在接收器用变压器整流滤波和三 端稳压输出的5V直流供电手柄和控制器的接线是用一条直径0. 12m m2X4芯屏蔽电缆 连接，它们的智能控制全部由单片机和软件程序控制，上升和下降的限位直接连在了 P521 的输入端。200910064321. 7专利涉及一种起重机交流电动机调速控制装置，包括壳体，在 壳体中安装有智能主令控制器，智能主令控制器与起重机转子调速智能控制器相连接、与 倒相控制器相连接、与制动器接触器相连接、与制动器接触器相连接，制动器接触器与制动 器相连接，倒相控制器与总开关连接，倒相控制器与电动机定子相连接，电动机的转子与起 重机转子高调速智能控制器相连接，总开关与外部电源相连接，与制动器接触器连接、与倒 相控制器相连接。其优点是减轻起重机电动机发热量、降低起重机的电气的故障率，压缩 起重电气成本，提高安装速度，提高起重机智能化的起重机电动机调速的智能控制装置。起 重机力矩智能限制器2004200^952. 2专利涉及一种用于起重机中智能监控装置，它主要 适用于控制和监控起重机工作的监控装置。而提供一种能精确获得起重机工作过程中的参 数，控制灵敏度高，能实现直观实时监控、提高作业准确性和工作效率的起重机力矩智能限 制器。与现有技术相比具有以下的有益效果结构设计合理，通过设置重力传感器及幅度 传感器装置，主控制箱、显示器，且主控制箱分别通过屏蔽电缆与重力传感器装置、幅度传 感器装置和显示器相连接，对起重量、工作幅度、起重力矩比如力臂长度、起重量和起重力 矩明确显示，同时能够直观地反映起重机的工况，安装、调试、检测方便；检测结构能随机显 示、打印、远程发送，可实现多层次的监督管理。200710056919. 2专利公开一种起重机安全 系统检测控制方法，包括有如下阶段启动起重机并判断系统是否正常的阶段；判断当前 已设的起重机工况与所需工况是否相符的阶段；时时检测、模/数转换和显示起重机当前 负荷参数，并与起重机额定参数相比较的阶段；总线控制信号接收模/数转换的信号的阶 段；根据起重机当前负荷参数与起重机额定参数相比较的结果进行显示和报警的阶段；在 起重机超负荷时停止起重机工作的阶段。本发明既直观又准确，操作司机一目了然，此外， 本发明的起重机安全系统还增加了总线控制功能，使起重机安全系统与起重机控制系统进 行数据交换，智能化程度更高。使起重机运行在最佳状态。控制更加精确、燃油消耗更经济 合理。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种克服以上缺点的带有机器视觉、定位系统的智能起 重机；一种带有机器视觉、定位系统的智能起重机，其特征在于由机器视觉、定位系统和 智能控制系统组成；机器视觉、定位系统由机械系统及电控系统组成机械部分主要由行 走大车、行走小车、主梁、端梁、立柱、底座等组成，是实际起重机的等比例缩小模型，用以模 拟起重机运行中的各种状态，大小车的行走机构采用伺服电机驱动；大小车位移测量采用 对伺服电机的码盘信号进行分频与计数，分频可通过在伺服电机驱动器中设置一定的参数 来实现，计数可通过电控系统中的数据采集卡来实现；大小车的位置限位保护装置采用反 射式光电开关，来实现行走大小车的限位报警功能，其检测距离为O 30cm ；电控系统为 图像采集利用工业CCD采集图像，将得到的图像模拟电压信号输入到图像采集卡中，转换 为便于计算机处理的数字信号，图像采集卡安装在工业控制计算机的PCI总线插槽中，图 像采样速度为25帧/秒，满足系统控制的实时性要求；交流伺服驱动系统选定的交流伺服 电机及驱动器具有全闭环控制功能，配有3种精度的编码器可供选用，可以选择脉冲量进 行位置控制、模拟量进行速度控制与转矩控制等多种控制方式，具有完善的过压、过载、过 电流保护功能，是一个开放式的交流伺服电机系统，可以根据实际需要，调整电机参数；基 于工业计算机的控制平台基于视觉的起重机目标定位系统以工业计算机为控制核心，它 最突出的特点是具备高性能的运算能力和存储容量，有大量的应用软件可以使用，适用于 复杂应用和大量数据处理。通过在工业计算机内安装数据采集卡和图像采集卡等，就可对 起重机系统的运动参数进行采集，并且产生伺服电机的各种控制信号；智控起重机由机械系统及电控系统组成，采用改进的PID控制策略实现起重机的 系统的快速准确定位；智控起重机械部分与主要由结构(1)硬臂小车(2)大车机构(3)组 成大、小车行走机构采用伺服电机(4)驱动；大车位移测量采用对伺服电机的硬盘信号进 行分步骤与计数，计数通过电控系统中的数据集卡(件号幻来实现；电控系统首先是图像采集，通过CCD摄像头(6)采集图像，由图像采集卡(7)处 理，转换为生成数字信号送入计算机；工业计算机(8)控制核心，通过数据采集卡和图像 采集卡可对起重机系统的运动系数进行采集并产出伺服电机的各种控制信号；电控系统采 用神经网络的PID控制器(9)，具有自学习、自组织功能和联想记忆，并自行处理；基于视觉伺服的起重机目标定位系统软件采用VC++语言进行设计开发，软件界 面主要分为参数设置，状态显示，自动控制，手动控制等页面，其中控制页面中包含视频采 集图像及相关参数显示。下面重点介绍本软件的两个核心部分1.圆筒形目标的快速识别算法本系统需要定位的是圆筒形特定目标，从不同的角度看，圆筒形目标都可以近似 为椭圆，而椭圆的圆心及椭度等参数反应了目标的位置，这是起重机定位的主要依据，所以 对椭圆目标的快速识别算法是基于视觉的起重机目标定位系统的重点，也是本项目的创新 之处。标准椭圆方程为
_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)为椭圆圆心，a，b为椭圆的长短轴，θ为椭圆倾斜度。由式(1)可 知，需要5个参数来描述椭圆，这为椭圆的识别带来很大的困难。根据的图像大小及背景复杂程度的不同，目前国际上一些比较先进的算法对一幅图像中的椭圆识别大约几秒到几十 秒的时间，这不能满足本系统的实时性要求。通过推导，得到椭圆的弦长与切线角之间的微分公式= —^-；-r------cos[arctan(-—---)1 (2)
β a2 sin2{θ +β) + b2 cos2{θ + β) sin(^ + β)α\ η{θ + β)η该公式把式(1)的5参数简化为3参数a，b和θ。以式⑵为目标曲线，通过最 速下降法快速拟合待识别曲线，通过计算残差来判断待识别曲线与目标曲线与之间的相似 度，同时估计参数a，b和θ。也就是说，通过式( 可以同时完成对目标识别与参数估计，
dL
实现椭圆目标的快速识别。图2就是某一椭圆与其对应的曲线。
αβ2.基于神经网络的PID位置伺服控制算法在工业控制中，传统的PID控制至今仍处于主导地位，尤其适用于能建立数学模 型的确定性控制系统。然而大量的工业过程往往具有非线性、时变不确定性等因素，难以建 立其精确的数学模型；另外，PID控制器中的参数通常都由人工整定，由于一次性整定得到 的这些参数很难保证其控制效果始终处于最佳状态因，因此常规PID控制器的控制效果 和控制精度受到了限制。神经网络具有自学习、自组织功能和联想记忆、并行处理等优点， 使其在复杂的工业控制中得到了广泛应用。本系统采用基于神经网络的PID，它主要由3个部分组成(1)经典PID控制器直接对被控对象过程进行闭环控制，其三个参数Ivkpkd在 线确定。采用增量式PID，控制算法为Au(k) = kp[e (k)-e (k_l) ] +k^ (k) +kd[e (k)-2e (k_l) +e (k_2) ] (3)(2)RBF辩识网络用于建立被控系统的辩识模型，以便动态地观测控制对象的输 出对控制输入的灵敏度，提供给BP神经网络，其径向基函数为高斯函数。辩识器的性能指 标函数为J = ^{y(k)-y(k)f(4)根据梯度下降法，修正网络权系数等参数=++(5)其中为η学习率，为α惯性系数。C3) BP神经网络采用三层BP网络，通过调整自身权系数，对PID控制参数进行调 节，以达到控制性能指标的最优。该起重机具有自动化程度较高、效率高、精度高的优点。
四
图1为系一种带有机器视觉、定位系统的智能起重机统结构原理图。
五具体实施例方式下面结合附图具体介绍在图1中，1为机械结构；2为硬臂小车；3为大车机构；4 为伺服电机；5为数据集卡；6为CCD摄像头；7为图像采集卡；8为工业计算机；9为电控系
5统神经网络的PID控制器。一种带有机器视觉、定位系统的智能起重机，其特征在于由机 器视觉、定位系统和智能控制系统组成；机器视觉、定位系统由机械系统及电控系统组成 机械部分主要由行走大车、行走小车、主梁、端梁、立柱、底座等组成，是实际起重机的等比 例缩小模型，用以模拟起重机运行中的各种状态，大小车的行走机构采用伺服电机驱动； 大小车位移测量采用对伺服电机的码盘信号进行分频与计数，分频可通过在伺服电机驱 动器中设置一定的参数来实现，计数可通过电控系统中的数据采集卡来实现；大小车的位 置限位保护装置采用反射式光电开关，来实现行走大小车的限位报警功能，其检测距离为 0 30cm ；电控系统为图像采集利用工业CCD采集图像，将得到的图像模拟电压信号输入 到图像采集卡中，转换为便于计算机处理的数字信号，图像采集卡安装在工业控制计算机 的PCI总线插槽中，图像采样速度为25帧/秒，满足系统控制的实时性要求；交流伺服驱 动系统选定的交流伺服电机及驱动器具有全闭环控制功能，配有3种精度的编码器可供选 用，可以选择脉冲量进行位置控制、模拟量进行速度控制与转矩控制等多种控制方式，具有 完善的过压、过载、过电流保护功能，是一个开放式的交流伺服电机系统，可以根据实际需 要，调整电机参数；基于工业计算机的控制平台基于视觉的起重机目标定位系统以工业 计算机为控制核心，它最突出的特点是具备高性能的运算能力和存储容量，有大量的应用 软件可以使用，适用于复杂应用和大量数据处理。通过在工业计算机内安装数据采集卡和 图像采集卡等，就可对起重机系统的运动参数进行采集，并且产生伺服电机的各种控制信 号；智控起重机由机械系统及电控系统组成，采用改进的PID控制策略实现起重机的 系统的快速准确定位；智控起重机械部分与主要由结构(1)硬臂小车(2)大车机构(3)组 成大、小车行走机构采用伺服电机(4)驱动；大车位移测量采用对伺服电机的硬盘信号进 行分步骤与计数，计数通过电控系统中的数据集卡(件号幻来实现；电控系统首先是图像采集，通过CCD摄像头(6)采集图像，由图像采集卡(7)处 理，转换为生成数字信号送入计算机；工业计算机(8)控制核心，通过数据采集卡和图像采 集卡可对起重机系统的运动系数进行采集并产出伺服电机的各种控制信号；电控系统采用 神经网络的PID控制器(9)，具有自学习、自组织功能和联想记忆，并自行处理；基于视觉伺服的起重机目标定位系统软件采用VC++语言进行设计开发，软件界 面主要分为参数设置，状态显示，自动控制，手动控制等页面，其中控制页面中包含视频采 集图像及相关参数显示。下面重点介绍本软件的两个核心部分1.圆筒形目标的快速识别算法本系统需要定位的是圆筒形特定目标，从不同的角度看，圆筒形目标都可以近似 为椭圆，而椭圆的圆心及椭度等参数反应了目标的位置，这是起重机定位的主要依据，所以 对椭圆目标的快速识别算法是基于视觉的起重机目标定位系统的重点，也是本项目的创新 之处。标准椭圆方程为
权利要求
1. 一种带有机器视觉、定位系统的智能起重机，其特征在于由机器视觉、定位系统和 智能控制系统组成；机器视觉、定位系统由机械系统及电控系统组成机械部分主要由行 走大车、行走小车、主梁、端梁、立柱、底座等组成，是实际起重机的等比例缩小模型，用以模 拟起重机运行中的各种状态，大小车的行走机构采用伺服电机驱动；大小车位移测量采用 对伺服电机的码盘信号进行分频与计数，分频可通过在伺服电机驱动器中设置一定的参数 来实现，计数可通过电控系统中的数据采集卡来实现；大小车的位置限位保护装置采用反 射式光电开关，来实现行走大小车的限位报警功能，其检测距离为O 30cm ；电控系统为 图像采集利用工业CCD采集图像，将得到的图像模拟电压信号输入到图像采集卡中，转换 为便于计算机处理的数字信号，图像采集卡安装在工业控制计算机的PCI总线插槽中，图 像采样速度为25帧/秒，；交流伺服驱动系统选定的交流伺服电机及驱动器具有全闭环控 制功能，配有编码器，可以选择脉冲量进行位置控制、模拟量进行速度控制与转矩控制等多 种控制方式，具有完善的过压、过载、过电流保护功能，是一个开放式的交流伺服电机系统; 基于工业计算机的控制平台基于视觉的起重机目标定位系统以工业计算机为控制核心， 通过在工业计算机内安装数据采集卡和图像采集卡和相关系统，就可对起重机系统的运动 参数进行采集，并且产生伺服电机的各种控制信号；基于视觉伺服的起重机目标定位系统 软件采用VC++语言进行设计开发，软件界面主要分为参数设置，状态显示，自动控制，手动 控制页面，其中控制页面中包含视频采集图像及相关参数显示；软件分别为圆筒形目标 的快速识别算法；基于神经网络的PID位置伺服控制算法。智能控制系统由机械系统及电控系统组成，采用改进的PID控制策略实现起重机的系 统的快速准确定位；智控起重机械部分与主要由结构(1)硬臂小车(2)大车机构(3)组成 大、小车行走机构采用伺服电机(4)驱动；大车位移测量采用对伺服电机的硬盘信号进行 分步骤与计数，计数通过电控系统中的数据集卡(5)来实现；电控系统首先是图像采集，通 过CXD摄像头(6)采集图像，由图像采集卡(7)处理，转换为生成数字信号送入计算机；工 业计算机(8)控制核心，通过数据采集卡和图像采集卡可对起重机系统的运动系数进行采 集并产出伺服电机的各种控制信号；电控系统采用神经网络的PID控制器(9)，由输入层、 隐层、结构层、记忆层和输出层构成；具有自学习、自组织功能和联想记忆，并自行处理。
全文摘要
本发明公开了一种带有机器视觉、定位系统的智能起重机，由机器视觉、定位系统和智能控制系统组成；机器视觉、定位系统由机械系统及电控系统组成机械部分主要由行走大车、行走小车、主梁、端梁、立柱、底座等组成，电控系统为图像采集利用工业CCD采集图像，将得到的图像模拟电压信号输入到图像采集卡中，转换为便于计算机处理的数字信号；智能控制系统由机械系统及电控系统组成，采用改进的PID控制策略实现起重机的系统的快速准确定位；具有自动化程度较高、效率高、精度高的优点。
文档编号B66C13/48GK102115010SQ201010293379
公开日2011年7月6日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者严小明, 张永中, 李欢, 王友成, 赵全起 申请人:成都西部泰力起重机有限公司