[发明专利]一种悬臂式掘进机截割头位姿视觉测量方法

摘要

本发明公开了一种悬臂式掘进机截割头位姿视觉测量方法，在掘进机截割头处安置方形定位标识，并通过固定安装在掘进机机身上的摄像机对掘进机图像进行采集；对采集得到的目标图像进行降噪处理，提取降噪处理后图像中的定位标识；对定位标识进行边缘直线拟合，得到定位标识的四个顶点坐标；计算掘进机截割部的水平摆动角和上下抬升角，即掘进机截割头位的位姿；本发明方法能准确测量出掘进机图像中截割部的水平摆动角和上下抬升角,为掘进机截割头的位置测量提供必要的技术支持,具有显著的经济效益和较高的工程应用价值。

主权项

1.一种悬臂式掘进机截割头位姿视觉测量方法,其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在掘进机截割头处安置方形定位标识，并通过摄像机对掘进机图像进行采集；步骤二：对采集得到的目标图像进行降噪处理，提取降噪处理后图像中的定位标识；步骤三：对定位标识进行边缘直线拟合，得到定位标识的四个顶点坐标，具体步骤为：步骤3.1：对定位标识按照设定的中心间距和大小分布感受野，采用(r*2+1)*(r*2+1)的掩模，r为感受野细胞半径，掩模中心与感受野细胞中心重合；步骤3.2：利用梯度算子计算每个感受野掩模梯度方向，通过掩模梯度方向对每个感受野方向进行定性判断，从而分别划分出定位标识的上边缘、下边缘、左边缘和右边缘上分布的感受野细胞；步骤3.3：利用感受野模型，计算上边缘方向各个感受野的响应值，根据单个感受野内像素点形成的对比边缘位置与感受野中心距离的关系，确定每个感受野中心到感受野内对比边缘的距离，然后利用带约束的最小二乘法模型拟合出定位标识上边缘所在直线；步骤3.4：重复步骤3.3，分别对定位标识的下边缘、左边缘、右边缘所在直线进行拟合；步骤3.5：根据拟合的上边缘、下边缘、左边缘和右边缘四条直线方程，得到定位标识的四个顶点坐标；步骤四：计算掘进机截割头的位姿；步骤4.1：根据步骤三得到定位标识的四个顶点坐标，将其转化为图像坐标，根据图像坐标与光心坐标的关系，计算定位标识的法向量；其中，为定位标识的法向量，a∈i，b∈i，c∈i，a≠b≠c，i＝1,2,3,4；(Xi,Yi,Zi)为定位标识顶点的光心坐标，(xi,yi)为定位标识顶点的图像坐标，C为摄像机的有效焦距；B1＝x2y3‑x4y3+x4y2‑x2y4+x3y4‑x3y2B2＝x3y4‑x4y3‑x1y4+x4y1+x1y3‑x3y1B3＝x1y2‑x4y2‑x2y1‑x1y4+x4y1+x2y4B4＝x3y2‑x2y3+x1y3+x2y1‑x1y2‑x3y1其中，l为长方形定位标识的长边边长或正方形定位标识的边长；步骤4.2：通过式(1)和式(2)计算掘进机截割头的水平摆动角γ和上下抬升角α，即掘进机截割头的位姿；γ＝θ‑θ0   (1)α＝β‑β0    (2)其中，θ为掘进机截割头在摆动过程中，定位标识的法向量与竖直方向的夹角，θ0为掘进机截割头在初始位置时，定位标识的法向量与竖直方向的夹角；β为掘进机截割头在上下抬升过程中，定位标识的法向量与水平方向的夹角，β0为掘进机截割头在初始位置时，定位标识的法向量与水平方向的夹角。