挖掘機(jī)控制系統(tǒng)及作業(yè)對(duì)象物的識(shí)別.pdf

1、挖掘機(jī)代替了大量的人力勞動(dòng)，大大提高了工作效率。但在有毒氣、高溫、易崩塌等惡劣環(huán)境中，操作人員的安全和健康受到嚴(yán)重威脅，無(wú)法駕駛挖掘機(jī)進(jìn)入其中作業(yè)，使挖掘機(jī)的應(yīng)用受到了很大的限制。為實(shí)現(xiàn)在無(wú)人操作情況下，實(shí)施挖掘作業(yè)，設(shè)計(jì)挖掘機(jī)的無(wú)人化控制系統(tǒng)。本課題研究了適合挖掘作業(yè)對(duì)象物特征的雙目視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，計(jì)算對(duì)象物體積、相對(duì)位置。根據(jù)計(jì)算結(jié)果自行規(guī)劃作業(yè)，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀況。該系統(tǒng)由視覺(jué)識(shí)別、行走驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)三部分組成，可

2、以協(xié)調(diào)工作，完成作業(yè)計(jì)劃。 通常，操作人員觀察對(duì)象物的位置和大小，拉動(dòng)左、右操縱桿控制挖掘機(jī)履帶接近對(duì)象物，到達(dá)對(duì)象物位置后，控制鏟斗挖起并倒入自卸車。在挖掘機(jī)智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，操作人員的判斷、控制全由智能化的軟硬件代替。系統(tǒng)的硬件由一臺(tái)PC(上位機(jī))、雙目視覺(jué)系統(tǒng)和單片機(jī)系統(tǒng)(下位機(jī))組成。 挖掘機(jī)作業(yè)的對(duì)象物，一般為礦石或巖石，相對(duì)于制造加工業(yè)的對(duì)象物，其外形具有隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，針對(duì)此特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)計(jì)算方法。傳感器

3、選用CCD攝像機(jī)，通過(guò)視頻采集卡A/D轉(zhuǎn)換將圖像數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。利用人類雙眼立體成像的原理，挖掘機(jī)機(jī)身兩側(cè)安裝的兩個(gè)CCD攝像機(jī)同時(shí)拍攝得到兩個(gè)圖像，經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)，提取特殊點(diǎn)，選取一般點(diǎn)，計(jì)算二維坐標(biāo)，分割錐體這幾個(gè)步驟對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別處理，然后將同一點(diǎn)在兩圖像中所成像匹配，根據(jù)兩攝像機(jī)投影面中的坐標(biāo)，計(jì)算在空間中該點(diǎn)相對(duì)于挖掘機(jī)的三維坐標(biāo)。根據(jù)最高點(diǎn)的三維坐標(biāo)可得到對(duì)象物的相對(duì)距離及方位角，把對(duì)象物整體分割，計(jì)算各分割部分體積、

4、相加可得到整體近似的體積。 對(duì)象物的識(shí)別完成后，計(jì)算結(jié)果通過(guò)串行異步通訊被輸送給單片機(jī)。用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶輪的行走，并由霍爾傳感器與磁鋼組成的位移傳感器檢測(cè)行走狀態(tài)。霍爾開(kāi)關(guān)元件所發(fā)脈沖輸入到單片機(jī)計(jì)數(shù)器引腳，計(jì)數(shù)挖掘機(jī)前進(jìn)及轉(zhuǎn)向的步數(shù)。最后針對(duì)此種位移傳感器的固有誤差設(shè)計(jì)補(bǔ)償誤差的計(jì)算方法。論文還進(jìn)行了挖掘時(shí)計(jì)算各關(guān)節(jié)角度的運(yùn)動(dòng)學(xué)和解析逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析。本研究的特點(diǎn)及意義如下所述： 針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)規(guī)模龐大，使“挖掘機(jī)器人”

5、自由的移動(dòng)受到嚴(yán)重限制的問(wèn)題，應(yīng)用UART數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將PC數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大與單片機(jī)小型輕量的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，互補(bǔ)短長(zhǎng)，提出一套全新的控制方案，令移動(dòng)機(jī)器人可以自由行走并實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)。 本研究的主要特色是將雙目視覺(jué)系統(tǒng)及圖像識(shí)別算法應(yīng)用于挖掘機(jī)特有的，形狀無(wú)規(guī)則的對(duì)象物，針對(duì)它提出有效的圖像識(shí)別及計(jì)算三維坐標(biāo)的方法。 為在完全無(wú)人控制的情況下進(jìn)入未知的復(fù)雜環(huán)境中實(shí)施挖掘作業(yè)，研究出了整套的軟硬件系統(tǒng)和控制算法。不論是對(duì)于