帶有圖像傳感器的雙起升橋吊控制系統及控制方法

專利名稱：帶有圖像傳感器的雙起升橋吊控制系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及自動控制技術和信息技術。特別涉及一種帶有圖像傳感器的雙起升橋 吊控制系統及控制方法。
背景技術：
雙起升雙吊具橋吊(包括場橋和岸橋)是一種新型港口集裝箱裝卸機械，由于它 具有兩個起升吊具，可以同時工作，因而大大提高了集裝箱的裝卸效率，但是，這種雙起升 雙吊具橋吊系統結構復雜，工作方式多樣，給控制帶來很大的難度。由于這種新型橋吊具有 兩個可以單獨起升的吊具，傳統的單吊具橋吊控制器不適合于這種新型雙起升雙吊具橋吊 系統的控制。現有的橋吊控制系統都是對單吊具橋吊進行控制的，它們對吊具擺角的檢測采用 比較復雜的檢測儀器，具有成本高，維護不方便等缺點。

發明內容
為了解決雙起升雙吊具橋吊的小車位置控制問題和雙吊具的防搖擺控制問題。本 發明提供了一種帶有圖像傳感器的雙起升橋吊控制系統，同時還提供了由該控制系統所能 實現的控制方法。這樣一來，不需要額外的速度傳感器和雙吊具擺角傳感器，只用一個小車 位置傳感器和兩個吊具視頻傳感器，通過相應的圖像識別和計算，就能夠完成對小車的位 置、速度，以及吊具擺角和吊繩長度等的檢測，進而實現對雙吊具橋吊的防搖和定位控制。一般來講，橋吊控制的目標是要實現負載的防搖和負載的精確對位。現在使用中 的橋吊大部分都是單起升橋吊系統，都以手工控制操作為主，只是在一些大型集裝箱橋吊 系統中為了達到更好的操作效果，提高裝卸效率，安裝了一些機械防搖裝置或電子防搖裝 置，但這些都不是自動化橋吊系統，即都沒有從根本上實現橋吊操作的自動控制(即自動 防搖控制和定位控制)。在現有技術中，有一些單起升橋吊防搖定位自動控制的研究和應用，但是這些工 作沒有涉及到雙吊具橋吊實現負載防搖和負載定位的控制。另外，這些單吊具橋吊控制 系統中普遍采用了易受干擾的速度傳感器進行小車速度反饋，同時使用了比較復雜的激光 儀、角度傳感器等檢測裝置實現負載擺角的檢測，這些檢測裝置成本高，應用復雜，抗干擾 能力差，維護也不方便，有的還對使用環境有特殊要求(比如采用激光儀進行角度識別就 要求工作狀況良好，要求滿足無塵無雨無遮擋等條件)，控制系統工作的適應能力差。本發明采用位置傳感器和視頻攝像頭進行信息檢測和反饋，應用可靠，維護簡單， 完全克服了上述問題。更為重要的是，現有的橋吊控制器無論從結構上還是從功能上來講， 都是針對單吊具的橋吊設計的，現有的單吊具橋吊控制系統從根本上來講不能解決雙吊具 橋吊的位置控制和防搖定位控制問題。本發明所述的帶有圖像傳感器的雙起升橋吊控制系統，包括雙吊具視頻圖像傳感器，用于實時拍攝相應吊具的運行情況，所述雙吊具視頻圖
4像傳感器安裝在吊具正上方的小車上；小車位置傳感器(如碼盤、感應同步器等)，可以實時檢測小車運行位的置Xf，并 進行Xf信號的標度變換，所述小車位置傳感器安裝在橋吊小車的移動機構上；第一吊具視頻圖像處理單元(吊具1視頻圖像處理單元)和第二吊具視頻圖像處 理單元(吊具2視頻圖像處理單元)，上述兩吊具視頻圖像處理單元負責接收和處理由視頻 圖像傳感器發來的吊具圖像，并從拍攝的視頻圖像中抽取適當的幀，完成相應吊具的擺角 4、擺動角速度#和吊繩長度的計算，上述兩吊具視頻圖像處理單元安裝在雙吊具橋吊的小 車上；小車位置控制器，負責接收橋吊控制命令，并與各種反饋信號進行比較，實現小車 位置的控制，所述小車位置控制器安裝在雙吊具橋吊的小車上；雙吊具擺角補償單元，利用輸入的兩個吊具的擺角、角速度和吊繩長度等信息，完 成對雙吊具擺角控制補償量的計算，最終實現對雙吊具擺角的抑制，所述雙吊具擺角補償 單元安裝在雙吊具橋吊的小車上；比較器1和比較器2，負責對輸入的兩個信號進行代數或邏輯比較運算，該過程由 小車位置控制器實現；小車速度估計器，負責對輸入的小車位置信號Xf進行微分運算(速度估計器算法 可以使用現有的各種微分算法)，從而得到小車的速度信號#，該過程由小車位置控制器實 現；小車位置檢測單元，用來對現場總線傳來的小車位置模擬量信號進行濾波、標度 變換、隔離和A/D轉換，然后將處理的位置信號傳送給比較器1和小車速度估計器；所述小 車位置檢測單元通過CAN總線與小車位置傳感器相連，安裝在雙吊具橋吊小車上，通過CAN 總線實時獲得現場位置傳感器信息；小車伺服驅動器，安裝在橋吊小車橫梁上；駕駛臺位于橋吊駕駛室內，負責提供橋吊運行的控制信號。上述方案中，所述比較器1和比較器2對若干輸入信號進行類型轉換(比如D/A 變換)和標度變換，然后進行數值運算，得到一個輸出信號，供給控制器或驅動器使用；所 述比較器1和比較器2的輸入信號主要有操作臺信號、現場檢測信號和控制器輸出信號等； 所述比較器1和比較器2分別由一個單片機系統/PLC單元來實現，由D/A (或A/D)器件、 隔離器件、單片機或片上系統、存儲單元、I/O總線單元和電源系統組成，安裝在橋吊控制器 上，通過CAN總線與現場驅動單元(變頻調速器)連接。上述方案中，所述小車位置檢測單元由CPU、I/O接口芯片、A/D轉換模塊、隔離元 件、電源、總線控制單元等組成。上述方案中，所述小車位置控制器和吊具擺角補償單元由CPU單元、存儲單元 (ROM和RAM)、I/O接口、邏輯器件、時鐘單元、電源等構成，安裝在橋吊小車上的控制箱中， 能夠運行普通PID、模糊自整定PID算法、單神經元PID控制這些控制算法，能夠設置調整控 制參數，然后將運算結果，即控制量，輸出到比較器2。上述方案中，所述第一吊具視頻圖像處理單元和第二吊具視頻圖像處理單元各自 分別由CPU(或附加微分元件)、視頻處理器、存儲器、I/O等電路組成。由于目前還沒有針對雙起升雙吊具橋吊的控制裝置的報道。相對于傳統的單吊具橋吊控制系統，本發明系統的控制裝置結構簡單，控制有效，對控制量檢測裝置的要求較 低，成本低，易于實現，使用方便，并能夠同時實現小車位置控制和對兩個吊具擺角的控制。另外，根據上述發明系統，還提供了一種對應的控制方法，該方法的步驟如下首先由雙吊具橋吊司機發出橋吊運行的控制指令，給出橋吊小車運行的目標位 置\，在第一個采樣周期內，該指令經過小車位置控制器的處理發送到小車伺服驅動器，控 制雙吊具橋吊小車運行到一定位置；在第二個采樣周期內，小車位置檢測單元收到通過現 場總線發送的來自小車位置傳感器的位置檢測信號，經過處理后得到橋吊小車的實際位置 Xf，同時，將Xf發送到小車速度估計器計算得到小車速度估計值#，然后將該小車速度估計 值#發送到小車位置控制器，小車位置控制器將#與位置偏差值A = 進行控制運算，得 到小車位置控制信號ue，并將Ue發送到比較器2 ；此時，吊具1、2視頻圖像處理單元通過對 視頻傳感器檢測信號的運算，分別計算得到吊具1、2擺角的估計值4、和4，吊具1、2的角速
度估計值f和 ，以及吊具的繩長L1和L2,這些信息經由雙吊具擺角補償單元的計算得到吊
具擺角補償控制量u 0，將u 0送入比較器2中，再與先前得到的小車位置控制信號Ue進行綜 合運算，最終得到新的控制量輸出u = Ue-U0，將u送入小車伺服驅動器，驅動雙吊具橋吊小 車運行并達到新的位置；在第三個控制周期，檢測信號的傳送和控制量的運算過程相同，這 種周而復始的周期性控制過程，使得橋吊小車位置控制偏差得到糾正，雙吊具擺角的幅度 得到消減，擺動得到抑制，從而實現橋吊小車的位置和兩個吊具的擺角的同時控制。上述方案中，所述雙吊具擺角補償單元的控制策略是當小車遠離目標位置時，小 車位置控制器優先，當小車接近目標位置時，吊具擺角補償單元控制優先。當吊具1、2擺角 的擺動幅度^和錢有增大的趨勢時，吊具擺角補償單元計算得到的輸出U0總是阻止橋吊小 車位置控制eu的運行趨勢，以抑制吊具1、2擺角^和么的進一步增大。兩個擺角^和或的補償 量需要由吊具擺角補償單元分別進行計算，然后累加輸出。本發明方法中涉及的控制系統采用兩個視頻圖像傳感器分別檢測兩個吊具及其 負載(集裝箱)的搖擺角度和吊具繩長，然后利用這些信息完成雙起升雙吊具橋吊的防搖 定位控制，具有控制系統結構簡單，準確性高，維護方便，造價低廉等優點。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發明。

圖1為本發明帶有圖像傳感器的雙起升雙吊具橋吊控制系統組成結構圖。
具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結 合具體圖示，進一步闡述本發明。如圖1所示，本發明系統采用兩個獨立的控制器，即利用小車位置控制器和雙吊 具擺角補償單元，實現對橋吊小車的位置和兩個吊具的擺角的控制。附圖為本發明所涉及 的雙吊具橋吊控制系統的組成。其中，雙吊具視頻圖像傳感器用于實時拍攝相應吊具的運行情況，它們安裝在吊 具正上方的小車上；
小車位置傳感器(如碼盤、感應同步器等)可以實時檢測小車運行位的置xf，并進 行Xf信號的標度變換，它安裝在橋吊小車的移動機構上；吊具1、2視頻圖像處理單元(即視頻圖像處理器)負責接收和處理由視頻圖像傳 感器發來的吊具圖像，并從拍攝的視頻圖像中抽取適當的幀，完成相應吊具的擺角^、擺動 角速度#和吊繩長度的計算，它安裝在雙吊具橋吊的小車上；小車位置控制器負責接收橋吊控制命令，并與各種反饋信號進行比較，實現小車 位置的控制，它安裝在雙吊具橋吊的小車上；雙吊具擺角補償單元利用輸入的兩個吊具的擺角、角速度和吊繩長度等信息，完 成對雙吊具擺角補償量的計算，最終實現對雙吊具擺角的抑制，它安裝在雙吊具橋吊的小 車上；比較器1、2，負責對輸入的兩個信號進行代數或邏輯比較運算，它的功能由小車位 置控制器實現；小車速度估計器，負責對輸入的小車位置信號Xf進行微分運算(速度估計器算法 可以使用現有的各種微分算法)，從而得到小車的速度信號#，它的功能由小車位置控制器 實現；駕駛臺位于橋吊駕駛室內，負責提供橋吊運行的控制信號。另外，上述系統還需具體說明的是比較器1、2 是一個運算單元，其功能是對若干輸入信號進行類型轉換(比如D/A 變換)和標度變換，然后進行數值運算，得到一個輸出信號，供給控制器或驅動器使用。比 較器的輸入信號主要有操作臺信號、現場檢測信號和控制器輸出信號等。比較器由一個單 片機系統(也可以是一個PLC單元)來實現，由D/A(或A/D)器件、隔離器件、單片機或片 上系統、存儲單元、I/O總線單元和電源系統組成，屬于弱電系統，它一般安裝在橋吊控制器 上，通過CAN總線與現場驅動單元(變頻調速器)連接。小車位置檢測單元是一個檢測部件，其功能是對現場總線傳來的小車位置模擬 量信號進行濾波、標度變換、隔離和A/D轉換，然后將處理的位置信號傳送給比較器1和小 車速度估計器。小車位置檢測單元由CPU、I/0接口芯片、A/D轉換模塊、隔離元件、電源、總 線控制單元等組成。小車位置檢測單元通過CAN總線與小車位置傳感器(如碼盤、感應同 步器等)相連，它安裝在雙吊具橋吊小車上，通過CAN總線實時獲得現場位置傳感器信息。小車位置控制器/吊具擺角補償單元是一種數字運算單元，其功能是可以運行 各種不同的控制算法，比如普通PID、模糊自整定PID算法、單神經元PID控制等，可設置調 整控制參數，然后將運算結果，即控制量，輸出到比較器2。小車位置控制器由一個單片機系 統(或片上單元或PLC模塊或工控機)實現，其核心是CPU部件，實現控制數字運算功能。 本發明中的小車位置控制器和吊具擺角補償單元其控制算法和控制參數均不同，控制算法 和控制參數需要根據現場情況設計和整定。電路結構上，小車位置控制器/吊具擺角補償 單元一般由CPU單元、存儲單元(ROM和RAM)、I/O接口、邏輯器件、時鐘單元、電源等構成， 這是本控制系統的核心部件之一。小車位置控制器/吊具擺角補償單元安裝在橋吊小車上 的控制箱中。在本發明系統中，小車位置控制器和吊具擺角補償單元可以靈活選擇各種現 有的控制方法，故本發明不作具體限定。
吊具1、2視頻圖像處理單元是一個圖像數據處理單元，它們接收從視頻傳感器 傳送的視頻圖像，其功能是根據攝像頭拍攝到的吊具實際位置圖像，經過圖像處理和模式 識別運算，得到吊具的擺角，并進而計算出吊具的角速度，視頻圖像處理單元的信息輸出通 過總線傳送到雙吊具擺角補償單元。視頻圖像處理單元由CPU(或附加微分元件)、視頻處 理器、存儲器、I/O等電路組成。吊具1、2視頻圖像處理單元安裝在橋吊的小車上。小車伺服驅動器根據雙吊具橋吊小車驅動電機的不同，可以選擇不同的橋吊伺 服驅動器。對于目前比較流行的感應式電機，小車伺服驅動器一般采用交流變頻器實現。橋 吊小車伺服驅動器安裝在橋吊小車橫梁上。橋吊大車伺服驅動與此類似，而本發明將不涉 及這方面的內容。駕駛臺在雙吊具橋吊的駕駛室內，是橋吊司機的操作設備。小車位置傳感器是一種模擬量檢測器件，可以采用碼盤或感應同步器等裝置，它 安裝在雙吊具橋吊小車運行機構的特定位置。另外，根據上述雙吊具橋吊控制系統，其具體控制過程如下首先由雙吊具橋吊司機發出橋吊運行的控制指令，給出橋吊小車運行的目標位 置\，在第一個采樣周期內，該指令經過小車位置控制器的處理發送到小車伺服驅動器，控 制雙吊具橋吊小車運行到一定位置；在第二個采樣周期內，小車位置檢測單元收到通過現 場總線發送的來自小車位置傳感器的位置檢測信號，經過處理后得到橋吊小車的實際位置 Xf，同時，將Xf發送到小車速度估計器計算得到小車速度估計值然后將該小車速度估計 值#發送到小車位置控制器，小車位置控制器將#與位置偏差值A = 進行控制運算，得 到小車位置控制信號ue，并將Ue發送到比較器2 ；此時，吊具1、2視頻圖像處理單元通過對 視頻傳感器檢測信號的運算，分別計算得到吊具1、2擺角的估計值成、和4 ,吊具1、2的角速
度估計值f和 ，以及吊具的繩長L1和L2,這些信息經由雙吊具擺角補償單元的計算得到吊
具擺角補償控制量u 0，將u 0送入比較器2中，再與先前得到的小車位置控制信號Ue進行綜 合運算，最終得到新的控制量輸出u = Ue-U0，將u送入小車伺服驅動器，驅動雙吊具橋吊小 車運行并達到新的位置；在第三個控制周期，檢測信號的傳送和控制量的運算過程相同，這 種周而復始的周期性控制過程，使得橋吊小車位置控制偏差得到糾正，雙吊具擺角的幅度 得到消減，擺動得到抑制，從而實現橋吊小車的位置和兩個吊具的擺角的同時控制。雙吊具擺角補償單元的控制策略是當小車遠離目標位置時，小車位置控制器優 先，當小車接近目標位置時，吊具擺角補償單元控制優先。當吊具1、2擺角的擺動幅度$和 或有增大的趨勢時，吊具擺角補償單元計算得到的輸出U0總是阻止橋吊小車位置控制％的 運行趨勢，以抑制吊具1、2擺角和或的進一步增大。兩個擺角々,和或的補償量需要由吊具擺 角補償單元分別進行計算，然后累加輸出。吊具擺角補償單元可以使用現有的各種控制方 法，本發明并不做具體限制。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術 人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其 等效物界定。
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權利要求
帶有圖像傳感器的雙起升橋吊控制系統，其特征在于，包括雙吊具視頻圖像傳感器，用于實時拍攝相應吊具的運行情況，所述雙吊具視頻圖像傳感器安裝在吊具正上方的小車上；小車位置傳感器，可以實時檢測小車運行位的置xf，并進行xf信號的標度變換，所述小車位置傳感器安裝在橋吊小車的移動機構上；第一吊具視頻圖像處理單元和第二吊具視頻圖像處理單元，上述兩吊具視頻圖像處理單元負責接收和處理由視頻圖像傳感器發來的吊具圖像，并從拍攝的視頻圖像中抽取適當的幀，完成相應吊具的擺角擺動角速度和吊繩長度的計算，上述兩吊具視頻圖像處理單元安裝在雙吊具橋吊的小車上；小車位置控制器，負責接收橋吊控制命令，并與各種反饋信號進行比較，實現小車位置的控制，所述小車位置控制器安裝在雙吊具橋吊的小車上；雙吊具擺角補償單元，利用輸入的兩個吊具的擺角、角速度和吊繩長度等信息，完成對雙吊具擺角控制補償量的計算，最終實現對雙吊具擺角的抑制，所述雙吊具擺角補償單元安裝在雙吊具橋吊的小車上；比較器1和比較器2，負責對輸入的兩個信號進行代數或邏輯比較運算，該過程由小車位置控制器實現；小車速度估計器，負責對輸入的小車位置信號xf進行微分運算，從而得到小車的速度信號該過程由小車位置控制器實現；小車位置檢測單元，用來對現場總線傳來的小車位置模擬量信號進行濾波、標度變換、隔離和A/D轉換，然后將處理的位置信號傳送給比較器1和小車速度估計器；所述小車位置檢測單元通過CAN總線與小車位置傳感器相連，安裝在雙吊具橋吊小車上，通過CAN總線實時獲得現場位置傳感器信息；小車伺服驅動器，安裝在橋吊小車橫梁上；駕駛臺位于橋吊駕駛室內，負責提供橋吊運行的控制信號。FSA00000288917700011.tif,FSA00000288917700012.tif,FSA00000288917700013.tif
2.根據權利要求1的帶有圖像傳感器的雙起升橋吊控制系統，其特征在于，所述比較 器1和比較器2對若干輸入信號進行類型轉換和標度變換，然后進行數值運算，得到一個輸 出信號，供給控制器或驅動器使用；所述比較器1和比較器2的輸入信號主要有操作臺信 號、現場檢測信號和控制器輸出信號等；所述比較器1和比較器2分別由一個單片機系統/ PLC單元來實現，由D/A器件、隔離器件、單片機或片上系統、存儲單元、I/O總線單元和電源 系統組成，安裝在橋吊控制器上，通過CAN總線與現場驅動單元連接。
3.根據權利要求1的帶有圖像傳感器的雙起升橋吊控制系統，其特征在于，所述小車 位置檢測單元由CPU、I/O接口芯片、A/D轉換模塊、隔離元件、電源、總線控制單元等組成。
4.根據權利要求1的帶有圖像傳感器的雙起升橋吊控制系統，其特征在于，所述小車 位置控制器和吊具擺角補償單元由CPU單元、存儲單元、I/O接口、邏輯器件、時鐘單元、電 源等構成，安裝在橋吊小車上的控制箱中，能夠運行普通PID、模糊自整定PID算法、單神經 元PID控制這些控制算法，能夠設置調整控制參數，然后將運算結果，即控制量，輸出到比 較器2。
5.根據權利要求1的帶有圖像傳感器的雙起升橋吊控制系統，其特征在于，所述第一吊具視頻圖像處理單元和第二吊具視頻圖像處理單元各自分別由CPU、視頻處理器、存儲 器、I/O等電路組成。
6.根據權利要求1的帶有圖像傳感器的雙起升橋吊控制系統的控制方法，其特征在 于，所述方法步驟包括首先由雙吊具橋吊司機發出橋吊運行的控制指令，給出橋吊小車運行的目標位置\， 在第一個采樣周期內，該指令經過小車位置控制器的處理發送到小車伺服驅動器，控制雙 吊具橋吊小車運行到一定位置；在第二個采樣周期內，小車位置檢測單元收到通過現場總 線發送的來自小車位置傳感器的位置檢測信號，經過處理后得到橋吊小車的實際位置xf， 同時，將Xf發送到小車速度估計器計算得到小車速度估計值#，然后將該小車速度估計值# 發送到小車位置控制器，小車位置控制器將#與位置偏差值A = 進行控制運算，得到 小車位置控制信號ue，并將Ue發送到比較器2 ；此時，吊具1、2視頻圖像處理單元通過對視 頻傳感器檢測信號的運算，分別計算得到吊具1、2擺角的估計值4、和4，吊具1、2的角速度估計值 和老，以及吊具的繩長L1和L2，這些信息經由雙吊具擺角補償單元的計算得到吊具擺角補償控制量u 0，將u 0送入比較器2中，再與先前得到的小車位置控制信號Ue進行綜合 運算，最終得到新的控制量輸出u = Ue-U0，將u送入小車伺服驅動器，驅動雙吊具橋吊小車 運行并達到新的位置；在第三個控制周期，檢測信號的傳送和控制量的運算過程相同，這種 周而復始的周期性控制過程，使得橋吊小車位置控制偏差得到糾正，雙吊具擺角的幅度得 到消減，擺動得到抑制，從而實現橋吊小車的位置和兩個吊具的擺角的同時控制。
7.根據權利要求6的控制方法，其特征在于，所述雙吊具擺角補償單元的控制策略是 當小車遠離目標位置時，小車位置控制器優先，當小車接近目標位置時，吊具擺角補償單元 控制優先；當吊具1、2擺角的擺動幅度成和么有增大的趨勢時，吊具擺角補償單元計算得到 的輸出U0總是阻止橋吊小車位置控制eu的運行趨勢，以抑制吊具1、2擺角^和或的進一步 增大；兩個擺角々,和么的補償量需要由吊具擺角補償單元分別進行計算，然后累加輸出。
全文摘要
本發明公開了一種帶有圖像傳感器的雙起升橋吊控制系統及控制方法。所述系統和控制方法不需要額外的速度傳感器和雙吊具擺角傳感器，只用一個小車位置傳感器和兩個吊具視頻傳感器，通過相應的圖像識別和計算，就能夠完成對小車的位置、速度，以及吊具擺角和吊繩長度等的檢測，進而實現對雙吊具橋吊的防搖和定位控制。本發明系統結構簡單，控制有效，對控制量檢測裝置的要求較低，成本低，易于實現，使用方便，并能夠同時實現小車位置控制和對兩個吊具擺角的控制。本發明方法采用兩個視頻圖像傳感器分別檢測兩個吊具及其負載的搖擺角度和吊具繩長，然后利用這些信息完成雙起升雙吊具橋吊的防搖定位控制，具有準確性高，維護方便，造價低廉等優點。
文檔編號B66C13/48GK101973489SQ20101029618
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月29日 優先權日2010年9月29日
發明者康偉, 徐為民, 沈愛弟, 褚建新, 顧偉 申請人:上海海事大學