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带图像传感器的集装箱起重机防摇摆系统
川井秀彦，杨博金，崔永云
日本东京索卡大学工程学院，192-8577
韩国釜山普京国立大学控制与机械工程系，608-739
（2008年8月11日收到手稿；2009年4月27日修订；2009年4月29日出版）
摘要：
在港口装卸货物时高速高效是非常重要的因素，高速的装卸货物能力很大程度上取决于所采用的防摇摆系统。然而，由于诸多问题要实现高性能的防摇摆控制系统并不容易。对于港口负责装卸货物的起重机驾驶员而言装卸起重机的高速运行是被不断要求的，由于驾驶员承受着这种长期的压力，产生不良动作就会降低工作效率。为了解决这个问题，我们提出了一种具有图像传感器的集装箱起重机防摇摆系统。在这个系统中，图像传感器用于检测吊具的动作，同时将测量数据实时地反馈给控制器。这种实用的图像处理技术是一种被称为矢量码相关（VCC）的稳健的模板匹配方法，它的设计目的是为了考虑到真实的环境条件。本文提出的抗摇摆系统是一个在吊具上装有活动质量块的质量阻尼器型系统。作用于活动质量块的执行机构将惯性力施加在吊具上，从而抑制不希望的摇摆运动。该系统简单且易于应用在任何起重机系统中，在此基础上，对所提出的防摇系统的有用特性和性能进行了实验验证。
关键词：防摇摆控制；集装箱起重机；图像传感器；稳健的模板匹配
- 介绍
反馈系统设计令人振奋的一个应用领域是保护土木工程结构不受强震、大风、极端波浪、交通和公路荷载等动荷载的影响。建筑物和其他物理结构，包括公路基础设施，传统上依靠其自身强度和消磨能量的能力来承受严重的动态荷载。近年来，大量的研究者将注意力集中在利用控制和自动化来减轻动态荷载对这种结构的影响上。
毫无疑问，结构保护是世界上最重要的优先事项，这种保护包括可靠的操作性、自始至终的舒适性以及生存能力。在这篇文章中，我们真正地提供了一个方案解决这些问题领域中的一个，即控制不良摇摆运动的问题。
集装箱起重机广泛地应用于将集装箱从集装箱船运输到卡车上。然而，在加速和减速周期结束时或万一存在意外干扰的情况下，起重机系统存在残余的摇摆运动。在起重机系统中，对牵引小车的控制是抑制不希望出现的摇摆运动的著名技术。尽管如此，该系统依然存在相当大的问题。比如会增加长期工作的起重车司机的疲倦与不适。我们尝试了一个新的解决方案，如图1所示，这个被安装在集装箱吊具上来抑制不良摇摆运动的系统被称为质量阻尼式防摇摆系统。所提出的系统由一个阻尼块、一个传送动力到运动块的皮带或滚珠丝杠和一个移动阻尼块的马达组成。在该系统中，作用在辅助质量上的执行器向起重机系统施加惯性控制力，以减少不良摇摆运动。
缓冲物
Belt or
阻尼块
滚珠丝杆 马达
图1：质量阻尼器式防摇系统执行机构
图2：所提出的具有运动质量和图像传感器的防摇摆系统的示意图。
在实际操作环境中，起重、小车行走等过程涉及各种复杂运动。对起重机的这种动态运动进行精确的测量也很重要，考虑到实际操作条件，激光传感系统或基于摄像机的传感系统已被用作解决该问题的一部分。然而，由于应用的传感系统的复杂性，在实际操作中并不实用。本文介绍了一种基于摄像机的起重机吊具动态运动图像传感系统。
在所提出的传感系统中，摇摆运动是通过安装在吊具上的两个地标之间的实际距离与捕获图像中的距离之比来测量的。在该系统中，用于检测地标的图像处理技术是一种稳健的模板匹配方法矢量码相关（VCC）。实验结果表明，该图像传感系统具有良好的控制性能和实用性。
- 系统描述
正如上文所说的，我们所考虑的防摇摆系统被安装在起重机吊具上，如图2所示，防摇摆系统由测量和控制部分组成。控制部分为质量阻尼器式，抑制不良的摇摆运动，测量部分为基于摄像机的图像传感系统。为了测量运动状态，在小车的侧面安装了一个带有CCD摄像机和图像处理器的图像传感器。
当然，人们认为防摇摆系统的设计应以有关货物尺寸、重量和其他参数的信息为基础。在所考虑的系统中，有必要安装一个阻尼质量块、一个用于移动阻尼质量块的电机、一个用于向移动质量块传递动力的皮带或滚珠丝杠以及一个用于测量阻尼质量块动态位置的位移传感器。此外，在图像传感系统中，利用两个地标测量摇摆运动的位移。
- 利用图像传感器测量摇摆运动和绳索长度
3.1利用图像传感器测量摇摆运动和绳索长度的原理
首先，我们描述了测量摇摆运动的原理。摇摆运动的测量等同于测量如图3所示的集装箱吊具的位移，其中（a）和（b）说明了安装有图像传感器的防摇摆系统说明了集装箱吊具从一个静止的位置原点移动时的位移。该位移通过安装在小车侧面的图像传感器测量，然后捕获图像的中心，其中对应于静态位置的吊具的中心。图像传感器检测捕获图像上两个地标的位置和。如果使用这些标志，还可以测量吊具高度因钢丝绳缠绕和放卷而发生的变化。接下来，可以使用地标之间的实际距离与图像上的距离的比率来测量摇摆运动。通过使用地标的位置，可以通过如下方法计算图像中的距离和吊具定义为的位移。
（1）
（2）
如果使用（），吊具的实际位移计算如下：
（3）
绳长分为两部分（和），如图3（c）所示，其中是图像传感器的原点和焦点之间的距离，取自图像传感器的规格，是焦点和吊具上表面之间的距离，用和的比值计算。如果使用这些值，参数可按如下方式计算。
（4）
（5）
3.2利用矢量码相关（VCC）检测地标
模板匹配方法通过扫描整个图像来检测目标，同时将相同大小的部分图像与包含目标的模板进行比较。在这里，我们将此方法应用于图像传感器，以检测地标。一般来说，处理捕获的图像所需的时间很长，尽管这取决于处理器性能和模板匹配算法。因此，我们采用一种改进的模板匹配方法，称为矢量码相关（VCC）来检测地标。在VCC方法中，使用每个像素的八个相邻像素的强度计算的梯度被编码，并且VCC的总体方案如图4所示。每个像素的强度的垂直和水平梯度由一个带两位的矢量编码来编码。矢量代码的梯度有三个值：01（正）、00（接近零）和10（负）对应任何方向。由于每个像素有两个梯度，矢量编码图像的信息用每个像素四位表示。通过计算输入图像和由矢量编码的模板之间的异或运算的等价性，可以容易地执行VCC的匹配。由于这些特点，VCC方法可以降低加工成本，提高集装箱起重机在户外动态运行条件下对光波动的稳定性。
s 小车
Z
Zm d 图像平面
f
焦点
Zc
Spreader
D
(x1, y1 )
d
(xs , ys )
y
(x , y )
O x
2 2
c
Spreader
L1
D
( X s ,Ys )
Y
Z
O X
s
L2
Static position
- 吊具实际位移 （b） 输入图像中吊具的位移 （c）绳索长度
图3：利用图像传感器测量摇摆运动和绳长的原理
图4：矢量码相关法的方案
3.3针对吊具高度变化的对策
包含地标的模板是在一定高度拍摄的部分图像。由于地标的尺寸和形状随吊具的高度而变化，模板与包括地标在内的部分图像的匹配可能会失败。为了解决这一问题，我们采取了两种对策，一种是地标的形状，另一种是模板的替换。
- 地标形状
为了调整模板以适应图像传感器中吊具高度的变化，我们采用了在不同高度具有相似外观的地标。图5展示的是同心圆组成的地标，其线的宽度以确定的比例变化。图5（a）中最大圆的直径和线宽分别为50和5.3mm，而第二和第三圆的直径和线宽则减小了0.7倍。尽管图像中地标的大小随吊具高度的变化而变化，但无论其大小地标的中心部分几乎保持不变，如图5（a）和（b）中的矩形所示。由同心圆组成的地标可用作模板，该模板对尺寸变化具有稳定性，并且具有易于在传感器上的图像中找到和匹配的优点。但是，为了解释当最外面的圆的线的颜色在一定的高度变化时（例如，如图5（c）所示，与图5（a）中的标准模板相比）在图像中找不到地标的情况，我们采用模板替换方法。
- 标准模板 （b）地标拍摄 （c）在离摄像机较远的地方拍摄的地标
在离相机较近的某个高度拍摄
图5：由线宽变化一定比例的同心圆组成的地标
- 模板替换
这个方法用于如果标准模板与从图像中检测到的模板之间的相似度高于某个级别，则使用新模板替换当前模板。具体而言，如图6所示，在通过将当前模板与输入图像中的部分图像相匹配而提取的检测图像中发现地标（图6（a））。随后，通过对两个图像进行比较，确保检测到的图像与所提供的标准模板相同（图6（b））。此时，如果检测到的图像包含不同的对象，则使用标准模板可防止将当前模板替换为检测到的图像。如果由比较得到的值高于某个临界值（图6（c）），则用去保护图像替换当前模板（图6（d））。否则，当前模板将保持不变。由于新模板与标准模板在不同高度捕获的地标更加相似，因此图像传感器可以在吊具的整个高度范围内检测到地标。
匹配
当前 template
(a)从输入图像中检测地标（模板匹配）
输出图像
图像检测
(b)将检测到的图像与参考图像进行比较
比较
否
标准模板
Detected image
(c)比较结果gt;临界值？
Replace
当前模板
检测到的图像（新模板
是
(d)用检测到的图像替换当前模板
图6：基于规则的模板替换的处理流程
- 防摇摆系统的描述
众所周知，小车控制技术通常用于抑制不良摇摆运动。此外，近年来的大量研究提出了基于高起重等技术实现经验丰富的操作人员典型的防摆轨迹控制。然而，高起重技术对集装箱起重机系统是没有用的。此外，小车控制策略也容易出现各种问题，如增加长期连续工作的起重机操作员的疲劳和不舒适度。为了解决这些问题，我们引入了一个新的解决方案，如图1和2所示，如果将该机构安装在起重机吊具上，可以有效地抑制不良摇摆运动。图7展示了以集装箱起重机为控制系统的动态模型。在这个系统中，我们假设很小，吊具做水平运动，换句话说，。这些事实表明可以导出线性化模型。因此，可以用以下方式描述系统。
（6）
（7）
其中，是阻尼常数，是扰动产生的力矩，（：转矩常数，：电机电流）是执行器产生的水平力，是阻尼常数，是执行器的刚度。在这种情况下，整个系统的状态方程由
（8）
其中状态，电机输入电压），（干扰输入）。在这里，我们设计了一个基于控制方法的控制器，该控制器对系统不确定性和意外干扰具有稳定性。换句话来说，由下列式（9）控制的设计控制器满足范数条件，其中是输入到控制输出的传递函数。因此，控制器的计算如下：
（9）
其中，
（10）
l
x
d
f d
m
M
- 受控系统的几何表示 （a）控制系统原理图
图7:受控系统的动态模型
- 实验
为了证明所提出的带有图像传感器的防摇摆系统的有效性，我们使用起重机的试验模型进行了实验，如图8所示。起重机模型由小车和质量阻尼器式防摇系统组成。在吊具上安装了防滑系统，以抑制小车移动、起重和意外干扰引起的摆动。这种新方法采用了一种不同于典型抗摇摆系统的方案，采用图像传感器作为测量系统。它由安装在小车侧面的摄像机和吊具部分的两个地标组成，如图8（b）所示。该传感系统可以同时测量吊具的位移和高度变化。表1和表2中列出了控制系统设计的参数和每个传感器的特性。
首先，我们提出了测量结果，以验证图像传感系统的可行
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