一种非接触式行吊吊绳摆角监测装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种非接触式行吊吊绳摆角监测装置，具有：图像采集单元：采集包含吊绳根部和定长吊绳段的原始图片；图像处理单元：该单元包括图像预处理模块和图像处理模块；所述的图像预处理模块，生成图片的灰度图片；在该灰度图片分离出去除背景图像的吊绳图像；图像处理模块，截取所述吊绳图像上部、中部和下部图像；计算吊绳图像分别在所述上部、中部和下部图像中多个像素行中的起始列(j1b,j1e)和截止列(jx1b,jx1e)；根据所述的起始列和截止列分别计算吊绳在所述的上部图像、中部图像和下部图像中的角度平均值；得到吊绳的实际摆角；本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种非接触式行吊吊绳摆角监测装置，它能监测吊绳的摆角并在摆角超出人为规定角度时产生报警，以提醒工作人员对其进行及时的纠偏。
【专利说明】
一种非接触式行吊吊绳摆角监测装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种非接触式行吊吊绳摆角监测装置。涉及专利分类号B66卷扬；提 升;牵引B66C起重机；用于起重机、绞盘、绞车或滑车的载荷吊挂元件或装置B66C13/00其他 结构特征或零件B66C13/16显示、记录或称量装置的应用。
【背景技术】
[0002] 行吊在吊装过程中，由于水平运动、人为拉拽、风力作用等均会迫使吊绳偏离垂直 位置，这将加速吊绳磨损，甚至造成吊绳损坏，从而产生安全隐患，增加维护成本，因此，对 吊绳摆角进行实时监测，并在超出安全工作范围时及时警示操作人员对吊绳进行纠偏，就 显得尤为重要。
[0003] 现有技术中，多采用机械接触式监测装置，其不足之处是，安装复杂，维护极为不 便，且因缺乏可控途径而造成误告警较多，影响行吊正常使用。
【发明内容】
[0004] 本发明针对以上问题的提出，而研制的一种非接触式行吊吊绳摆角监测装置，具 有：
[0005] 图像采集单元:采集包含吊绳根部和定长吊绳段的原始图片；
[0006] 图像处理单元:该单元包括图像预处理模块和图像处理模块；
[0007] 所述的图像预处理模块，根据获得的原始，生成图片的灰度图片;在该灰度图片分 离出去除背景图像的吊绳图像；
[0008] 所述的图像处理模块，分别截取所述吊绳图像分别包含设定数量的像素行的上 部、中部和下部图像;计算吊绳图像分别在所述上部、中部和下部图像中多个像素行中的起 始列（j lb，j le )和截止列（jxlb，jxle );
[0009] 根据所述的起始列和截止列分别计算吊绳在所述的上部图像、中部图像和下部图 像中的角度平均值;通过均值计算吊绳在所述吊绳图像中的摆角；
[0010] 根据图像采集设备的视场角β、焦距f、图像采集设备光轴与水平面的倾角α以及图 像采集设备镜头光心至吊绳铅垂面的距离d，通过如下公式：
[0012] 得到吊绳的实际摆角；
[0013] 告警单元:若实际摆角超过安全范围，发出报警。
[0014] 作为优选的实施方式，所述的图像预处理模块通过如下算式：
[0015] 0.299Xr+0.587Xg+0.114Xb
[0016] 计算所述的图片中每一个像素点的灰度值，使用灰度值替换像素点的彩色值，生 成所述的灰度图片;其中r表示图像中像素点的红色成分，g表示图像中像素点的绿色成分， b表示图像中像素点的蓝色成分。
[0017] 作为优选的实施方式，所述的图像处理单元中图像预处理模块进行"分离出吊绳 图像和背景图像"操作的具体过程如下：
[0018] 采集不同外部环境背景下的图片，得到不同环境背景下的灰度图片，标定得到表 示不同外部环境背景下灰度范围的典型值;进而划分为n-1个典型值区间，所述的n-1个典 型值区间分别表不为[Grl，Gr2)，[Gr2，Gr3)，···，[Grn-l，Grn];
[0019] 根据每个典型值区间内最大值和最小值，给定所述的每个典型值区间中能够最佳 区分行吊吊绳与背景的灰度阈值匕1，1 = 1，一，11-1;从而获得当前环境下的灰度阈值匕；
[0020] 选择所述灰度图像中的特定区域，计算区域中灰度的平均值，将该平均值作为背 景灰度参考值Gr;
[0021] 若当前的灰度图像中的背景灰度参考值Gr大于所述的灰度阈值Gt，则认为图像是 吊绳图像，否则认为是背景图像。
[0022]更进一步的，特定区域的定义如下：图像采集模块采集图像的像素大小为η行m列， 得到的灰度图像同样为η行m列，取灰度图像由第0行第0列起至nl行ml列止像素、第0行第m-ml列起至nl行m列止像素、第n-n2行第0列起至第η行第m2列和第n-n2行第m-m2列起至第η行 第m列，即为选定的特定区域，其中mi〈m/3，m2〈m/3，m〈n/3，n2〈n/3,计算特定区域的平均值， 即为所述的背景灰度参考值G r。
[0023] 作为优选的实施方式，所述的上部像素行为分离后的吊绳图像中取上部0至^行 数据、中部Pi至Ρι+Χ2行数据和图像下部n-X3至η行数据，其中?〈η/3、Χ2〈η/3、Χ3〈η/3、Ρι>η/3。
[0024] 更进一步的，在计算吊绳图像起始列和截止列步骤之前，通过如下公式：
[0026] 计算吊绳图像在所述的上部像素行中的宽度值'进而计算得出图像中部X2行数 据中的宽度值和图像下部X3行数据中的宽度值13;
[0027] 若1]^-九I、丨匕-九I及l/i3- /0:1均小于预定吊绳宽度成像误差ξ，则认为完成分 离的吊绳图像合格，进行后续的计算吊绳图像起始列和截止列；否则，表示当前分离背景后 的图像并非是吊绳图像重新采集图像并进行之前的操作;jo表示预定的吊绳宽度。
[0028] 作为优选的实施方式，所述的角度平均值的计算过程如下：
[0029]针对图像上部X1行数据中灰度值为1的起始和截止列数：（jlb，jle)，···，（ jxlb，jxle)， 计算图像上部X1行数据中吊绳摆角的平均值0:=(000^+0:3)/3,其中：
[0031] ljPl2满足1〈11〇1、1〈1 2〇1;11和12分别为从第一行至第11行之间的1 1和12行；
[0032] 作为优选的实施方式，还具有角度调整机构:改变图像采集单元、图像处理单元及 告警单元所在机构与吊绳的相对角度及图像采集单元与水平面的倾角α。
[0033] 通过采用上述技术方案，本发明公开的一种非接触式行吊吊绳摆角监测装置克服 了现有技术中的不足，提供了一种非接触式行吊吊绳摆角监测装置，它能监测吊绳的摆角 并在摆角超出人为规定角度时产生报警，以提醒工作人员对其进行及时的纠偏。
【附图说明】
[0034]为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]图1是本发明的结构图；
[0036]图2是角度调节单元的结构图；
[0037]图3是吊绳摆角的示意图；
[0038]图4是检测装置工作的流程图。
[0039]图中：1、图像预处理模块，2、图像处理单元，3、告警单元，4、电源单元，5、图像采集 单元、图像处理单元及告警单元所在机构，6、为角度调节支架，7、表示角度调节紧固件，8、 滑轮，9、吊绳。
【具体实施方式】
[0040] 为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
[0041] 如图1-4所示:一种非接触式行吊吊绳摆角监测装置，通过采用视频算法从原始图 像中分离出吊绳的灰度图像，进而通过公式计算得出由缠绕滑轮8的吊绳9的角度(摆角）， 装置主要包括：
[0042] 图像采集单元5:该单元主要用于采集原始的彩色图片，该图片主要包含吊绳根 部、定长吊绳段和必要的外部环境背景。
[0043]图像处理单元2,该模块为装置的主要功能部件，主要包括图像预处理模块1和图 像处理模块。
[0044]图像预处理模块1，主要对图像采集单元5采集的彩色图片进行预处理变为灰度图 片。作为优选的实施方式，所述的图像预处理模块通过如下算式：
[0045] 0.299Xr+0.587Xg+0.114Xb
[0046] 计算所述的图片中每一个像素点的灰度值，使用灰度值替换像素点的彩色值，生 成所述的灰度图片;其中r表示图像中像素点的红色成分，g表示图像中像素点的绿色成分， b表示图像中像素点的蓝色成分。
[0047]在得到灰度图片后，进一步处理，主要得到去除背景之后的吊绳灰度图像，作为优 选的实施方式，
[0048]为了应对不同环境造成的背景灰度变化，在分离之前首选需要标定图像预处理模 块。首先根据采集到的不同外部环境背景下的图片，得到不同环境背景下的灰度图片，标定 得到表示不同外部环境背景下灰度范围的典型值，划分为n-1个典型值区间，所述的n-1个 典型值区间分别表不为[Grl，Gr2][Gr2，Gr3]，···，[Grn-l，Grn]。
[0049] 每一种典型环境其背景变化范围由一个区间表示。比如，阴天对应的是一个典型 值区间，降雪天气对应一个典型值区间等。
[0050] 根据每个典型值区间内最大值和最小值，给定所述的每个典型值区间中能够最佳 区分行吊吊绳与背景的灰度阈值匕1，1 = 1，一，11-1;从而获得当前环境下的灰度阈值匕；
[0051] 选择所述灰度图像中的特定区域，计算区域中灰度的平均值，将该平均值作为背 景灰度参考值Gr;
[0052] 在本实施例中对特定区域的定义如下：图像采集模块采集图像的像素大小为η行m 列，得到的灰度图像同样为η行m列，取灰度图像第0行第0列起至nl行ml列止像素、第0行第 m-ml列起至nl行m列止像素、第n-n2行第0列起至第η行第m2列和第n-n2行第m-m2列起至第η 行第m列，即为选定的特定区域，其中1111〈111/3，1112〈111/3，111〈11/3，112〈11/3，计算特定区域的平均 值，即为所述的背景灰度参考值Gr。
[0053] 若当前的灰度图像中的背景灰度参考值Gr大于所述的灰度阈值Gt，则认为图像是 吊绳图像，否则认为是背景图像，放弃当前的图像，重新根据下一帧的原始彩色图像进行处 理。
[0054]如果采集到了表示吊绳的灰度图像，所述的图像处理模块开始进行处理，
[0055] 针对吊绳的灰度图像划分成上部、中部和下部像素行区域。上部像素行为分离后 的吊绳图像中取上部〇至幻行数据、中部?1至? 1+12行数据和图像下部n-X3至η行数据，其中X1 〈η/3、Χ2〈η/3、Χ3〈η/3、Ρι>η/3 〇
[0056] 然后计算
[0058] 计算吊绳图像在所述的上部像素行中的宽度值^，进而计算得出图像中部χ2行数 据中的宽度值和图像下部X3行数据中的宽度值
[0059] 若ll5l-九1、l]；2-九1及l]；3-九1均小于预定吊绳宽度成像误差ξ，则认为完成分 离的吊绳图像合格，进行后续的计算吊绳图像起始列和截止列；否则，表示当前分离背景后 的图像并非是吊绳图像重新采集图像并进行之前的操作;jo表示预定的吊绳宽度。
[0060] 针对图像上部XI行数据中灰度值为1的起始和截止列数：（jib, jle)，···，（ jxlb, jxle)，计算图像上部xi行数据中吊绳摆角的平均值0:=(000^+0:3)/3,其中：
[0062] UP12满足1〈11〈幻、1〈12〈幻；1 1和12分别为从第一行至第11行之间的11和12行。
[0063] 根据图像采集设备的视场角β、焦距f、图像采集设备光轴与水平面的倾角α以及图 像采集设备镜头光心至吊绳铅垂面的距离d，通过如下公式：
[0065] 得到吊绳的实际摆角；
[0066]告警单元:若实际摆角超过安全范围，发出报警。
[0067]本发明选用的主要硬件如下：
[0068]现选用摄像头0V2640作为图像采集单元5，STM32F407单片机作为图像处理单元2， 声光告警装置作为告警单元3，电池作为电源单元4，电池为整个装置供电，确保各个部件能 正常工作，通过调节图像采集单元、图像处理单元及告警单元所在机构侧边的紧固螺丝，即 角度调节紧固件7调节图像采集单元5或者说摄像头在角度调节支架6上的具体位置，用摄 像头来实时的监测吊绳的状态，将采集到的图像信息传给STM32F407单片机，单片机首先将 图像中含有的除吊绳以外的背景部分去除，找出吊绳所在直线的具体位置，然后计算出出 吊绳的摆角，当摆角超出程序中预先设定的安全角度时，声光告警装置就会发出告警信号， 以提示工作人员吊绳发生了偏移需进行纠偏，而未超出设定的安全范围时，声光告警装置 则不做任何响应。
[0069]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种非接触式行吊吊绳摆角监测装置，其特征在于具有： 图像采集单元:采集包含吊绳根部和定长吊绳段的原始图片； 图像处理单元:该单元包括图像预处理模块和图像处理模块； 所述的图像预处理模块，根据获得的原始，生成图片的灰度图片;在该灰度图片分离出 去除背景图像的吊绳图像； 所述的图像处理模块，分别截取所述吊绳图像分别包含设定数量的像素行的上部、中 部和下部图像;计算吊绳图像分别在所述上部、中部和下部图像中多个像素行中的起始列 0'化^^)和截止列（山化，山16); 根据所述的起始列和截止列分别计算吊绳在所述的上部图像、中部图像和下部图像中 的角度平均值;通过均值计算吊绳在所述吊绳图像中的摆角； 根据图像采集设备的视场角β、焦距f、图像采集设备光轴与水平面的倾角aW及图像采 集设备镜头光屯、至吊绳铅垂面的距离d，通过如下公式：得到吊绳的实际摆角； 告警单元:若实际摆角超过安全范围，发出报警。2. 根据权利要求1所述的非接触式行吊吊绳摆角监测装置，其特征还在于所述的图像 预处理模块通过如下算式： 0.299Xr+0.587Xg+0.114Xb 计算所述的图片中每一个像素点的灰度值，使用灰度值替换像素点的彩色值，生成所 述的灰度图片;其中r表示图像中像素点的红色成分，g表示图像中像素点的绿色成分，b表 示图像中像素点的蓝色成分。3. 根据权利要求1所述的非接触式行吊吊绳摆角监测装置，其特征还在于所述的图像 处理单元中图像预处理模块进行"分离出吊绳图像和背景图像"操作的具体过程如下： 采集不同外部环境背景下的图片，得到不同环境背景下的灰度图片，标定得到表示不 同外部环境背景下灰度范围的典型值;进而划分为n-1个典型值区间，所述的n-1个典型值 区间分别表不为[Grl ,Gr2) , [Gr2 ,Gr3 ),…，[Grn-l ,Grn]; 根据每个典型值区间内最大值和最小值，给定所述的每个典型值区间中能够最佳区分 行吊吊绳与背景的灰度阔值6*1，1 = 1，-，，11-1;从而获得当前环境下的灰度阔值6*; 选择所述灰度图像中的特定区域，计算区域中灰度的平均值，将该平均值作为背景灰 度参考值Gr; 若当前的灰度图像中的背景灰度参考值Gr大于所述的灰度阔值Gt，则认为图像是吊绳 图像，否则认为是背景图像。4. 根据权利要求3所述的非接触式行吊吊绳摆角监测装置，其特征还在于所述的特定 区域的定义如下：图像采集模块采集图像的像素大小为η行m列，得到的灰度图像同样为η行 m列，取灰度图像由第0行第0列起至nl行ml列止像素、第0行第m-ml列起至nl行m列止像素、 第n-n2行第0列起至第η行第m2列和第n-n2行第m-m2列起至第η行第m列，即为选定的特定区 域，其中1111<111/3，1112<111/3，山<11/3，恥<11/3，计算特定区域的平均值，即为所述的背景灰度参考 {iGro5. 根据权利要求1所述的非接触式行吊吊绳摆角监测装置，其特征还在于所述的上部 像素行为分离后的吊绳图像中取上部0至XI行数据、中部Pi至P1+X2行数据和图像下部n-x3至 η 行数据，其中 xi<n/3、X2<n/3、X3<n/3、Pi〉n/3。6. 根据权利要求5所述的非接触式行吊吊绳摆角监测装置，其特征还在于在计算吊绳 图像起始列和截止列步骤之前，通过如下公式：计算吊绳图像在所述的上部像素行中的宽度值L '进而计算得出图像中部X2行数据中 的宽度值和图像下部X3行数据中的宽度值]：.,s 若I右-義|、1I2-鳥歧巧3-克峭小于预定吊绳宽度成像误差写，则认为完成分离的 吊绳图像合格，进行后续的计算吊绳图像起始列和截止列；否则，表示当前分离背景后的图 像并非是吊绳图像重新采集图像并进行之前的操作;jo表示预定的吊绳宽度。7. 根据权利要求1所述的非接触式行吊吊绳摆角监测装置，其特征还在于:所述的角度 平均值的计算过程如下： 针对图像上部XI行数据中灰度值为1的起始和截止列数：（j lb，j le )，…，（jxlb，jxle )，计 算图像上部XI行数据中吊绳摆角的平均值目1=(目11+目12+013)/3,其中：h和b满足l<h<Xl、l<l2<Xl;h和b分别为从第一行至第XI行之间的h和b行。8. 根据权利要求足1所述的非接触式行吊吊绳摆角监测装置，其特征还在于具有角度 调整机构：改变图像采集单元、图像处理单元及告警单元所在机构与吊绳的相对角度及图 像采集单元与水平面的倾角曰。
【文档编号】B66C13/16GK106081907SQ201610318211
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月15日
【发明人】郑凯, 谷劲柏, 李明聪, 何龙军, 李亚情, 杨甜甜
【申请人】大连海事大学, 深圳昊科瑞信科技有限公司