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系統識別號 U0002-3107201410591500
中文論文名稱 以機器視覺應用於固定式起重機之防撞控制
英文論文名稱 Anti-Collision Control of an Overhead Crane by Machine Vision
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 簡偉凡
研究生英文姓名 Wei-Fan Chien
學號 601370389
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-07-02
論文頁數 96頁
口試委員 指導教授-楊智旭
委員-楊棧雲
委員-王銀添
中文關鍵字 天車;預警防撞;影像處理;Hough Transform 
英文關鍵字 Over-head crane;Anti-collision;Image processing;Hough Transform 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 固定式起重機(Over-head Crane)為危險性機械(Dangerous Machine)之一,俗稱的天車是固定式起重機之一種,其操作動作是由升降捲動馬達、驅動馬達及軌道所組成,其動線和吊重皆有限制,如因操作不慎所衍生之工安事件,輕則造成作業人員受傷,重則導致財物損失及作業人員之傷亡。因此在操作時必須非常謹慎小心,對於荷重大小、路徑及作業四周環境等,均要確實瞭解掌握,才能確保作業安全與避免災害發生。
本論文是針對天車(Over-head Crane)設計預防撞擊人員或物品的安全警報裝置,並以影像處理技術,建立影像監控系統,使其能隨著吊掛物的上升、下降,自動追蹤目標物且維持警戒範圍與吊掛物之間的預設距離,並實際應用於天車吊掛預警防撞作業,必要時也能強制切斷天車之電源,預防吊掛物撞擊現場人員或其他設備,並利用透視投影、座標平移與旋轉技巧,進行障礙物與吊掛物之間的距離估測,使其成為一套安全性高的防撞監控系統。
英文摘要 The stationary crane is defined as dangerous machine by the law of Labor Safety and Health in R.O.C. The overhead crane is a kind of stationary cranes. It is an operating machinery to hang up/or down and transport the heavy goods in the industry. The overhead crane is composed of a winding motor, driving motor, track and control panel. It will be easy to get hurt or collision if the operator makes a mistake in the regular operation. Therefore, the operator must be very careful to handle all the lifting processes in order to ensure safety and avoid any disasters.
The thesis is aim at designing a pre-collision warning system, which cooperates with image processing technology to set a surveillance system. Such system is so advance that it can always keep proper distance between Over-head Crane and loading, even while the loading descend or ascend. However, to achieve such difficult goal, we have to comprehensively evaluate its safety standard. For instance, designer should consider the mechanism of emergency power switch, ensuring the crane can simultaneously cease without hurting worker. Beside, the utilization of geometric projection, translating or spinning coordination also plays an important role in this research. Only reaching above-mention condition, the standard can be approved as a safety pre-collision system.
論文目次 中文摘要 ...................................................I
英文摘要 ................................................. II
目錄 .................................................... IV
圖目錄 ................................................... IX
表目錄................................................... XIV
第一章、緒論................................................ 1
1.1、前言 ................................................. 1
1.2、研究動機與目的 ......................................... 1
1.3、相關文獻 ............................................. 2
1.3.1、固定式起重機 ........................................ 3
1.3.2、Hough Transform ....................................4
1.3.3、距離估測 ............................................5
1.4、論文架構 ..............................................5
第二章、基礎理論 .............................................7
2.1、研究方法 ..............................................7
2.2、色彩空間 ..............................................7
2.2.1、RGB 色彩空間 ........................................7
2.2.2、YCbCr 色彩空間 ......................................8
2.3、數位影像處理 ...........................................9
2.3.1、灰階 ................................................9
2.3.2、空間濾波 ............................................9
2.3.3、形態學 .............................................14
2.3.4、Hough Transform ...................................15
第三章、系統架構 ............................................18
3.1、研究設備 .............................................18
3.1.1、固定式起重機 ........................................18
3.1.2、攝影機 .............................................20
3.1.3、供電模組 ...........................................21
3.1.4、控制器 .............................................22
3.2、系統功能 .............................................23
3.2.1、影像監控 ...........................................23
3.2.2、警報系統 ...........................................27
3.3、系統架構 .............................................29
第四章、防撞控制 ............................................31
4.1、前言 .................................................31
4.2、防撞控制演算法架構 .....................................32
4.2.1、警戒範圍設置 ........................................33
4.2.2、人員或障礙物偵測......................................33
4.3、影像前處理 ............................................36
4.3.1、Median Filter .....................................36
4.3.2、銳化 ...............................................38
4.3.3、影像色彩轉換 ........................................39
4.3.4、ROI 設定 ...........................................40
4.4、特徵擷取 .............................................41
4.4.1、Sobel 邊緣偵測 .....................................41
4.4.2、二值化 .............................................42
4.4.3、孤立點移除 ..........................................44
4.4.4、Hough Transform ...................................46
4.5、人員或障礙物偵測 .......................................47
4.5.1、連續影像相減 ........................................47
4.5.2、型態學-閉運算 .......................................49
4.6、人機介面 .............................................50
第五章、影像距離估測 ........................................53
5.1、前言 .................................................53
5.2、距離估測演算法架構 .....................................53
5.3、魚眼失真 .............................................55
5.4、透視投影 .............................................56
5.4.1、相機成像 ...........................................56
5.4.2、魚眼數學模型 ........................................57
5.5、座標轉換 .............................................60
5.6、二維失真影像座標與三維天車座標關係建立 .....................63
5.7、反透視投影法 ..........................................64
第六章、實驗結果與驗證 .......................................66
6.1、環境限制與實驗假設 .....................................66
6.2、防撞預警控制實驗與結果 ..................................66
6.2.1、實驗(一) ...........................................66
6.2.2、實驗(二) ...........................................70
6.2.3、實驗(三) ...........................................74
6.2.4、實驗(四) ...........................................77
6.3、距離估測實驗結果 .......................................81
6.3.1、參數設定 ...........................................81
6.3.2、實驗結果 ...........................................81
第七章、結論與討論 ..........................................90
7.1、結論 .................................................90
7.2、討論 .................................................91
參考文獻 ..................................................93

圖目錄
圖 2.1、RGB 色彩混合表現示意圖 ................................8
圖2.2、YCbCr 色彩空間分佈圖 ..................................9
圖2.3、均值濾波器之遮罩 .....................................11
圖2.4、3*3 影像示意圖 ......................................12
圖2.5、中值濾波器處理後示意圖 ................................12
圖2.6、水平遮罩圖 ..........................................13
圖2.7、垂直遮罩圖 ..........................................13
圖2.8、影像示意圖 ..........................................14
圖2.9、兩點線段之直角座標示意圖 ...............................16
圖2.10、兩點線段之參數空間示意圖 ..............................16
圖2.11、兩點線段之極座標示意圖 ...............................17
圖3.1、架空式起重機 .........................................19
圖3.2、伸臂式起重機 .........................................19
圖3.3、門式起重機 ..........................................20
圖3.4、攝影機外觀 ..........................................21
圖3.5、PoE 電源供應器外觀 ...................................22
圖3.6、工業電池外觀 .........................................22
圖3.7、Seeeduino v3.0 控制器外觀 ...........................23
圖3.8、影像監控模組正視圖 ....................................24
圖3.9、影像監控模組側視圖 ....................................25
圖3.10、影像監控模組45 度角視圖 ..............................25
圖3.11、影像監控模組背面視圖 .................................26
圖3.12、影像監控模組裝設位置側視圖 ............................26
圖3.13、影像監控模組裝設位置正視圖 ............................27
圖3.14、影像監控裝置示意圖 ...................................28
圖3.15、天車電源控制器切斷電源示意圖 ...........................28
圖3.16、天車電源控制器恢復供電示意圖 ...........................29
圖3.17、固定式起重機安全監控預警流程圖 .........................30
圖4.1、監控畫面 ............................................32
圖4.2、防撞控制演算法之流程圖 ................................35
圖4.3、原始影像 ............................................37
圖4.4、銳化後之影像 .........................................37
圖4.5、平滑化後再銳化之影像 ..................................38
圖4.6、Sobel 邊緣偵測之影像(無銳化) ..........................38
圖4.7、Sobel 邊緣偵測之影像(銳化).............................39
圖4.8、原始影像 ............................................40
圖4.9、灰階影像 ............................................40
圖4.10、ROI 示意圖 ........................................41
圖4.11、Sobel 邊緣偵測結果 ..................................42
圖4.12、二值化後之影像 ......................................43
圖4.13、數位影像示意圖 ......................................45
圖4.14、孤立點檢測之3*3 遮罩 ................................45
圖4.15、孤立點示意圖 ........................................45
圖4.16、孤立點濾除後 ........................................46
圖4.17、Hough Transform 直線偵測 ...........................47
圖4.18、警戒範圍設定完成之監控畫面示意圖 .......................47
圖4.19、移動物示意圖 ........................................49
圖4.20、影像相減後結果 ......................................49
圖4.21、閉運算結果 .........................................50
圖4.22、人機介面 ...........................................52
圖4.23 攝影機設定畫面 .......................................52
圖5.1、距離估測演算法之流程圖 ................................55
圖5.2、魚眼失真示意圖 .......................................56
圖5.3、相機座標與影像座標示意圖 ...............................57
圖5.4、右手座標系統示意圖 ....................................61
圖5.5、相機座標系統示意圖 ....................................61
圖5.6、天車座標系統 .........................................62
圖6.1、人員往吊掛物移動之示意圖(靜態)...........................67
圖6.2、人員往吊掛物移動之連續定格分解圖 ........................69
圖6.3、吊掛物離地1.7 公尺,人員往吊掛物移動示意圖(靜態) ..........70
圖6.4、吊掛物離地1.7 公尺,人員往吊掛物移動連續定格分解圖..........73
圖6.5、天車垂直下降示意圖(靜態) ..............................74
圖6.6、吊掛物下降連續定格分解圖 ...............................76
圖6.7、人員與吊掛相對移動示意圖(靜態)...........................77
圖6.8、人員與吊掛物相對移動之連續定格分解圖 .....................80
圖6.9、吊掛物與天車距離170 公分之估測結果 ......................83
圖6.10、吊掛物與天車距離180 公分之估測結果 .....................83
圖6.11、吊掛物與天車距離190 公分之估測結果 .....................84
圖6.12、吊掛物與天車距離200 公分之估測結果 .....................84
圖6.13、吊掛物與天車距離210 公分之估測結果 .....................85
圖6.14、人員與吊掛物距離100 公分之估測結果 .....................85
圖6.15、人員與吊掛物距離110 公分之估測結果 .....................86
圖6.16、人員與吊掛物距離120 公分之估測結果 .....................86
圖6.17、人員與吊掛物距離130 公分之估測結果 .....................87
圖6.18、人員與吊掛物距離140 公分之估測結果 .....................87
圖6.19、人員與吊掛物距離150 公分之估測結果 .....................88

表目錄
表 5.1、距離估測處理程序說明 .................................54
表6.1、參數設定表 ..........................................81
表6.2、吊掛物與天車距離估測結果統計表 ..........................88
表6.3、人員與吊掛物距離估測結果統計表 ..........................89
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http://www.iosh.gov.tw/
[35]台灣WIKI
http://www.twwiki.com/wiki/%E9%AD%9A%E7%9C%BC%E9%8F%A1%E9%A0%AD
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2014-08-05公開。
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