1.1 研究目的

基于机器视觉技术来测量门式起重机吊重摆角的方法，具有快速，实时，精确，非接触等优点，因此可以较方便的测量出吊重摆角。此测量结果对于起重机防摇控制至关重要，有利于更好地准确起吊和放置，从而提高起重机的作业效率，同时减小对工作人员安全造成的威胁。

1.2 研究意义

机器视觉技术作为第四次工业革命的关键技术^[1]，近年来随着计算机技术特别是多媒体技术和数字图像处理与分析理论的不断发展完善，加之大规模集成电路的飞速发展与应用，得到了广泛的应用研究^[2]。基于机器视觉的非接触式测量方法依靠其获得信息全面、检测系统独立于控制系统之外，以及结构简单等优点，逐渐成为越来越多科研人员的研究方向^[3]。

门式起重机作为一种重要的货物运输工具，被广泛应用于港口、工厂等场合。传统人工操作门式起重机的作业效率与操作司机的操作经验等直接相关，作业效率难以大幅度提高。因此，自动化控制成为该领域的热点。在起重机运行过程中，由于起吊时吊绳偏离重力方向或吊运中吊钩的运动，吊钩及其所吊重物会出现一定程度的摇摆，吊钩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^[4]。同时，负载的摇晃会造成一定的干扰，这将会对起重机的自动控制效率带来不利的影响。因此，为避免不利影响的产生，对起重机吊钩的摇摆控制非常必要。

吊重摇摆稳定控制的前提是吊重摆角的测量，吊重摆角是起重机防摇系统的重要参数之一^[5]。本文中采用机器视觉的方法实时测量门式起重机吊钩的相对位置和摇摆角度等参数，以便进行起重机的防摇控制。

1.3 机器视觉在检测角度方面的国内外研究现状

应用在吊重摆角检测的系统，按原理可以分为纯数学模型式、机械式以及光学式。纯数学模型方式的难点，是精确的模型很难建立，并且该方法不适合有外部干扰的环境。机械式由于结构和工作条件的原因，限制了应用场合，同时检测元件也容易磨损。而基于机器视觉的非接触式测量方法依靠其获得信息全面、检测系统独立于控制系统之外，以及结构简单等优点，逐渐成为越来越多科研人员研究的方向。

基于机器视觉技术在角度测量方面具有重要的应用前景及研究价值，国内外的一些学者对其做了大量的探讨研究，并取得了一定的成果。在国内，2005年，西安交通大学的李蕾等研究了贴片机视觉检测中角度计算的一种高效算法^[6]。该算法通过提取芯片边缘点的坐标集和拟合直线参数来计算角度。同年，合肥工业大学的鲁昌华等研究了基于Hough变换的角度检测和特征识别^[6-8]。2007年，重庆大学的蒋昀赟等利用图像处理技术对工件角度检测^[9]。2019年，东华大学的白勇等研究了小角度位移传感器的设计，实现了微小角位移的高精度、响应快、抗干扰能力强、高可靠性、无绝对零位的在线实时检测^[10]。2012年，中国人民解放军国防科技大学的冯青发明了起重机吊钩位置和摆角的实时摄像测量方法，具有相关处理计算易于实现，实用性强等特点。2016年，上海海事大学的罗余洋等研究了采用单目视觉的桥吊负载空间定位方法^[4]。

在国外，机器视觉技术的研究较早，文献[11]综述了工业视觉检测系统的应用，系统组成和主要工业视觉应用方法，主要的系统硬件和软件等。文献[3]使用两个摄像机分别对设置在吊绳和小车的标记点进行识别，结合几何方法，实现了小车位置、负载摆角和吊绳绳长的实时检测；文献[12]利用两个摄像机通过凝视控制的方法对起重机负载在空间中进行准确的定位；文献[13]同样使用两个摄像机完成了对桥吊负载空间摆角的测量；文献[14]使用了一个摄像机识别起重机负载上的标志物并结合激光测距仪完成了负载空间位置的测量；文献[15]通过一个摄像机和一个激光发射器测得桥吊负载的空间摆角。这些结合多传感器的非接触式测量方法存在着系统标定过程复杂、多传感器采集信息同步困难、系统结构复杂化，以及造价昂贵等诸多问题。单目视觉测量方法因其结构特性，正好可以避免这些问题。文献[16]使用了一种单目视觉测量系统，其通过颜色直方图来识别标记点，并使用巴氏相似性测量追踪，最后通过几何方法实时的测得负载的单个平面摆角；文献[17]使用了一个单目摄像机，并在负载上方设置一个模板平台，通过模板匹配方法对图像中的负载进行定位，最后结合几何方法测得了负载的空间摆角；文献[18]通过单目视觉测量系统，首先使用光流法检测桥吊负载所在的区域，再通过方向码匹配的方法跟踪运动的负载，最后通过构建几何模型来获得负载的空间位置。