一种基于双目视觉的主梁挠度的监测装置及其监测方法与流程

1.本发明涉及起重机技术领域，具体涉及一种基于双目视觉的主梁挠度的监测装置及其监测方法。


背景技术：

2.为了保障起重机的安全使用，起重机使用中需要对起重机主梁的挠度进行检测，确保挠度位于安全范围内，传统方法采用拉钢丝测量法、经纬仪法、水准仪法、连通器法等方法人工进行测量，不仅费时费力且受人为因素影响。为此，现有技术提出两种改进方案，一种是采用图像视觉传感方法定期对主梁进行挠度检测，其优点是精度高，缺点是检测环节较为复杂，无法实时对挠度进行监测，另一种方法是采用激光测距仪来检测主梁与地面之间距离的变化，其缺点是仅能检测理想状态下的挠度变化，在实际工作过程中，起重机的主梁除了向下弯折，还会发生向内弯折，而该方法无法检测到这一变化，为此，有必要提出一种能实时检测主梁竖直和水平弯曲程度的监测方法。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于双目视觉的主梁挠度的监测装置及其监测方法，能监测主梁竖直方向和水平方向的形变程度。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：一种基于双目视觉的主梁挠度的监测装置，包括至少两个摄像机和一个靶标，所述靶标与起重机任一主梁固定连接，所述靶标上包括两个定位图形，其中一个定位图形的质心位于主梁的顶面和底面之间，两个所述摄像机的摄像方向均朝向靶标，两个所述摄像机均电连接监测装置的控制器，从而监测各个定位图形的质心三维变化。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：一种基于双目视觉的主梁挠度的监测装置的监测方法，包括以下步骤，
6.包括以下步骤：
7.步骤s1、采集左摄像机图像和右摄像机图像；
8.步骤s2、对左摄像机图像和右摄像机图像处理；
9.步骤s3、根据左摄像机图像和右摄像机图像对两个定位图形的实时质心点进行三维重建，得到实时重建后的第一定位图形和第二定位图形的实时质心三维位置；
10.本发明的有益效果在于：提供了一种基于双目视觉的主梁挠度的监测装置及其监测方法，采用双目视觉系统计算位于主梁上靶标的两个定位图形的实时质心位置，与两个定位图形的初始质心位置比较，根据质心位置的变化，计算出主梁中轴线的形变，从而反映出主梁水平方向和竖直方向的形变，进而根据主梁水平位置和竖直方向的形变计算出主梁的挠度值，从而实时的对起重机主梁的形变进行监测。
附图说明
11.图1为本发明实施例的一种基于双目视觉的主梁挠度的监测装置的结构示意图；
12.图2为图1中a向的主梁和靶标连接结构示意图；
13.图3为理想状态下的主梁形变示意图；
14.图4为实际状态下的主梁形变示意图；
15.图5为本发明实施例的一种基于双目视觉的主梁挠度的监测装置的监测方法的流程示意图。
16.标号说明：
17.1、双目摄像机；2、靶标；3、端梁；4、主梁；5、小车。
具体实施方式
18.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
19.请参照图1，本发明实施例提供了一种基于双目视觉的主梁挠度的监测装置，包括至少两个摄像机和一个靶标，所述靶标与起重机任一主梁固定连接，所述靶标上包括两个定位图形，其中一个定位图形的质心位于主梁的顶面和底面之间，两个所述摄像机的摄像方向均朝向靶标，调整好焦距使摄像机仅拍摄靶标的背景和图形，避免拍摄到周边的环境对检测造成影响，两个所述摄像机均电连接监测装置的控制器，从而监测各个定位图形的质心的三维变化。
20.从上述描述可知，本发明的有益效果在于：提供了一种基于双目视觉的主梁挠度的监测装置及其监测方法，采用双目视觉系统计算位于主梁上靶标的两个定位图形的实时质心位置，与两个定位图形的初始质心位置比较，根据质心位置的变化，计算出主梁中轴线的形变，从而反映出主梁水平方向和竖直方向的形变，进而根据主梁水平位置和竖直方向的形变计算出主梁的挠度值，从而实时的对起重机主梁的形变进行监测。
21.进一步地，所述靶标位于主梁正中位置且垂直于主梁。
22.由上述描述可知，靶标位于形变最大之处，且垂直于主梁，从而使得其更好的反应出主梁在竖直方向上的形变和水平方向上的形变。
23.进一步地，还包括两个触动开关，所述触动开关分别位于靶标与主梁连接位置的两侧，两个所述触动开关均与监测装置的控制器电连接，从而当外部的起重机小车进入两个触动开关之间的区域时触发监测装置。
24.由上述描述可知，在小车位于两个微动开关之间的区域进行作业时，主梁的形变最大，此时才对主梁的挠度进行检测，最大程度的节约了算力。
25.进一步地，所述两个摄像机均位于起重机的同一端梁上。
26.由上述描述可知，两个摄像机位于同一端梁上朝向靶标，更好的构成了双目系统。
27.一种应用于上述的一种基于双目视觉的主梁挠度的监测装置的监测方法，包括以下步骤：
28.步骤s1、采集左摄像机图像和右摄像机图像；
29.步骤s2、对左摄像机图像和右摄像机图像处理；
30.步骤s3、根据左摄像机图像和右摄像机图像对两个定位图形的实时质心点进行三
维重建，得到实时重建后的第一定位图形和第二定位图形的实时质心三维位置；
31.步骤s4、根据第一定位图形和第二定位图形的实时质心三维位置的变化得到实时挠度值。
32.从上述描述可知，本发明的有益效果在于：提供了一种基于双目视觉的主梁挠度的监测装置及其监测方法，采用双目视觉系统计算位于主梁上靶标的两个定位图形的实时质心位置，与两个定位图形的初始质心位置比较，根据质心位置的变化，计算出主梁中轴线的形变，从而反映出主梁水平方向和竖直方向的形变，进而根据主梁水平位置和竖直方向的形变计算出主梁的挠度值，从而实时的对起重机主梁的形变进行监测。
33.进一步地，所述步骤s2包括：
34.步骤s21、对左摄像机图像和右摄像机图像进行校正，并进行灰度处理；
35.步骤s22、对步骤s21中所得图像进行高斯滤波；
36.步骤s23、对步骤s22中所得图像进行卷积处理，边缘锐化增强；
37.步骤s24、对步骤s23中所得图像进行开运算，消除细小区域；
38.步骤s25、对步骤s24中所得图像进行边缘检测；
39.步骤s26、获取步骤s25中所得图像的轮廓；
40.步骤s27、计算步骤s26所获取到的图像的轮廓的零阶距，获取各个定位图像的实时质心图像坐标。
41.由上述描述可知，对左、右图像进行了高斯滤波、图像校正等处理，使得拍摄所得的图片更加清晰，能更好的定位到定位图形的质心，提高检测的精度。
42.进一步地，所述步骤s3具体包括以下步骤：
43.根据张正友标定法离线获得左右摄像机的内外参数矩阵，结合s2步骤后获得左右摄像机的各个定位图像的实时质心图像坐标，求得以左摄像机或右摄像机坐标为世界坐标系原点的第一定位图形的实时质心位置a1和第二定位图形的实时质心位置b1，所述第一定位图形的质心位于主梁的顶面和底面之间；
44.所述步骤s4具体包括以下步骤：
45.根据实时质心位置a1和b1，以及存储的第一定位图形的初始质心位置a 和第二定位图形的初始质心位置b，以及第一定位图形的初始质心位置a至主梁中轴距离ac计算出挠度值。
46.由上述描述可知，采用张正友标定法离线获得左右摄像机的内外参数矩阵，结合s2图形处理程序求得质心位置，然后根据实时质心位置以及存储的初始位置，能够准确的计算出主梁的挠度值。
47.进一步地，所述步骤s4具体包括以下步骤：
48.由公式α＝arctan[(z1-z2)/(x1-x2)]-arctan[(za-zb)/(xa-xb)]计算得出变形角度α，式中，za指第一定位图形的初始质心的位置a在竖直方向的坐标，z1指第一定位图形的实时质心的位置a1在竖直方向的坐标，z2指位置b1在竖直方向的坐标，zb指第二定位图形的初始质心的位置b在竖直方向的坐标，x1指第一定位图形的实时质心的位置a1在水平面上垂直主梁方向的坐标，x2指位置b1在水平面上垂直主梁方向的坐标，xa指第一定位图形的初始质心的位置 a在水平面上垂直主梁方向的坐标，xb指第二定位图形的初始质心的位置b在水平面上垂直主梁方向的坐标；
[0049]
再根据公式c1c2＝(za-z1) ac*tanα计算出挠度值，式中，c1c2指挠度值。
[0050]
由上述描述可知，根据公式能简单快速的计算出主梁的实际挠度值，反应了主梁在竖直方向和水平方向上的形变程度。
[0051]
进一步地，还包括以下步骤：
[0052]
步骤s0、采用张正友标定法离线获得左右摄像机的内外参数矩阵并存储，在起重机初始空载状态下获取并存储第一定位图形的初始质心位置a(xa，ya， za)、第二定位图形的初始质心位置b(xb，ya，zb)以及第一定位图形初始质心与主梁中轴线距离ac。
[0053]
由上述描述可知，监测系统能在空载状态下获取第一定位图形的初始质心位置a、第二定位图形的初始质心位置b和第一定位图形的初始质心位置到主梁中轴ac的值，有利于提高监测系统的泛用性，使其能适配各种不同的门式起重机。
[0054]
进一步地，所述步骤s0中获取第一定位图形的初始质心位置a和第二定位的图形初始质心位置b具体是通过起重机空载状态下执行步骤s1-步骤s3获得第一定位图形的实时质心位置作为第一定位图形的初始质心位置a，第二定位图形的实时质心位置作为第二定位图形的初始质心位置b；
[0055]
所述步骤s0中获取第一定位图形初始质心与主梁中轴线距离ac具体是由外部人员测量输入。
[0056]
由上述描述可知，根据张正友标定法离线获得左右摄像机的内外参数矩阵，结合s2步骤后获得左右摄像机的各个定位图像的实时质心图像坐标，自动识别第一定位图形初始质心位置a和第二定位图形初始质心位置b，降低了初始化时工作人员的工作量。
[0057]
实施例一
[0058]
请参照图1，本实施例的起重机主梁挠度在线监测装置适用于对门式起重机的主梁4挠度进行在线检测，其包括双目摄像机1和靶标2，其中，双目摄像机 1由左摄像机和右摄像机构成，均设置于起重机的一侧端梁3上，靶标2位于门式起重机两根主梁4的任意一根上，由于应力分布的原因，通常主梁4变形最大的部分位于主梁4的中部，因此本实施例中靶标2设置于主梁4的中部。
[0059]
靶标2如图2所示，其背景为白色，白色的背景上具有黑色的两块定位矩形，其中，第一定位矩形的质心为a，第二定位矩形的质心为b，本实施例中，为了说明方便，第一定位矩形的质心a与主梁4的顶面保持同一水平，第二定位矩形位于第一定位矩形的左下方，在实际使用中，仅需让第一定位矩形的质心a位于主梁4的顶端水平面与主梁4的底端水平面之间即可。
[0060]
值得说明的是，定位矩形用于双目摄像机1识别定位，其不仅可以是矩形，一切能被摄像机识别的定位图形均可使用。
[0061]
见图3，理想状态下，主梁4仅具备竖直方向的形变，此时的理想挠度值 cc1＝c1-c＝a1-a＝b1-b，其中，c为主梁4中轴线上一质点，c1为质点c的现位置，但实际使用中，主梁4不仅具备竖直方向的形变，也具备水平方向的倾斜形变，为此，需要考虑起升载荷因主梁4产生弹性变形时下挠值的数据处理，为此，先建立初始化质心a与质心b的位置，其中，质心a初始位置为a(xa， ya，za)，质心b为b(xb，ya，zb)，由于横梁的位置不变，即主梁4的跨度不变，靶标2位于主梁4的中部位置不变，因此主梁4形变时靶标2在沿主梁4 方向上的坐标ya的值不变，由于主梁4受力位置的影响，其形变必然是向内倾斜、向下变形，见图4，形变后，
质点c由初始位置c2移动到c1，则挠度值为c1c2的长度，质心a移动到a1(x1，ya，z1)，质心b移动到(x2，ya， z2)，将线段ab与线段a1b1的夹角设为α，ac与a1c1的延长线交点o形成的夹角也为α，根据三角函数可以计算出，
[0062]
夹角α＝arctan[(z1-z2)/(x1-x2)]-arctan[(za-zb)/(xa-xb)]；
[0063]
则挠度值c1c2＝oc2*tanα＝(oa2 a2c2)*tanα；
[0064]
由于oa2＝a1a2/tanα＝(za-z1)/tanα；
[0065]
因此求得挠度值c1c2＝(za-z1) a2c2*tanα，由于弹性变形倾斜量较小， ac约等于a2c2，因此挠度值约为(za-z1) ac*tanα。
[0066]
上述公式中，a2指a1在初始状态下c所在水平面的投影，c2值c1在初始状态下c所在水平面的投影。
[0067]
实施例二
[0068]
本实施例的起重机主梁4挠度在线监测装置与实施例一的不同之处在于，还设置有两个微动开关，两个微动开关分别设置在主梁4中心两侧，具体的，主梁4长度为z，设置在离中心z/5距离的两侧，当小车5在两个微动开关所夹的范围内作业时，才对主梁4的挠度进行检测。
[0069]
实施例三
[0070]
见图5，本实施例的一种基于双目视觉的起重机主梁4挠度监测方法，其包括以下步骤，
[0071]
步骤s1、采集左摄像机图像和右摄像机图像；
[0072]
步骤s2、对左摄像机图像和右摄像机图像处理；
[0073]
步骤s3、根据左摄像机图像和右摄像机图像对两个定位图形的实时质心点进行三维重建，得到实时重建后的第一定位图形和第二定位图形的实时质心三维位置；
[0074]
步骤s4、根据第一定位图形和第二定位图形的实时质心三维位置的变化得到实时挠度值。
[0075]
其中，步骤s2包括：
[0076]
步骤s21、对左摄像机图像和右摄像机图像进行校正，并进行灰度处理；
[0077]
步骤s22、对步骤s21中所得图像进行高斯滤波；
[0078]
步骤s23、对步骤s22中所得图像进行卷积处理，边缘锐化增强；
[0079]
步骤s24、对步骤s23中所得图像进行开运算，消除细小区域；
[0080]
步骤s25、对步骤s24中所得图像进行边缘检测；
[0081]
步骤s26、获取步骤s25中所得图像的轮廓；
[0082]
步骤s27、计算步骤s26所获取到的图像的轮廓的零阶距，获取各个定位图像的实时质心图像坐标。
[0083]
步骤s3中，根据张正友标定法离线获得左右摄像机的内外参数矩阵，结合 s2步骤后获得左右摄像机的各个定位图像的实时质心图像坐标获得求得以左摄像机为世界坐标系原点第一定位矩形的实时质心位置a1(x1，ya，z1)和第二定位矩形的实时质心位置b1(x2，ya，z2)。
[0084]
步骤s4中，根据实时检测的质心位置a1和b1，以及存储器中存储的第一定位矩形的初始质心位置a(xa，ya，za)和第二定位矩形的初始质心位置b (xb，ya，zb)以及第一定位
图形的初始质心位置a至主梁中轴距离ac计算出挠度值。
[0085]
具体的，根据公式挠度值c1c2＝(za-z1) ac*tanα，计算出挠度值c1c2。
[0086]
实施例四
[0087]
本实施例的起重机主梁挠度监测方法与实施例一的不同之处在于还包括步骤s0，采用张正友标定法离线获得左右摄像机的内外参数矩阵并存储，在起重机初始空载状态下获取第一定位矩形的初始质心位置a(xa，ya，za)和第二定位矩形的初始质心位置b(xb，ya，zb)，第一定位矩形初始质心与主梁4 中轴线距离ac并将a、b与ac的数值进行储存。
[0088]
本实施例中，第一定位矩形初始质心位置a和第二定位矩形初始质心位置 b通过双目系统识别获取，第一定位矩形初始质心与主梁4中轴线距离ac由外部人员测量输入。
[0089]
综上所述，本发明提供的一种基于双目视觉的起重机主梁挠度监测装置及监测方法，不仅能实现对主梁竖直形变的挠度检测，也能实现对主梁水平形变的挠度检测，并且能自动完成初始化对初始状态第一定位矩形和第二定位矩形的质心获取，在小车在中心作业时才进行挠度检测，最大程度节约了算力和能源。
[0090]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。