[发明专利]一种基于靶标的单目视觉挖掘机位姿测量系统及测量方法

说明书

本发明公开了一种基于靶标的单目视觉挖掘机位姿测量系统及测量方法，包括靶标、单目相机和计算模块，所述靶标包括安装在挖掘机同一侧的铲斗靶标、斗杆靶标和动臂靶标，所述铲斗靶标固定在铲斗连接杆上靠近铲斗一端，所述斗杆靶标固定在斗杆上，所述动臂靶标固定在动臂上，所述单目相机的视野覆盖铲斗靶标、斗杆靶标和动臂靶标，计算模块用于根据单目相机采集到的靶标图像计算各个靶标的空间六自由度参数。能够有效的避免在动作大、作业环境恶劣、容易与作业对象发生碰撞、震动幅度大的工作装置上安装测量传感器等价格高昂的精密测量件容易损坏的缺陷，从而提高监测的可靠性和稳定性，保证了挖掘机作业的安全性，同时也降低了维护成本。

技术领域

本发明属于机器测量技术领域，具体涉及一种基于靶标的单目视觉挖掘机位姿测量系统及测量方法。

背景技术

建筑行业一般面临着生产效率低，危险性高发的问题。为了降低建筑行业的高劳动量，高风险，一种重要的方式就是提高建筑施工的自动化程度。液压挖掘机是功能最典型、结构最复杂、用途最广泛的建筑工程机械之一。作为建筑工程机械的主流产品，它在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用。

液压挖掘机主要由行走装置、工作装置和回转平台三大部分组成。挖掘任务主要由工作装置完成，工作装置由动臂、斗杆、铲斗、联杆、油缸等组成。其中动臂、斗杆、铲斗三个部位有液压缸，行走装置和回转平台有三个液压马达用于左右行走和回转。挖掘机作业的基本方法是动臂斗杆液压缸置于一定的位置不动，只操作铲斗油缸挖掘手柄，使铲斗转动切削土壤。在铲斗装满后工作装置从挖掘面旋转到卸土地点。这一过程要求铲斗底部一经离开挖掘面，便提升动臂与调整铲斗转角，以适应所要求的卸土高度。当铲斗回转接近装土车辆时，松开回转手柄，用回转制动器慢慢地制动转台，并同时卸土。当工作装置基本停稳后，翻转铲斗卸土。卸土完毕后，工作装置应立刻返回挖掘面。返回过程中，铲斗翻转，调整好切削角，使铲斗切入土中，开始重复挖掘动作。挖掘机的操作过程十分复杂。因此挖掘机对操纵人员的技术要求高，且劳动强度大，工作环境恶劣，危险系数高，对工程的施工效率、成本及质量问题都造成严重的影响。挖掘机的智能化程度对解决上述问题有重大影响，所以为提高挖掘机的工作效率，降低操作人员的劳动强度，要提高挖掘机的智能化程度和发展建筑工程自动化及机器人技术。为了更好的提高建筑机械的自动化程度，检测建筑场地与建筑机械(如挖掘机)的执行机构的位姿是基本的要求，位姿包含位置与姿态。

近几十年来，国内外部分工程机械主要企业和高校对挖掘机的作业自动化做了大量的研究工作。例如国外有：日本小松公司、英国兰卡斯特大学等；国内有同济大学、浙江大学、山河智能公司等。已研制成的自动化挖掘机：操作人员只需发出指令，给出挖掘点及其挖掘任务，控制系统根据实时反馈的机体定位信息、工作装置的姿态信息，控制回转平台的液压马达和三个液压缸的动作自动实现相应的挖掘操作。其机体定位信息通常由GPS导航系统完成。而对工作装置的姿态的测量，多采用在工作装置的动臂、斗杆和铲斗的铰点处安装倾角传感器或光电编码器来实现。其姿态信息获取方式存在的问题是：挖掘机挖掘作业过程中，工作装置不可避免地会与土壤、岩石，或其他物体发生碰撞，产生剧烈振动，极易造成安装在其上的传感器损坏，最终导致整个自动化控制系统无法正常运行。系统的可靠性低，维护成本高。

在建筑施工过程中，实时准确的监测施工场地，将检测到的信息返回操作人员，有助于操作人员根据施工环境以及作业要求更好地进行施工作业，更高效的完成建筑施工。最终提高建筑施工提高工作效率。

发明内容

本发明主要是基于现有的自动化挖掘机的工作装置的位姿测量系统的缺点与不足，提出的通过单目相机和靶标来测量挖掘机工作装置位姿。这种测量系统和方法能够准确的实时的动态测量到挖掘机处于工作状态时工作装置的位姿,它在挖掘机的工作的装置上不用安装容易损坏。