摘 要

在起重机运行过程中，吊重的摇摆影响起重机作业效率，也会对人身安全和财产安全造成威胁。吊重摆角是起重机防摇系统的重要参数之一，其准确测量可为吊重摇摆的控制效果提供依据并为闭环控制系统提供反馈。本文提出了一种基于单目机器视觉的门式起重机吊重摆角的测量方法，建立了摆角测量系统的软硬件实验平台，对该测量摆角的方法进行了实验研究，表明使用该方法可达到准确、快速、非接触、便捷地测量出门式起重机的吊重摆角的目的。

本文主要包括以下内容：

（1）分析此设计的目的意义与此相关研究的国内外现状。研究基于机器视觉的起重机吊重摆角测量原理。包括摆角测量系统的主要组成、摆角视觉测量技术、摆角测量算法基本原理等，为方案设计与测量系统的搭建奠定基础。

（2）进行摆角测量系统的设计，对测量系统硬件进行选型，基于OpenMV设计了门式起重机吊重摆角测量系统的软件部分。首先利用OpenMV进行吊重摆角的测量算法实现，得到吊重的偏摆距离，然后通过CAN总线进行通信，将偏摆距离传输给控制器，进行计算，最终达到实时测量出偏摆角的目的。

（3）进行基于机器视觉技术的门式起重机吊重摆角测量系统实验平台的搭建，在搭建完成的基础上，利用所构建的实验平台进行门式起重机吊重摆角的实验测量，实时获得吊重摆角数据。

（4）对本文所使用的测量系统进行误差分析。利用测量所得数据与理论数据对比，分析误差产生的原因，进一步优化测量系统。

关键词：机器视觉；OpenMV；门式起重机；吊重摆角；

Abstract

In the process of crane operation, the swing of the hook may affect the efficiency of crane operation and also pose a threat to personal safety and property safety. The premise of lifting and swinging stability control is the measurement of swing angle, and the pendulum angle is one of the important parameters of crane anti-shake system. In this thesis, a method for measuring the pendulum angle of a gantry crane based on Monocular Machine Vision is presented, the hardware and software experimental platform of the pendulum angle measurement system is established, and the method of measuring the pendulum angle is studied experimentally, which shows that the method can be used to measure the swing angle of the hanging crane accurately, quickly, contactless and conveniently.

This paper mainly includes the following contents:

(1) Analyze the purpose of this design and the current situation of the relevant research at home and abroad. This thesis studies the measuring principle of crane hoisting angle based on machine vision. This includes the main composition of the pendulum measuring system, the technique of pendulum angle vision measurement and the basic principle of pendulum angle measurement algorithm, which lays a foundation for the construction of the scheme design and measurement system.

(2) The pendulum angle measurement system is designed, including the selection of the hardware of the measuring system and software based on OpenMV. Firstly, the measurement algorithm of lifting pendulum angle is realized by using OpenMV, the deflection distance of lifting weight is obtained.Secondly, communication is carried out by CAN bus, and the deflection distance is transmitted to the controller. Finally, the measuring of the deflection angle in real time is achieved.

(3) The experimental platform of the gantry crane swing angle measurement system is built based on machine vision technology. Then, the experimental measurement of the pendulum angle of the gantry crane is carried out on this experimental platform, and the data of the hanging pendulum angle is obtained in real time.

(4) Error analysis of the measurement system is performed in this thesis. By comparing the measured data with the theoretical data, the causes of the error are analyzed and the measurement system is further optimized.

Key Words：machine vision; OpenMV; gantry crane; swing angle

目录

第1章 绪论 1

1.1 本课题研究目的及意义 1

1.2 国内外相关研究现状 2

1.2.1 起重机吊重摆角测量研究现状 2

1.2.2 机器视觉技术在测量领域的应用 3

1.3 主要研究内容与技术路线 4

第2章 基于机器视觉的起重机吊重偏摆角测量原理 6

2.1 吊重摆角的机器视觉测量原理概述 6

2.1.1 摆角测量系统的基本构成 7

2.1.2 吊重摆动距离视觉测量技术 7

2.2 吊重摆动距离测量算法基本原理 8

2.2.1 图像预处理 8

2.2.2 标识物中心坐标提取 11

2.3 本章小结 12

第3章 摆角测量系统整体方案设计 13

3.1 OpenMV视觉平台 13

3.1.1 硬件系统 13

3.1.2 软件系统 14

3.2 摆角测量系统的软件设计 15

3.2.1 吊重摆动实际距离求解思路 15

3.2.2 吊重摆动实际距离求解算法实现 16

3.3 吊重摆角测量系统的通信方案设计 18

3.3.1 CAN总线通信 18

3.3.2 CAN收发器 19

3.3.3 通信方案设计 19

3.3 本章小结 20

第4章 吊重摆角测量系统实验平台的搭建与实验 21

4.1 实验平台的搭建 21

4.2 吊重摆角测量实验 22

4.3 测量系统的误差分析 26

4.4 本章小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 全文总结 28

5.2 环境影响及经济性分析 28

5.3 展望 29

参考文献 30

附录A 32

附A1 32

附A2 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1 本课题研究目的及意义

门式起重机是现代工业中不可缺少的运输工具，被应用在很多场合，如码头、造船工厂、车间等。今天，世界经济在高速发展，港口物流业越来越繁忙，对门式起重机工作效率的要求也越来越高。在起重机传统的装卸作业中，其效率在很大程度上和起重机司机有关，经验丰富的司机操作，作业效率则高，经验欠缺的司机操作，效率则相对会低，这就使起重机作业效率难以提高。在起重机运行的过程中，由于起吊时吊绳偏离重力方向，吊具及其所吊重物会出现一定程度的摇摆，吊具的摇摆不利于准确起吊和放置，影响起重机作业效率，也会对人身安全和财产安全造成威胁^[1]。同时，负载的摇晃会造成一定的干扰，不利于起重机的自动控制。因此，为减少不利影响，起重机的防摇控制是非常必要的^[2]。

目前主要有两种起重机防摇控制形式，分别是电子防摇和机械式防摇^[3]。电子防摇系统包括开环和闭环两种防摇控制方式。开环防摇控制不带反馈装置，成本不高但存在防摇效果不理想等问题。闭环控制由于需要安装角度检测装置，所以能够获得较好的防摇效果。机械式防摇则是利用机械、液压等方式增加阻尼来减小吊重的摆动。