一種基于工業(yè)相機(jī)的起重機(jī)伸臂側(cè)彎測(cè)量技術(shù)

張?jiān)娗澹瑴剡_(dá)榮，謝為金，陳洪志，陳宗普

ZHANG Shi-qing, WEN Da-rong, XIE Wei-jin, CHEN Hong-zhi, CHEN Zong-pu

（1.廣東力特工程機(jī)械有限公司，廣東 廣州 510730；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510090；3.廣州炬森自動(dòng)化設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510730）

大型設(shè)備吊裝中起重機(jī)伸臂變形是起重機(jī)性能的非常重要的安全評(píng)估指標(biāo)，因起重機(jī)伸臂側(cè)彎過(guò)大造成損傷或斷裂而產(chǎn)生的安全事故時(shí)有發(fā)生。在國(guó)內(nèi)，研究起重機(jī)相對(duì)伸臂的變形基本還處于初級(jí)階段，也沒(méi)有能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)伸臂側(cè)彎的儀器與設(shè)備。本文研究的對(duì)象是起重機(jī)側(cè)彎即起重機(jī)伸臂水平偏擺位移量，并且為它設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反映伸臂的側(cè)彎，并通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映出來(lái)。

1 系統(tǒng)介紹

起重機(jī)伸臂側(cè)彎測(cè)量系統(tǒng)包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、顯示器、激光發(fā)射器及支架、工業(yè)相機(jī)及支架等。激光發(fā)射器安裝在伸臂頂節(jié)內(nèi)側(cè)，其支架固定在伸臂頂節(jié)斜撐上。工業(yè)相機(jī)安裝在伸臂底節(jié)內(nèi)側(cè)，其支架固定在伸臂底節(jié)側(cè)面鋼板上，工業(yè)相機(jī)、激光發(fā)射器之間不能有任何障礙物或其他反光物件，激光發(fā)射器及工業(yè)相機(jī)安裝位置如圖1所示。

圖1 測(cè)量裝置安裝示意圖

2 設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)采用的是光學(xué)攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)通訊協(xié)議技術(shù)。系統(tǒng)利用光學(xué)攝像技術(shù)構(gòu)造一套參照體系，將伸臂的相對(duì)彎曲量按比例換算成像素的偏移量，采集圖像的偏移量，再利用后期軟件的圖像處理對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析從而得到伸臂的偏移量。其具體的光學(xué)原理示意圖如圖2所示。

圖2 光學(xué)原理示意圖

上圖2中A,B的距離為參考紅外光安裝的距離，可以在實(shí)際當(dāng)中測(cè)出，作為偏移量的參考，可以設(shè)計(jì)成為固定不變的常量。當(dāng)實(shí)際距離為A,B時(shí)，在相機(jī)所獲取的實(shí)時(shí)圖像中，A,B所對(duì)應(yīng)的像素為a,b。

設(shè)偏移量δ所占的像素為X，則根據(jù)像素所對(duì)應(yīng)實(shí)際距離的比例關(guān)系，X可以通過(guò)圖像計(jì)算出來(lái)。

綜上所述X的計(jì)算方程為

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理選用對(duì)應(yīng)的設(shè)備組成檢測(cè)系統(tǒng)是可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)相機(jī)曝光，增益的控制，以及對(duì)相機(jī)圖像過(guò)濾，聚焦等處理可以使偏移量的精度進(jìn)一步提高，使系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

3 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由圖像采集，圖像分析處理，數(shù)據(jù)通訊協(xié)議3部分組成，具體流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成示意圖

系統(tǒng)的三大部分完成偏移量的檢測(cè)，處理，傳輸。紅外激光器固定與伸臂頂端，并且發(fā)射出激光束，激光束經(jīng)過(guò)工業(yè)相機(jī)采集，在相機(jī)里面成點(diǎn)狀像，相機(jī)將實(shí)時(shí)的圖像傳輸?shù)焦I(yè)電腦，工業(yè)電腦用特定的軟件對(duì)圖像分析處理得出偏移數(shù)據(jù)，利用串口通信，將運(yùn)算得出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)紺AN總線，最后經(jīng)CAN總線傳輸?shù)教囟ǖ娘@示屏。

3.1 圖像采集部分

3.1.1 紅外激光器

紅外激光器主要是提供光源，從而它的選擇就顯得十分重要，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。在這個(gè)系統(tǒng)中，紅外光源必須遵循以下幾個(gè)原則。

1）紅外光源必須體積小，重量輕，偏于固定到起重機(jī)伸臂的頂端，而且不會(huì)影響到起重機(jī)伸臂的工作。

2）紅外光源的波長(zhǎng)必須要能夠用特定的工業(yè)單色采集相機(jī)捕捉到，而且有別于太陽(yáng)光，避免太陽(yáng)光的干擾。

3）紅外光源發(fā)射的光束能量必須足夠強(qiáng)，使在100m的地方也能夠保證足夠的強(qiáng)度，以便相機(jī)更好的采集圖像。

綜合以上幾點(diǎn),這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)選用的是型號(hào)為FU808AD200-BD10的808激 光 器。808nm激光器打出一個(gè)肉眼看不到的激光點(diǎn)，需要用專門的設(shè)備觀察（如工業(yè)單色采集相機(jī)），光點(diǎn)大小可調(diào)節(jié)。而且提供穩(wěn)定的圖像光源。所以此激光器可以當(dāng)成打點(diǎn)激光定位燈。

3.1.2 工業(yè)采集相機(jī)

工業(yè)采集相機(jī)的主要作用是采集激光器發(fā)射過(guò)來(lái)的激光束，從而形成參照體系，得到實(shí)時(shí)圖像，為后期的圖像處理提供最原始的圖像。工業(yè)采集相機(jī)要能采集808激光器發(fā)射出來(lái)的光束，且為單色。本系統(tǒng)選擇的是型號(hào)FT810-10-254濾光片，工業(yè)采集相機(jī)配置這種濾光片可以接收激光器發(fā)出的紅外光，防止接收太陽(yáng)光中其他光線進(jìn)入相機(jī)從而造成色偏差生誤差。

3.1.3 工業(yè)采集相機(jī)鏡頭

圖4 相機(jī)實(shí)時(shí)獲取圖像

圖5 初步處理的實(shí)時(shí)圖像

圖6 深度處理后的實(shí)時(shí)圖像

單色工業(yè)采集相機(jī)DMK23G274要采集來(lái)自100m的激光器的光束，由于光束的發(fā)散使得相機(jī)得不到點(diǎn)狀的圖像，同時(shí)為了安裝濾光片，需設(shè)計(jì)鏡頭。單色相機(jī)可以用于接收激光器發(fā)射過(guò)來(lái)的光束，并且聚焦為一點(diǎn)，保證系統(tǒng)的精度。

3.2 圖像處理部分

嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)是用來(lái)進(jìn)行后期的圖像處理的硬件部分，分析從工業(yè)相機(jī)采集而來(lái)的圖像，從而得出彎曲度的真實(shí)值。根據(jù)設(shè)計(jì)好的算法，對(duì)實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行處理，得到實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

圖像處理軟件是這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，可以說(shuō)偏移值的精度很大程度上與圖像處理有關(guān)，是決定系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素。在這個(gè)系統(tǒng)中圖像處理軟件應(yīng)該要完成3個(gè)層次的任務(wù)：圖像的實(shí)時(shí)獲取，圖像的預(yù)處理，偏移量的計(jì)算與顯示。根據(jù)選擇的工業(yè)相機(jī)配備的軟件兼容性以及圖像處理的函數(shù)庫(kù)，在這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中，我們選擇用VS2010開(kāi)發(fā)環(huán)境下C#來(lái)進(jìn)行圖像處理。

3.2.1 圖像實(shí)時(shí)獲取

DMK23G274單色工業(yè)相機(jī)配備的軟件能夠在顯示器上面實(shí)時(shí)的顯示的相機(jī)采集到的畫面，但是不能夠?qū)D像進(jìn)行進(jìn)一步的處理，所以將工業(yè)相機(jī)自帶的軟件IC imaging control嵌入到VS2010中，使其作為VS2010中的一個(gè)控件，對(duì)控件進(jìn)行編程，可以在VS2010開(kāi)發(fā)環(huán)境下顯示實(shí)時(shí)圖像，通過(guò)有C#的編程，設(shè)計(jì)出顯示界面，得到實(shí)時(shí)圖像如圖4所示。

3.2.2 圖像預(yù)處理

工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)獲取的圖像夾帶許多噪點(diǎn)，以及其他光線來(lái)源的干擾，使得計(jì)算機(jī)不能準(zhǔn)確的運(yùn)用算法計(jì)算出分辨率與偏移量。因此必須對(duì)獲取的圖像進(jìn)行曝光、增益、濾波、聚焦等數(shù)字處理，才能得到符合要求的實(shí)時(shí)圖像。通過(guò)添加參數(shù)控制以及計(jì)算機(jī)程序?qū)I(yè)相機(jī)的控制來(lái)改變工業(yè)相機(jī)的曝光與增益，可以有效地避免其他光源的干擾，從而得到初步處理的實(shí)時(shí)圖像，如圖5所示。

經(jīng)過(guò)初步處理的圖像可以應(yīng)用于算法中計(jì)算偏移量，但由于100m距離上光束的發(fā)散，在工業(yè)相機(jī)上獲取的圖像是兩個(gè)光斑，而不是兩個(gè)激光點(diǎn)，計(jì)算的偏移量產(chǎn)生較大的誤差，不能夠精確的反映出伸臂側(cè)彎變形量。通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行二次濾波，盡量避免其它雜質(zhì)光源產(chǎn)生誤差影響系統(tǒng)精度，并進(jìn)行聚焦處理，使其變?yōu)辄c(diǎn)狀，減小系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)精度，深度處理后的實(shí)時(shí)圖像如圖6所示。

3.2.3 伸臂側(cè)彎位移的計(jì)算

圖像經(jīng)過(guò)深度處理后，得到滿足算法條件的圖像，利用C#編寫計(jì)算機(jī)算法程序?qū)Λ@取的圖像實(shí)時(shí)計(jì)算，運(yùn)用原理公式δ＝AX/a計(jì)算偏移量，并且在C#程序界面上顯示。

通過(guò)計(jì)算得出激光的偏移量，推知伸臂側(cè)彎位移量。為找出系統(tǒng)精度影響因素，在距離工業(yè)相機(jī)100m位置做了多次測(cè)試，當(dāng)在100m時(shí)，系統(tǒng)的分辨率為2.18mm，即相機(jī)中每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的顯示偏移量為2.18mm，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理以后，系統(tǒng)的精度相應(yīng)地提高，滿足整個(gè)系統(tǒng)精度和實(shí)時(shí)性的要求。

3.3 通信協(xié)議

系統(tǒng)所采用的嵌入式工業(yè)電腦是不配備顯示器，而伸臂相對(duì)彎曲度檢測(cè)系統(tǒng)是大型設(shè)備吊裝在線監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)的一部分，故需要將該子系統(tǒng)的運(yùn)算結(jié)果傳輸至總控制器和人機(jī)界面供整套系統(tǒng)使用。該吊臂偏移量測(cè)量系統(tǒng)中運(yùn)用C#編寫串口通信程序，將測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)由嵌入式工業(yè)電腦的RS232接口傳送到RS232—CAN-bus智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成CAN數(shù)據(jù)，再將CAN數(shù)據(jù)經(jīng)由CAN總線傳輸?shù)娇偪刂破骱腿藱C(jī)界面。

表1 偏移量測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

起重機(jī)伸臂的側(cè)彎變形是影響起重機(jī)性能的一個(gè)重要安全參數(shù)，本文提出的攝像方法只是一種測(cè)量方法,旨在探討攝像技術(shù)在工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用。本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)測(cè)量起重機(jī)伸臂對(duì)應(yīng)點(diǎn)的側(cè)彎變形量。通過(guò)變形測(cè)量計(jì)算公式以及試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)量準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本攝像測(cè)量方法的精度與光源的位移量有一定的關(guān)系,同時(shí)測(cè)量精度與激光點(diǎn)到相機(jī)的距離、兩激光點(diǎn)之間距離、伸臂實(shí)際側(cè)彎量、圖像處理精度等因素密切相關(guān)。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于起重機(jī)伸臂側(cè)彎測(cè)量，并結(jié)合其他監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)，組成一套大型起重機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)，并為起重機(jī)的安全作業(yè)帶來(lái)直觀的數(shù)據(jù)參考。