[发明专利]基于视觉测量的非接触式挖掘机工作装置姿态测量方法

摘要

一种基于视觉测量的非接触式挖掘机工作装置姿态测量方法，它通过在工作装置上粘贴具有明显图像鞍点特征的圆形片作为标记特征点，然后用驾驶室机架上的工业摄相机摄取挖掘机工作装置图像，再应用鞍点检测方法在线实时检测出工作装置图像上包括特征片中心点在内的所有图像鞍点，并通过特征片间的距离将非特征片中心点的图像鞍点过滤掉，进而通过特征片中心点之间的连线倾角得出工作装置各部件的倾角，从而测出工作装置的姿态。该种测量方法能动态测量出挖掘机工作装置的姿态，它在工作装置上不安装任何易损、精密件，使挖掘机测控的可靠性提高，维护成本降低。且其检测结果准确，计算步骤少、方法简单，测量的动态响应速度快，实时性好。

主权项

1.一种基于视觉测量的非接触式工作装置姿态测量方法，包括以下步骤：A、摄相机与特征片的布置：将工业摄相机（4）安装在挖掘机驾驶室机架（5）上，工业摄相机（4）视场从一侧覆盖挖掘机的工作装置，工业摄相机（4）的USB接口与挖掘机的自动控制系统相连；同时，在挖掘机动臂（1）、斗杆（2）和铲斗（3）面向工业摄相机（4）的侧面均粘贴两个圆形特征片（6），特征片（6）的表面分割为四个90度扇形区，其中相对的两个扇形区为黑色区（6a），另两个相对的扇形区为白色区(6b)，使特征片（6）的中心点在图像的鞍点检测中能被检测为鞍点；动臂（1）上的两个特征片（6）的中心点连线与动臂（1）上两个杆件铰点的连线平行；斗杆（2）上的两个特征片（6）的中心点连线与斗杆（2）上两个杆件铰点的连线平行；铲斗（3）上的两个特征片（6）的中心点连线与铲斗（3）的杆件铰点和铲尖的连线平行；所述的动臂（1）上的两个特征片（6）的中心点距离为l₁，斗杆（2）上的两个特征片（6）的中心点距离为l₂，铲斗（3）上的两个特征片（6）的中心点距离为l₃，且l₁≠l₂≠l₃,l₁≠l₃；B、图像获取：当挖掘机工作时，工业摄相机（4）每隔60～80ms摄取一幅数字图像，并通过USB接口将数字图像传递给自动控制系统；C、鞍点检测：初次检测时，自动控制系统通过鞍点搜索算法在整个数字图像中检测出鞍点i，得到鞍点i的图像坐标系坐标P’_i(r_i,c_i)，其中，i为鞍点的序号、i=1,2,…n，r为鞍点的行坐标，c为鞍点的列坐标；初次以后的检测，自动控制系统则通过鞍点搜索算法在前次检测的步骤F确定的矩形检测区域中检测出鞍点i，得到鞍点i的图像坐标系坐标P’_i(r_i,c_i)，其中，i为鞍点的序号、i=1,2,…n，r为鞍点的行坐标，c为鞍点的列坐标；D、坐标变换：将鞍点i的图像坐标系坐标P’_i(r,c)转换为以动臂（1）、斗杆（2）和铲斗（3）的被摄侧面为x-y平面的世界坐标系(WCS)的坐标P_i(x_i y_i,0)；E、鞍点过滤与倾角测量：计算任意两鞍点在世界坐标系中的相互距离即鞍点距离a_jk，得到距离矩阵L：L=0a12a13...a1n0a23...a2n0...a23.........0]]>式中：a_jk表示第i=j个鞍点与第i=k点个鞍点之间的距离，L为对称矩阵；计算所有鞍点距离a_jk与动臂（1）上两个特征片（6）的鞍点距离l₁的差值的绝对值|a_jk-l₁|，若|a_j1,k1-l₁|的值为最小，则判定对应的两个鞍点j1和k1即为动臂上的两个特征片（6）的中心点；两中心点连线的倾角为α₁：a1=arctan(yj1-yk1xj1-xk1)]]>计算所有鞍点距离a_jk与斗杆（2）上两个特征片（6）的鞍点距离l₂的差值的绝对值|a_jk-l₂|，若|a_j2,k2-l₂|的值为最小，则判定对应的两个鞍点j2和k2即为动臂上的两个特征片（6）的中心点；两中心点连线的倾角为α₂：a2=arctan(yj2-yk2xj2-xk2)]]>计算所有鞍点距离a_jk与铲斗（3）上两个特征片（6）的鞍点距离l3的差值的绝对值|a_jk-l₃|，若|a_j3,k3-l₃|的值为最小，则判定对应的两个鞍点j3和k3即为动臂上的两个特征片（6）的中心点；两中心点连线的倾角为α₃：a3=arctan(yj3-yk3xj3-xk3)]]>F、缩小检测区域：在当前检测到的六个特征片（6）的中心点世界坐标系坐标中，找出最左的中心点坐标L(x_l,y_l,0)、最右的中心点坐标R(x_r,y_r,0)、最上的中心点坐标T(x_t,y_t,0)和最下的中心点坐标B(x_b,y_b,0)，x₀为设定的所有特征片（6）在检测时间间隔内横向运动的最大距离，y₀为所有特征片在检测时间间隔内纵向运动的最大距离；则下一次检测的矩形区域的两个对角点坐标为：LB(x_l-x₀,y_l-y₀,0)、TR(x_r+x₀,y_r+y₀,0)，再通过坐标反变换即可得到下一次矩形检测区域的两个对角点的图像坐标系坐标，进而确定出下一次检测的图像坐标系中的矩形检测区域；G、重复B-F步骤，即可实时地动态测量出挖掘机工作装置的姿态。