基于智能相机检测的双小车四吊具的桥吊自动控制系统的制作方法

本发明涉及一种桥吊自动控制系统，具体是指一种基于智能相机检测的双小车四吊具的桥吊自动控制系统，属于自动控制、电子信息技术领域。

背景技术：

随着工业物联网的成熟，对运输效率的要求也日益提高。桥吊作为运输行业中极为重要的运输工具，其效率的提高具有重要意义。但是就大多数港口而言，目前，仍以单吊具桥吊为主，远远不能满足生产活动对效率的高要求。不仅如此，许多港口依旧采用人力检测和控制桥吊，无法避免且甚至会增加时延和误差，因此运行效率极其低下。并且由于采用大量复杂的传感器来测量所需数据，造成了结构复杂，成本高、维修困难、抗干扰能力差等问题。与此同时，在桥吊运输过程中，存在负载随小车的移动而产生不必要的摇摆问题，这也极大的降低了桥吊的工作效率，同时也增加了安全隐患。现有技术中，对于吊具摇摆问题，部分桥吊中采用机械防摇和电子防摇，但控制效果均不尽如人意。因此，如何保证桥吊准确到达指定位置的同时，还能抑制负载摆角的产生，成为当前关注的焦点。

为了提高桥吊的运行效率，桥吊正在朝着多吊具、自动化的方向发展，且对桥吊的控制性能如：快速抑制吊具摆角等的要求也越来越高。但就目前而言，现有的桥吊控制系统和控制方法，大都基于单吊具桥吊而设计的，且很难避免仍然在某些情况下需要人力的检测与操作，同时基于人力操作的单吊具桥吊存在控制方式不灵活，控制性能较差的问题，极大的限制了桥吊系统的运输效率。目前，对于双小车多吊具的桥吊控制系统，研究相对较少，因为双小车的控制将更为复杂，很难采用单小车的控制方法来满足性能。

基于上述，本发明对于双小车四吊具结构的桥吊，提出一种基于智能相机检测的桥吊自动控制系统，实现高速度、高时效的数据处理方式，保证控制系统的实时性和精确性，从而有效解决现有技术中存在的缺点和限制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于智能相机检测的双小车四吊具的桥吊自动控制系统，通过智能相机检测桥吊各个控制单元的实时状态，并根据实时反馈进行控制调整，实现控制的实时性和精确性。

为实现上述目的，本发明提供一种基于智能相机检测的双小车四吊具的桥吊自动控制系统；其中，双小车四吊具的桥吊包含：设置在滑道内的大车框架；分别通过横梁吊装在大车框架上的两个小车；四个吊具，每个小车下方吊载两个吊具；所述的桥吊自动控制系统包含：中央控制器，安装在大车框架上；小车运行控制单元，安装在大车框架上且与横梁相连接的位置，与中央控制器连接，控制两个小车沿着横梁进行平滑运动；吊具起升控制单元，分别安装在两个小车上，控制四个吊具在竖直方向上的升降；智能相机检测单元，安装在大车框架和两个小车上，检测两个小车的运行位置信息、四个吊具的摆角信息与吊载长度信息，并传输至中央控制器，中央控制器根据获取的反馈信息进行控制调整，直至两个小车和四个吊具到达期望位置。

所述的桥吊自动控制系统，还包含大车运行控制单元，安装在大车框架上，与中央控制器连接，控制大车框架沿着滑道进行平滑运动。

所述的大车运行控制单元包含：8个变频器，分别与中央控制器连接；8个第一伺服驱动电机，分别与各个变频器连接，其中4个第一伺服驱动电机分别安装在大车框架顶点上，另外4个第一伺服驱动电机分别安装在大车框架侧边上；由中央控制器控制各个变频器，对8个第一伺服驱动电机进行同步控制，驱动大车框架沿着滑道进行平滑运动。

所述的小车运行控制单元包含：2个变频器，分别与中央控制器连接；2个第二伺服驱动电机，分别与各个变频器连接，且分别与各个小车连接，其中1个第二伺服驱动电机安装在大车框架上且与吊载第一小车的横梁相连接的位置，另外1个第二伺服驱动电机安装在大车框架上且与吊载第二小车的横梁相连接的位置；由中央控制器通过各个变频器控制各个第二伺服驱动电机，驱动各个小车沿着横梁进行平滑运动。

所述的吊具起升控制单元包含：4个变频器，分别与中央控制器连接；4个第三伺服驱动电机，分别与各个变频器连接，且分别与各个吊具连接，其中2个第三伺服驱动电机安装在第一小车上，另外2个第三伺服驱动电机安装在第二小车上；由中央控制器通过各个变频器控制各个第三伺服驱动电机，驱动各个吊具在竖直方向上的起升或下降。

所述的智能相机检测单元包含：第一智能相机，安装在大车框架的顶角上，拍摄得到两个小车当前所在位置的图片；2个第二智能相机，分别安装在两个小车上，分别拍摄每个小车上吊载的两个吊具当前所在位置的图片，并且该第二智能相机上设置有紫外光发射器；4个紫外光接收器，分别安装在四个吊具的顶端，通过接收第二智能相机的紫外光发射器发出的紫外光，计算得到其能量损失量，并发送至第二智能相机计算得到各个吊具的吊载长度信息；云处理器，分别与第一智能相机以及第二智能相机无线连接，获取各个吊具的吊载长度信息，并根据两个小车和四个吊具当前所在位置的图片，计算得到两个小车的位置信息、速度信息、以及四个吊具的摆角信息。

所述的第二智能相机上还设置有：红外短波照明器，为第二智能相机的拍摄提供光源；输入模块，接收各个紫外光接收器发出的紫外光能量损失量，以及接收两个小车和四个吊具当前所在位置的图片；cpu模块，对各个紫外光接收器发出的紫外光能量损失量，计算得到各个吊具的吊载长度信息，并且对两个小车和四个吊具当前所在位置的图片进行无失真压缩得到压缩后的图像序列；无线传输模块，将各个吊具的吊载长度信息以及压缩后的图像序列通过无线传输至云处理器。

本发明还提供一种基于智能相机检测的双小车四吊具的桥吊自动控制方法，采用上述的桥吊自动控制系统实现，包含以下步骤：

s1、根据两个小车的期望位置和四个吊具的期望绳长，由中央控制器1控制小车运行控制单元和吊具起升控制单元，使两个小车和四个吊具分别运行并到达当前位置；

s2、由智能相机检测单元拍摄得到两个小车和四个吊具当前所在位置的图片，以及根据紫外光能量损失量计算得到四个吊具的当前绳长，通过无线传输至云服务器；由云服务器计算得到两个小车的当前位置，两个小车的运行速度，四个吊具的当前摆角、当前角速度、当前绳长，并传输至中央控制器；

s3、中央控制器根据各个吊具的当前绳长与期望绳长的误差值，计算得到各个吊具的起升控制量；

s4、中央控制器根据各个小车的当前位置与期望位置的误差值，以及小车运行速度计算得到各个小车位置的误差输出值；

中央控制器根据各个吊具的当前摆角以及当前角速度计算得到各个吊具的摆角误差输出值；

根据各个小车位置的误差输出值以及各个吊具的摆角误差输出值计算得到各个小车的位置控制量；

s5、中央控制器将各个吊具的起升控制量以及各个小车的位置控制量分别输出至吊具起升控制单元和小车运行控制单元进行调整控制，直至两个小车和四个吊具达到期望位置。

综上所述，本发明所提供的基于智能相机检测的双小车四吊具的桥吊自动控制系统，通过智能相机检测桥吊各个控制单元的实时状态，基于云处理技术，根据反馈信息进行数据处理得到调整后的对应控制量，从而进一步控制桥吊的各个控制单元进行运行调整，实现自动化控制的同时，高速度、高时效的数据处理方式保证了控制的实时性和精确性。

附图说明

图1为本发明中的基于智能相机检测的双小车四吊具的桥吊自动控制系统的结构示意图；

图2为本发明中的智能相机检测单元的结构示意图；

图3为本发明中的采用智能相机检测单元对吊具摆角测量的原理图；

图4为本发明中的基于智能相机检测的双小车四吊具的桥吊自动控制系统的控制原理图。

具体实施方式

以下结合图1～图4，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

如图1所示，为本发明提供的基于智能相机检测的双小车四吊具的桥吊自动控制系统。其中，所述的双小车四吊具的桥吊结构包含：大车101，设置在滑道内的，为长方体框架结构；两个小车102、103，每个小车通过横梁吊装在大车101的框架上；四个吊具16、17、18和19，每个小车下方吊载两个吊具，根据图1所示，小车102下方吊载吊具18、19，小车103下方吊载吊具16、17。

所述的桥吊自动控制系统包含：中央控制器1，安装在大车101的框架上；小车运行控制单元，安装在大车101上且与横梁相连接的位置，与中央控制器1连接，分别控制两个小车102、103沿着横梁进行平滑运动；吊具起升控制单元，安装在两个小车102、103上，分别控制四个吊具在竖直方向上的升降；智能相机检测单元，安装在大车101和两个小车102、103上，检测两个小车的运行位置信息、四个吊具的摆角信息与吊载长度信息，并传输至中央控制器1，中央控制器1根据获取的反馈信息进行控制调整，直至两个小车和四个吊具准确到达期望位置。

进一步，本发明所述的桥吊自动控制系统，还包含：大车运行控制单元，安装在大车101的框架上，与中央控制器1连接，控制大车101沿着滑道进行平滑运动。

在本发明的一个优选实施例中，如图1所示，所述的大车运行控制单元包含：8个变频器，分别与中央控制器1连接；8个第一伺服驱动电机2～9，分别与各个变频器连接，其中4个第一伺服驱动电机2、5、6、9分别安装在大车101的框架顶点上，另外4个第一伺服驱动电机3、4、7、8分别安装在大车101的框架侧边上；8个第一减速器，分别与各个第一伺服驱动电机连接；由中央控制器1控制各个变频器，通过调整施加在各个第一伺服驱动电机上的电压增量，对8个第一伺服驱动电机进行同步控制，使8个第一伺服驱动电机达到同步，从而驱动大车101沿着滑道进行平滑运动。

在本发明的一个优选实施例中，如图1所示，所述的小车运行控制单元包含：2个变频器，分别与中央控制器1连接；2个第二伺服驱动电机10、11，分别与各个变频器连接，其中1个第二伺服驱动电机10安装在大车101上且与吊载第一小车102的横梁相连接的位置，另外1个第二伺服驱动电机11安装在大车101上且与吊载第二小车103的横梁相连接的位置；2个第二减速器，分别与各个第二伺服驱动电机连接，且分别与两个小车102、103连接；由中央控制器1通过各个变频器控制各个第二伺服驱动电机采用同步轮的方式，驱动两个小车在大车101提供的空间内沿着横梁进行平滑运动。

在本发明的一个优选实施例中，如图1所示，所述的吊具起升控制单元包含：4个变频器，分别与中央控制器1连接；4个第三伺服驱动电机12、13、14和15，分别与各个变频器连接，其中2个第三伺服驱动电机12、13安装在第一小车102上，另外2个第三伺服驱动电机14、15安装在第二小车103上；4个第三减速器，分别与各个第三伺服驱动电机连接，且分别与四个吊具16、17、18和19连接；由中央控制器1通过各个变频器控制各个第三伺服驱动电机，驱动四个吊具16、17、18和19在竖直方向上的起升或下降。

其中，设置在同一小车上的两个第三伺服驱动电机，可以分别单独运行，即分别受中央控制器1的控制，并单独控制各自连接的吊具升降。当然，设置在同一小车上的两个第三伺服驱动电机，也可以协调同步运行，此时该两个第三伺服驱动电机之间由同步装置连接，从而同时受控于中央控制器1，并且控制各自连接的吊具同步升降。

在本发明的一个优选实施例中，如图1和图2所示，所述的智能相机检测单元包含：第一智能相机26，安装在大车101的其中一个顶角上，拍摄得到两个小车当前所在位置的图片；2个第二智能相机20、21，分别安装在两个小车102、103上，分别拍摄每个小车上吊载的两个吊具当前所在位置的图片，并且该第二智能相机上设置有紫外光发射器；4个紫外光接收器22、23、24、25，分别安装在四个吊具16、17、18和19的顶端，通过接收第二智能相机的紫外光发射器发出的紫外光，计算得到其能量损失量，并发送至第二智能相机计算得到各个吊具的吊载长度信息；云处理器，分别与第一智能相机以及第二智能相机无线连接，获取各个吊具的吊载长度信息，并根据两个小车当前所在位置的图片以及四个吊具当前所在位置的图片，计算得到两个小车的位置信息、速度信息、以及四个吊具的摆角信息。

所述的第二智能相机上还设置有：红外短波照明器，为第二智能相机的拍摄提供光源；输入模块，接收各个紫外光接收器发出的紫外光能量损失量，以及接收两个小车和四个吊具当前所在位置的图片；cpu模块(例如stm32f2)，对各个紫外光接收器发出的紫外光能量损失量，计算得到各个吊具的吊载长度信息，并且对两个小车和四个吊具当前所在位置的图片进行实时、快速的无失真压缩(如通过预测编码算法进行压缩)得到压缩后的图像序列；无线传输模块，将各个吊具的吊载长度信息以及压缩后的图像序列通过无线传输至云处理器。

如图3所示，这里简单说明一下云处理器如何根据所获取的信息计算得到吊具的摆角信息。以第二智能相机的中心作为原点，建立空间直角坐标系。已知初始坐标a(0，a，l)和c(0，-a，l)，这两点分别为两个吊具未发生摆角时所在的点；当吊具产生摆动后，通过坐标变化，可以得知吊具当前所在的坐标为b(x1，-a，lcosθ1)和d(x2，-a，lcosθ2)；其中，a为已知常数，绳长l可由紫外光能量损失量根据比例关系计算获得，并且通过对图片进行分析，可得到x1与x2的值，再利用绳长l和三角关系，即可得出摆角信息：

上述的相关计算过程，均可在云处理器中完成。

在本发明的一个优选实施例中，所述的中央控制器1由单片机控制器(例如arm控制器、dsp控制器等)、存储器、输入/输出接口、以及电源等组成。该中央控制器1通过输入接口接收云处理器发出的小车位置信息、吊具摆角信息、吊载长度(绳长)信息，并通过单片机控制器运行相应的控制算法，获取对应的输出控制量，包括小车运行控制量、吊载长度控制量等；之后通过输出接口将该些输出控制量传输至对应的小车运行控制单元和吊具起升控制单元，进一步调整小车运行位置以及吊具的吊载长度，直至其达到期望位置。

其中，所述的控制算法可使用如积分滑模控制算法、神经网络积分滑模控制算法、自适应滑模控制算法等，该些控制算法均对不确定性具有很好的鲁棒性。当然，其他一些具有适用性的控制算法也可以用于本发明的桥吊自动控制系统，并不在本发明中进行任何限制。

如图4所示，本发明所提供的基于智能相机检测的双小车四吊具的桥吊自动控制系统，其具体控制过程如下所述。第一，由中央控制器1输出控制信号，第一小车102的期望位置xd1，第二小车103的期望位置xd2，四个吊具的期望绳长分别为ld1、ld2、ld3、ld4，小车运行控制单元和吊具起升控制单元根据接收到的控制信号，控制两个小车和四个吊具分别运行并到达某一位置。

第二，由智能相机检测单元拍摄得到两个小车和四个吊具当前所在位置的图片，以及根据紫外光能量损失量计算得到四个吊具的实际绳长信息，在将图片进行无失真压缩后，通过无线传输模块传送到云服务器；并由云服务器通过算法处理后计算得到：两个小车的当前位置x1、x2，两个小车的运行速度v1、v2，四个吊具的当前摆角θj、当前角速度ωj和当前绳长elj(其中j＝1，2，3，4)，并将所有数据传输至中央控制器1。

第三，中央控制器1根据各个吊具的当前绳长与期望绳长的误差值，经过其内部预先设置的控制算法计算得到各个吊具的起升控制量uj，j＝1，2，3，4。

第四，中央控制器1根据各个小车的当前位置与期望位置的误差值，以及小车运行速度计算得到各个小车位置的误差输出值eu1、eu2；进一步，中央控制器1根据各个吊具的当前摆角以及角速度计算得到各个吊具的摆角误差输出值uθ1、uθ2、uθ3、uθ4；最后，将各个小车位置的误差输出值与各个吊具的摆角误差输出值进行综合运算，得到各个小车的位置控制量：

u1＝k1eu1+k2uθ1+k3uθ2；

u2＝k4eu2+k5uθ3+k6uθ4；

其中，k1～k6为自适应调节系数。

第五，将上述得到的各个吊具的起升控制量以及各个小车的位置控制量分别输出至小车运行控制单元和吊具起升控制单元的各个伺服驱动电机的驱动电路运行，进行进一步的调整控制，直至两个小车和四个吊具最终准确达到期望位置，并且同时能够大大衰减吊具的摆角，提高控制的实时性和精确度。

综上所述，本发明所提供的基于智能相机检测的双小车四吊具的桥吊自动控制系统，通过智能相机检测桥吊各个控制单元的实时状态，基于云处理技术，根据反馈信息进行数据处理得到调整后的对应控制量，从而进一步控制桥吊的各个控制单元进行运行调整，实现自动化控制的同时，高速度、高时效的数据处理方式保证了控制的实时性和精确性。

具体的，本发明通过使用总共14个伺服驱动电机及变频器，进行多电机的协调运行和操作控制，对桥吊的大车、小车进行精确的位置控制，并且对各个吊具进行精确的位置控制以及抑制摆动控制等；其次通过3个智能相机分别对两个小车的位置、四个吊具的摆角和吊载长度进行实时检测；最后通过中央控制器，根据检测反馈的实时信息调整控制并输出相应的控制量，达到精确控制两个小车的位置、四个吊具的摆角和吊载长度。

因此，本发明相比现有技术，具有以下优点和有益效果：

1、本发明是基于双小车四吊具的桥吊结构提出的自动控制系统，可实现对两个小车，四个吊具的同时控制，应用范围广；

2、本发明无需大量使用传感器，仅通过智能相机作为检测单元，可同时获取多个状态信息；

3、本发明通过中央控制器有效提高控制的实时性和精确性，避免使用大量控制器造成的误差；

4、本发明结构紧凑、测量精度高、成本低、易安装、易维修。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。