CN105843166A - 一种特型多自由度自动对接装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特型多自由度自动对接装置及其工作方法，尤其涉及一种军用装甲车装配生产线上实现各种型号车辆发动机与变速箱对接的多自由度自动对接装置及其工作方法，属于控制领域。本装置包括特型多自由度运动平台、控制系统和双目视觉系统。双目视觉系统放置在特型多自由度运动平台旁边的支架上，由左右摄像机和图像处理系统构成，左右摄像机分别通过网线与图像处理系统连接，图像处理系统通过网线与控制系统连接。本装置使变速箱与发动机实现自动对接，智能高效，避免了传统对接中人工手推式对接所产生的工作量，减少工人劳动强度，操作方便灵活，工时短，提高生产效率，精度高，可靠性好。

Description

一种特型多自由度自动对接装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种特型多自由度自动对接装置及其工作方法，尤其涉及一种军用装甲车装配生产线上实现各种型号车辆发动机与变速箱对接的多自由度自动对接装置及其工作方法,属于控制领域。

背景技术

在军用装甲车装配线上，需要将发动机和变速箱装配在一起，目前采用的方法是人工对接，先将发动机固定在一个支架上，然后将变速箱用吊车吊起，通过人工调节变速箱的位置和角度，直到变速箱和发动机的中心轴线一致，发动机的内齿和变速箱的外齿拟合，然后外壳通过法兰盘固定在一起。该方法需要多人配合安装，而且中心轴线不易调节，使用不便。特型多自由度自动对接装置结构简单，使用方便，不需要人工推动变速箱而是由特型多自由度自动对接装置来实现发动机和变速箱的自动对接；特型多自由度自动对接装置运动灵活，可快速实现多自由度运动调节，调整变速箱的位置和角度使变速箱与发动机实现自动对接，智能高效；所述特型多自由度自动对接装置执行机构根据实际问题中所需的承载力来设计使用不同型号的缸，从而实现大型军用装甲车发动机与变速箱之间的对接，方便实用。

发明内容

本发明的目的是为了解决军用装甲车发动机和变速箱的装配问题，提出了一种特型多自由度自动对接装置及其工作方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种特型多自由度自动对接装置及其工作方法为：将发动机固定在第一支架上，将变速箱放置在特型多自由度运动平台上，并在需要对接的发动机和变速箱侧面相应位置上分别贴三个特征明显的标志点，双目视觉系统通过左右摄像机实时采集包含变速箱与发动机侧面标志点的图像信息并传送给图像处理系统，图像处理系统对获取的标志点图像信息进行实时分析与处理得到变速箱与发动机的位置和角度信息，运用一定的算法得到特型多自由度运动平台所需要的运动参数，并通过网线将特型多自由度运动平台所需要的运动参数传送给控制系统，控制系统通过接收运动参数来控制特型多自由度运动平台分别进行六个自由度的运动，从而调节变速箱的位置和角度，直到变速箱与发动机的中心轴线一致，使得发动机的内齿与变速箱的外齿拟合，通过外壳的法兰盘固定在一起，最后控制特型多自由度运动平台恢复至初始状态，同时放入第二支架支撑变速箱，使变速箱和发动机分别由支架支撑。本系统的设计方案在实现变速箱与发动机的对接过程中智能化程度较高，由双目视觉系统和控制系统即可控制运动平台调节变速箱的位置和角度实现发动机与变速箱的自动对接，方便快捷，智能高效，可大大减少人力成本。

依据本发明所述的设计方法制作的特型多自由度自动对接装置，包括特型多自由度运动平台、控制系统和双目视觉系统。

特型多自由度运动平台由三对不同类型的缸、上平台和下平台及虎克铰组成，主要用于实现六个自由度运动。由于对接过程中变速箱前后的位移量很大，所以与传统的Stewart平台不同，六根缸中的后端两根缸行程较长，前端两根缸较短，杆径较大，承载力较强。中间两根缸行程和杆径皆介于前后两对缸的指标之间。六根缸通过虎克铰分别与上平台和下平台连接在一起。

控制系统由控制器、驱动器及其他外围电路板组成，放置在一个控制箱里面，主要用来接收图像处理系统传来的参数，完成特型多自由度运动平台的反解运算，采用相应的控制算法实现六根缸的控制。

双目视觉系统由左右摄像机和图像处理系统组成，在使用双目视觉系统之前需要先对左右摄像机进行标定得到左右摄像机内外参数，再通过双目标定得到左右摄像机之间的位置关系。标定完成后左右摄像机用来实时采集变速箱与发动机上所贴标志点的图像信息，并将对应标志点的图像信息传递给图像处理系统，图像处理系统对所得到的图像信息经过图像预处理，采用特征点匹配，三维测量等机器视觉算法得到特征点的空间位置参数，接着对变速箱侧面标志点和发动机侧面标志点进行实时标定，得出两标志点之间的位置关系，进而通过一定的算法解算出特型多自由度运动平台所需要的运动参数，并将运动参数通过网线传送给控制系统。

自动对接系统各部分之间的连接关系为：六根缸分别通过上端虎克铰和下端虎克铰与上平台和下平台连接，控制系统放置在控制箱里，控制箱放置在下平台的中心位置，控制箱通过电缆与六根缸连接。双目视觉系统放置在特型多自由度运动平台旁边的支架上，由左右摄像机和图像处理系统构成，左右摄像机分别通过网线与图像处理系统连接，图像处理系统通过网线与控制系统连接。

本发明的特型多自由度对接装置的具体工作方法如下：

步骤一：双目视觉系统标定

所述双目视觉系统安装于特型多自由度自动对接系统后需要对所述左右摄像机进行标定，分别获得所述左右摄像机的内外参数：

对左右摄像机单独标定，分别得到左摄像机A和右摄像机B的有效焦距f、图像主点坐标(u0,v0)、尺度因子fx和fy等内参数，以及其各自正交旋转矩阵R和平移向量T等外参数，并通过外参数计算得到摄像机A和B之间的相对位置关系；

步骤二：在发动机和变速箱侧面相应位置贴标志点

装配人员通过吊车将发动机放置在第一支架上，将变速箱放置于特型多自由度运动平台上，并分别于发动机侧面和变速箱侧面相应位置处各贴三个特征明显的标志点。

步骤三：双目视觉系统信息采集与处理

由双目摄像机对包含标志点信息的所需对接变速箱与固定位置发动机侧面进行信息采集，并将所采集图像信息传送给图像处理系统，图像处理系统对所采集的图像信息进行预处理，采用目标检测算法获得标志点信息，经过特征点匹配、三维测量等计算机视觉算法运算得到特征点的空间位置信息，进而得到特型多自由度运动平台所需要的位移量，旋转角度等运动参数；

所述双目视觉系统的信息采集与处理方法如下：

采集：所述双目摄像机AB对包含标志点图像信息的所需对接的发动机与变速箱侧面进行图像获取，以采集包含标志点图像信息的发动机与变速箱侧面的双目数字图像信息；

处理：首先对双目图像信息进行滤波、去噪等预处理，得到清晰的图像后进行边缘分割、特征提取、立体匹配处理，得到空间点P(X,Y,Z)在两幅数字图像中对应的像素点坐标对，其中(X_A，Y_A，Z_A)和(X_B，Y_B，Z_B)分别为空间点P在摄像机A和摄像机B坐标系中的坐标，然后根据下式采用最小二乘法求解得到空间点P在摄像机坐标系(以左摄像机坐标系为摄像机坐标系)中的三维坐标(X，Y，Z)|cam：

$P_{xy}\·\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{p}_{34}^A{x}_A\\ p_{34}^A{y}_A\\ p_{34}^B{x}_B\\ p_{34}^B{y}_B\end{array}\right];$

其中，矩阵P_xy为

$\left[\begin{array}{cccc}{p}_{11}^A-p_{31}^A{x}_A& p_{12}^A-p_{32}^A{x}_A& p_{13}^A-p_{33}^A{x}_A& p_{14}^A\\ p_{21}^A-p_{31}^A{x}_A& p_{22}^A-p_{32}^A{x}_A& p_{23}^A-p_{33}^A{x}_A& p_{24}^A\\ p_{11}^B-p_{31}^B{x}_A& p_{12}^B-p_{32}^B{x}_A& p_{13}^B-p_{33}^B{x}_A& p_{14}^B\\ p_{21}^B-p_{31}^B{x}_A& p_{22}^B-p_{32}^B{x}_A& p_{23}^B-p_{33}^B{x}_A& p_{24}^B\end{array}\right];$

P^A _ij和P^B _ij(i,j＝1,2,3,4)分别为空间投影矩阵P_A和P_B第i行第j列元素；通过上述算法解析即可得到三对标志点对应的空间位置坐标信息。

步骤四：解算出特型多自由度运动平台的运动参数

通过步骤三可以得到变速箱侧面标志点在左摄像机坐标系下的坐标表示为PL(X_Lk，Y_Lk，Z_Lk)(k＝1，2，3)，发动机侧面标志点在左摄像机坐标系下的坐标表示为P_R(X_Rk，Y_Rk，Z_Rk)(k＝1，2，3))。在得到相应坐标后，由坐标之间的对应关系经计算可解算出多自由度运动平台所需要的运动参数(θ，ψ，φ，t_x，t_y，t_z)。方法如下：

(1)解算出多自由度运动平台的旋转参数(θ，ψ，φ)

变速箱要与发动机实现精确对接，其旋转参数可以用矢量和矢量之间的参数变换得到，即在摄像机坐标系下：

矢量可表示为：

${\stackrel{\→}{P}}_{A1}=(X_{L1}-X_{L2},Y_{L1}-Y_{L2},Z_{L1}-Z_{L2});{\stackrel{\→}{P}}_{A2}=(X_{L1}-X_{L3},Y_{L1}-Y_{L3},Z_{L1}-Z_{L3});$

${\stackrel{\→}{P}}_{A3}=(X_{L2}-X_{L3},Y_{L2}-Y_{L3},Z_{L2}-Z_{L3}).$

矢量可表示为：

${\stackrel{\→}{P}}_{B1}=(X_{R1}-X_{R2},Y_{R1}-Y_{R2},Z_{R1}-Z_{R2});{\stackrel{\→}{P}}_{B2}=(X_{R1}-X_{R3},Y_{R1}-Y_{R3},Z_{R1}-Z_{R3});$

${\stackrel{\→}{P}}_{B3}=(X_{R2}-X_{R3},Y_{R2}-Y_{R3},Z_{R2}-Z_{R3}).$

且与之间存在如下关系：其中,

$R=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}+\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}-\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right]$

故可由上式得到对接系统所需要的旋转参数(θ，ψ，φ).

(2)解算出多自由度运动平台的平移参数(t_x，t_y，t_z)

①初次使用该特型多自由度自动对接系统时，经步骤二将标志点贴于变速箱和发动机侧面相应位置后，为得到对接完成后各标志点在摄像机坐标系下的对应坐标值，还需要人工将变速箱和发动机进行对接，对接完成后通过步骤三可以得到对接完成状态下发动机侧面标志点与变速箱侧面标志点的坐标，从而得到对接完成状态下对应标志点间的对应位置关系

(Δt_x＝X_Rk-X_Lk，Δt_y＝Y_Rk-Y_Lk，Δt_z＝Z_Rk-Z_Lk).

【注：再次对接时不需要进行此步操作，可直接进行自动对接。】

②经(1)中得到多自由度运动平台旋转参数后，由双目视觉系统可得到当变速箱侧面标志点的实时坐标PL(X_Lk，Y_Lk，Z_Lk)(k＝1，2，3)，发动机侧面标志点的实时坐标P_R(X_Rk，Y_Rk，Z_Rk)(k＝1，2，3)。由此可得到多自由度运动平台所需要的实时给定平移参数

t_x＝X_Rk-X_Lk-Δt_x，t_y＝Y_Rk-Y_Lk-Δt_y，t_z＝Z_Rk-Z_Lk-Δt_z)。

由此经上述步骤即得到了对接所需要的多自由度运动平台的旋转参数和平移参数(θ，ψ，φ，t_x，t_y，t_z)。

步骤五：图像处理系统将所得到的特型多自由度运动平台运动参数(θ，ψ，φ，t_x，t_y，t_z)传送给控制系统，由控制系统控制特型多自由度运动平台作垂直方向的升降运动和旋转运动，直到发动机上标志点和对应变速箱上相应标志点处于一个水平方向上，此时发动机和变速箱处于同一个水平轴上。

步骤六：重复步骤三四五，由控制系统控制特型多自由度运动平台作水平方向的运动，直到发动机与变速箱的齿轮拟合，然后将发动机与变速箱外壳的法兰盘连接在一起，完成对接。

步骤七：完成对接后，控制系统自动控制特型多自由度运动平台恢复到初始状态，同时放入第二支架，将变速箱放置在该支架上。

有益效果

本发明的有益效果概述如下：

(1)与现有技术相比所述用于发动机与变速箱对接的特型多自由度自动对接装置在进行发动机与变速箱齿轮对接时，能够通过双目视觉系统自动获取发动机和变速箱的位置信息，解算出特型多自由度运动平台所需要的运动参数，传递给控制系统，从而由控制系统控制调整运动平台的姿态使变速箱与发动机实现自动对接，智能高效，避免了传统对接中人工手推式对接所产生的工作量，减少工人劳动强度。

(2)所述特型多自由度自动对接装置其运动机构具有六个运动自由度，可以任意调节其姿态，所以其运动过程更加灵活，可以快速、准确地实现对接。操作方便灵活，工时短，提高生产效率。

(3)该特型多自由度对接装置主体结构与传统六自由度摇摆台相比，运动平台由三对不同型号的缸所组成，以适应对接过程中运动平台的运动作用于每组缸上不同的负载能力和位移需要，精度高，可靠性好。

附图说明

图1为初始状态下的特型多自由度运动平台示意图；

图2为运动状态下的特型多自由度自动对接装置结构示意图；

图3为双目视觉系统结构示意图；

图4为所需对接变速箱侧面示意图；

图5为所需对接发动机侧面示意图；

图6为对接完成后的状态示意图。

图中，1、2-类型1缸；3、4-类型2缸；5、6-类型3缸；7-上平台；8-下平台；9-控制箱；10-控制系统；11-变速箱；12-发动机；13-第一支架；14-左摄像机A；15-右摄像机B；16-图像处理系统；17-双目视觉系统支撑平台；18-变速箱侧面标志点；19-发动机侧面标志点；20-第二支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

一种特型多自由度自动对接装置，包括：特型多自由度运动平台、控制箱9、双目视觉系统三部分组成。如图1所示，特型多自由度运动平台由三对不同类型的缸类型1缸、类型2缸、类型3缸，上平台7和下平台8及虎克铰组成，主要用于实现六个自由度运动，六根缸1、2、3、4、5、6分别通过上端虎克铰和下端虎克铰与上平台7和下平台8连接；控制系统10放置在控制箱9里，控制箱9放置在下平台8的中心位置，控制箱9通过电缆与六根缸连接。如图2所示，双目视觉系统放置在特型多自由度运动平台旁边，双目视觉系统由左摄像机14、右摄像机15和图像处理系统16组成，左摄像机14和右摄像机15用来采集图像信息，通过网线与图像处理系统16连接，图像处理系统16通过网线与控制系统10连接，图像处理系统16对图像信息进行处理后将得到的运动平台参数传送给控制系统10，控制系统10得到控制信号即可控制特型多自由度运动平台的运行。

所述特型多自由度运动平台与传统的Stewart平台不同。由于对接过程中变速箱前后的位移量很大，后端类型1缸两根缸1、2行程较长；前端类型3缸两根缸5、6较短，杆径较大，承载力较强；中间类型2两根缸3、6行程和杆径皆介于前后两对缸的指标之间。

所述控制系统10放置在控制箱9里面，主要用来接收图像处理系统16传来的运动参数，完成特型多自由度运动平台的反解运算，采用相应的控制算法实现六根缸的控制。

如图3所述双目视觉系统由左摄像机14、右摄像机15、图像处理系统16组成，整个系统放置在第一支架17上。在使用双目视觉系统之前需要先对左摄像机14和右摄像机15进行单独标定得到左右摄像机内外参数，再通过双目标定得到左摄像机14和右摄像机15之间的位置关系。标定完成后左摄像机14和右摄像机15用于采集图4所示包含变速箱侧面标志点18和图5所示发动机侧面标志点19的图像信息，并将采集到的图像通过网线传送给图像处理系统16，图像处理系统16对所获取的图像信息进行预处理，得到清晰的图像后通过图像处理相关算法识别出图4和图5中对应的三个变速箱侧面标志点18和对应的三个发动机侧面标志点19，并由图像处理系统16通过一定的机器视觉算法得出变速箱侧面标志点18在摄像机坐标系下的空间坐标P_L(X_Lk，Y_Lk，Z_Lk)(k＝1，2，3)，发动机侧面标志点19在摄像机坐标系下的空间坐标P_R(X_Rk，Y_Rk，Z_Rk)(k＝1，2，3)，进而通过一定的计算解算出运动平台所需要的旋转运动参数(θ，ψ，φ)，平移运动参数(t_x，t_y，t_z)。从而得到对接所需要的多自由度运动平台所需要给定的运动参数(θ，ψ，φ，t_x，t_y，t_z)。

如图4为带有变速箱侧面标志点18的变速箱侧面示意图，图5为包含发动机侧面标志点19的发动机侧面示意图，在发动机12和变速箱11对接前由操作工人将相应标志点贴于实现对接所需的相应位置处，为双目视觉系统采集图像信息提供参考。

如图2所示为运动状态下的特型多自由度对接装置部分结构示意图，具体工作方法如下：

步骤一：双目视觉系统标定

所述双目视觉系统安装于特型多自由度自动对接系统后需要对所述双目视觉进行标定，分别获得所述双目视觉系统的内外参数。

对双目视觉单独标定，分别得到左摄像机14和右摄像机15的有效焦距f、图像主点坐标(u0,v0)、尺度因子fx和fy等内参数，以及其各自正交旋转矩阵R和平移向量T等外参数，并通过双目标定计算得到左摄像机14和右摄像机15之间的相对位置关系；

步骤二：在发动机和变速箱侧面相应位置贴标志点

装配人员通过吊车将发动机12放置在第一支架上，将变速箱11放置于特型多自由度运动平台上，并将特征明显的标志点18贴于变速箱11侧面，将标志点19贴于发动机12侧面的对应位置。

步骤三：双目视觉系统信息采集与处理

由双目摄像机14、15对包含变速箱标志点18和发动机标志点19信息的所需对接变速箱11侧面与固定位置发动机12侧面进行信息采集，并将所采集图像信息传送给图像处理系统16，图像处理系统16对所采集的图像信息进行预处理，采用目标检测算法获得发动机侧面标志点19的图像信息，以及变速箱侧面标志点18的图像信息，经过提取特征点、三维测量等机器视觉算法运算得到发动机侧面标志点19和变速箱侧面标志点18在摄像机坐标系下的空间坐标信息。

所述双目视觉系统的信息采集与处理方法如下：

采集：所述双目摄像机14、15对包含标志点的发动机侧面与变速箱侧面进行图像获取，以采集包含标志点图像信息的发动机12与变速箱11侧面的双目数字图像信息I_A ^K和I_B ^K；

处理：首先对双目图像信息I_A ^K和I_B ^K进行预处理，得到清晰的图像后进行边缘分割、特征提取、立体匹配处理，得到标志点空间坐标P在两幅数字图像中对应的像素点坐标对，其中(X_A，Y_A，Z_A)和(X_B，Y_B，Z_B)分别为空间点P在左摄像机14和右摄像机15坐标系中的坐标，然后根据下式采用最小二乘法求解得到空间点P在摄像机坐标系(以左摄像机坐标系为摄像机坐标系)中的三维坐标(X，Y，Z)|cam：

$P_{xy}\·\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{p}_{34}^A{x}_A\\ p_{34}^A{y}_A\\ p_{34}^B{x}_B\\ p_{34}^B{y}_B\end{array}\right];$

其中，矩阵P_xy为

$\left[\begin{array}{cccc}{p}_{11}^A-p_{31}^A{x}_A& p_{12}^A-p_{32}^A{x}_A& p_{13}^A-p_{33}^A{x}_A& p_{14}^A\\ p_{21}^A-p_{31}^A{x}_A& p_{22}^A-p_{32}^A{x}_A& p_{23}^A-p_{33}^A{x}_A& p_{24}^A\\ p_{11}^B-p_{31}^B{x}_A& p_{12}^B-p_{32}^B{x}_A& p_{13}^B-p_{33}^B{x}_A& p_{14}^B\\ p_{21}^B-p_{31}^B{x}_A& p_{22}^B-p_{32}^B{x}_A& p_{23}^B-p_{33}^B{x}_A& p_{24}^B\end{array}\right];$

P^A _ij和P^B _ij(i,j＝1,2,3,4)分别为空间投影矩阵P_A和P_B第i行第j列元素；通过上述算法解析即可得到发动机侧面标志点19和变速箱侧面标志点18在摄像机坐标系下的空间坐标信息。

步骤四：解算出特型多自由度运动平台的运动参数

通过步骤三可以得到变速箱侧面标志点18在左摄像机坐标系下的坐标表示为PL(X_Lk，Y_Lk，Z_Lk)(k＝1，2，3)，发动机侧面标志点19在左摄像机坐标系下的坐标表示为P_R(X_Rk，Y_Rk，Z_Rk)(k＝1，2，3)。在得到相应坐标后，由坐标之间的对应关系经计算可解算出多自由度运动平台所需要的运动参数(θ，ψ，φ，t_x，t_y，t_z)。方法如下：

(1)解算出多自由度运动平台的旋转参数(θ，ψ，φ)

变速箱11要与发动机12实现精确对接，其旋转参数可以用矢量和矢量之间的参数变换得到，即在摄像机坐标系下：

矢量可表示为：

${\stackrel{\→}{P}}_{A1}=(X_{L1}-X_{L2},Y_{L1}-Y_{L2},Z_{L1}-Z_{L2});{\stackrel{\→}{P}}_{A2}=(X_{L1}-X_{L3},Y_{L1}-Y_{L3},Z_{L1}-Z_{L3});$

${\stackrel{\→}{P}}_{A3}=(X_{L2}-X_{L3},Y_{L2}-Y_{L3},Z_{L2}-Z_{L3}).$

矢量可表示为：

${\stackrel{\→}{P}}_{B1}=(X_{R1}-X_{R2},Y_{R1}-Y_{R2},Z_{R1}-Z_{R2});{\stackrel{\→}{P}}_{B2}=(X_{R1}-X_{R3},Y_{R1}-Y_{R3},Z_{R1}-Z_{R3});$

${\stackrel{\→}{P}}_{B3}=(X_{R2}-X_{R3},Y_{R2}-Y_{R3},Z_{R2}-Z_{R3}).$

且与之间存在如下关系：其中

$R=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}+\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}-\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right]$

故可由上式得到对接系统所需要的旋转参数(θ，ψ，φ).

(2)解算出多自由度运动平台的平移参数(t_x，t_y，t_z)

①初次使用该特型多自由度自动对接系统时，经步骤二将标志点贴于变速箱11和发动机12侧面相应位置后，为得到对接完成后各标志点在摄像机坐标系下的对应坐标值，还需要人工将变速箱11和发动机12进行对接，对接完成后通过步骤三可以得到变速箱侧面标志点18与发动机侧面标志点19在摄像机坐标系下的坐标，从而得到对接完成状态下对应标志点间的对应位置关系

(Δt_x＝X_Rk-X_Lk，Δt_y＝Y_Rk-Y_Lk，Δt_z＝Z_Rk-Z_Lk).

【注：再次对接时不需要进行此步，可直接进行自动对接。】

②经(1)中多自由度运动平台得到旋转参数后，由双目视觉系统可得出变速箱侧面标志点18的实时坐标P_L(X_Lk，Y_Lk，Z_Lk)(k＝1，2，3)，发动机侧面标志点19的实时坐标P_R(X_Rk，Y_Rk，Z_Rk)(k＝1，2，3)。由此可得到多自由度运动平台所需要的实时给定平移参数

t_x＝X_Rk-X_Lk-Δt_x，t_y＝Y_Rk-Y_Rk-Δt_y，t_z＝Z_Rk-Z_Lk-Δt_z)。

由此经上述步骤即得到了对接所需要的多自由度运动平台的旋转参数和平移参数(θ，ψ，φ，t_x，t_y，t_z)。

步骤五：图像处理系统16将所得到的特型多自由度运动平台运动参数(θ，ψ，φ，t_x，t_y，t_z)传送给控制系统10，由控制系统10控制特型多自由度运动平台作垂直方向的升降运动和旋转运动，直到发动机上标志点和对应变速箱上相应标志点处于一个水平方向上，此时发动机12和变速箱11处于同一个水平轴上。

步骤六：重复步骤三四五，由控制系统10控制特型多自由度运动平台作水平方向的运动，直到发动机12与变速箱11的齿轮拟合，然后将发动机12与变速箱11外壳的法兰盘连接在一起，完成对接。

步骤七：完成对接后，控制系统10自动控制特型多自由度运动平台恢复到初始状态，同时放入第二支架20，将变速箱11放置在该支架上。

综上所述，本发明的目的是为了解决军用装甲车发动机和变速箱的装配问题，提出一种特型多自由度自动对接装置及其工作方法。所述用于发动机与变速箱对接的特型多自由度自动对接装置在进行发动机与变速箱齿轮对接时，能够通过双目视觉系统自动检测贴有标志点的发动机和变速箱的侧面图像信息，并解算出发动机和变速箱之间的相对位置关系，进而通过一定的算法反解得到特型多自由度运动平台所需要的运动参数并传送给控制系统，从而由控制系统控制调整运动平台的姿态使变速箱与发动机实现自动对接，智能高效，避免了传统对接中人工手推式对接所产生的工作量，减少工人劳动强度；所述特型多自由度自动对接装置其运动机构具有六个运动自由度，可以任意调节其姿态，所以其运动过程更加灵活，可以快速、准确地实现对接，操作方便灵活；所述特型多自由度自动对接装置主体结构与传统六自由度摇摆台相比，运动平台由三对不同型号的缸所组成，以适应对接过程中运动平台的运动作用于每组缸上不同的负载能力和位移需要，精度高，可靠性好。

Claims (4)

1.一种特型多自由度自动对接装置，其特征在于：包括特型多自由度运动平台、控制系统和双目视觉系统；所述的特型多自由度运动平台由三对不同类型的缸、上平台和下平台及虎克铰组成；所述的双目视觉系统由左右摄像机和图像处理系统组成；连接关系为：六根缸分别通过上端虎克铰和下端虎克铰与上平台和下平台连接，控制系统放置在控制箱里，控制箱放置在下平台的中心位置，控制箱通过电缆与六根缸连接，双目视觉系统放置在特型多自由度运动平台旁边的支架上，由左右摄像机和图像处理系统构成，左右摄像机分别通过网线与图像处理系统连接，图像处理系统通过网线与控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种特型多自由度自动对接装置，其特征在于：所述的特型多自由度运动平台由三对不同类型的缸、上平台和下平台及虎克铰组成，主要用于实现六个自由度运动；由于对接过程中变速箱前后的位移量很大，所以与传统的Stewart平台不同，六根缸中的后端两根缸行程较长，前端两根缸较短，杆径较大，承载力较强；中间两根缸行程和杆径皆介于前后两对缸的指标之间；六根缸通过虎克铰分别与上平台和下平台连接在一起。

3.根据权利要求1所述的一种特型多自由度自动对接装置，其特征在于：所述的控制系统由控制器、驱动器及其他外围电路板组成，放置在一个控制箱里面，主要用来接收图像处理系统传来的参数，完成特型多自由度运动平台的反解运算，采用相应的控制算法实现六根缸的控制。

4.一种特型多自由度自动对接装置的工作方法，其特征在于：包括步骤如下

步骤一：双目视觉系统标定

所述双目视觉系统安装于特型多自由度自动对接系统后需要对所述左右摄像机进行标定，分别获得所述左右摄像机的内外参数：

对左右摄像机单独标定，分别得到左摄像机A和右摄像机B的有效焦距f、图像主点坐标(u0,v0)、尺度因子fx和fy等内参数，以及其各自正交旋转矩阵R和平移向量T等外参数，并通过外参数计算得到摄像机A和B之间的相对位置关系；

步骤二：在发动机和变速箱侧面相应位置贴标志点

装配人员通过吊车将发动机放置在第一支架上，将变速箱放置于特型多自由度运动平台上，并分别于发动机侧面和变速箱侧面相应位置处各贴三个特征明显的标志点；

步骤三：双目视觉系统信息采集与处理

由双目摄像机对包含标志点信息的所需对接变速箱与固定位置发动机侧面进行信息采集，并将所采集图像信息传送给图像处理系统，图像处理系统对所采集的图像信息进行预处理，采用目标检测算法获得标志点信息，经过特征点匹配、三维测量等计算机视觉算法运算得到特征点的空间位置信息，进而得到特型多自由度运动平台所需要的位移量，旋转角度等运动参数；

所述双目视觉系统的信息采集与处理方法如下：

采集：所述双目摄像机AB对包含标志点图像信息的所需对接的发动机与变速箱侧面进行图像获取，以采集包含标志点图像信息的发动机与变速箱侧面的双目数字图像信息；

处理：首先对双目图像信息进行滤波、去噪等预处理，得到清晰的图像后进行边缘分割、特征提取、立体匹配处理，得到空间点P(X,Y,Z)在两幅数字图像中对应的像素点坐标对，其中(X_A，Y_A，Z_A)和(X_B，Y_B，Z_B)分别为空间点P在摄像机A和摄像机B坐标系中的坐标，然后根据下式采用最小二乘法求解得到空间点P在摄像机坐标系(以左摄像机坐标系为摄像机坐标系)中的三维坐标(X，Y，Z)|cam：

$P_{xy}\·\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{p}_{34}^A{x}_A\\ p_{34}^A{y}_A\\ p_{34}^B{x}_B\\ p_{34}^B{y}_B\end{array}\right];$

其中，矩阵P_xy为

$\left[\begin{array}{cccc}{p}_{11}^A-p_{31}^A{x}_A& p_{12}^A-p_{32}^A{x}_A& p_{13}^A-p_{33}^A{x}_A& p_{14}^A\\ p_{21}^A-p_{31}^A{x}_A& p_{22}^A-p_{32}^A{x}_A& p_{23}^A-p_{33}^A{x}_A& p_{24}^A\\ p_{11}^B-p_{31}^B{x}_A& p_{12}^B-p_{32}^B{x}_A& p_{13}^B-p_{33}^B{x}_A& p_{14}^B\\ p_{21}^B-p_{31}^B{x}_A& p_{22}^B-p_{32}^B{x}_A& p_{23}^B-p_{33}^B{x}_A& p_{24}^B\end{array}\right];$

P^A _ij和P^B _ij(i,j＝1,2,3,4)分别为空间投影矩阵P_A和P_B第i行第j列元素；

通过上述算法解析即可得到三对标志点对应的空间位置坐标信息；

步骤四：解算出特型多自由度运动平台的运动参数

通过步骤三可以得到变速箱侧面标志点在左摄像机坐标系下的坐标表示为PL(X_Lk，Y_Lk，Z_Lk)(k＝1,2,3),发动机侧面标志点在左摄像机坐标系下的坐标表示为P_R(X_Rk，Y_Rk，Z_Rk)(k＝1,2,3)；在得到相应坐标后，由坐标之间的对应关系经计算可解算出多自由度运动平台所需要的运动参数(θ，ψ，φ，t_x，t_y，t_z)，方法如下：

(1)解算出多自由度运动平台的旋转参数(θ，ψ，φ)

变速箱要与发动机实现精确对接，其旋转参数可以用矢量和矢量之间的参数变换得到，即在摄像机坐标系下：

矢量可表示为：

${\stackrel{\→}{P}}_{A3}=\left(X_{L2}-X_{L3},Y_{L2}-Y_{L3},Z_{L2}-Z_{L3}\right).$

矢量可表示为：

${\stackrel{\→}{P}}_{B3}=\left(X_{R2}-X_{R3},Y_{R2}-Y_{R3},Z_{R2}-Z_{R3}\right).$

且与之间存在如下关系：其中,

$R=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}sin\mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}-cos\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}sin\mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}+cos\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}-\sin \mathrm{\θ}cos\mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right]$

故可由上式得到对接系统所需要的旋转参数(θ，ψ，φ).；

(2)解算出多自由度运动平台的平移参数(t_x，t_y，t_z)

①初次使用该特型多自由度自动对接系统时，经步骤二将标志点贴于变速箱和发动机侧面相应位置后，为得到对接完成后各标志点在摄像机坐标系下的对应坐标值，还需要人工将变速箱和发动机进行对接，对接完成后通过步骤三可以得到对接完成状态下发动机侧面标志点与变速箱侧面标志点的坐标，从而得到对接完成状态下对应标志点间的对应位置关系

(Δt_x＝X_Rk-X_Lk，Δt_y＝Y_Rk-Y_Lk，Δt_z＝Z_Rk-Z_Lk).

其中：再次对接时不需要进行此步操作，可直接进行自动对接；

②经(1)中得到多自由度运动平台旋转参数后，由双目视觉系统可得到当变速箱侧面标志点的实时坐标PL(X_Lk，Y_Lk，Z_Lk)(k＝1，2，3)，发动机侧面标志点的实时尘标P_R(X_Rk，Y_Rk，Z_Rk)(k＝1，2，3)，由此可得到多自由度运动平台所需要的实时给定平移参数

t_x＝X_Rk-X_Lk-Δt_x，t_y＝Y_Rk-Y_Lk-Δt_y，t_z＝Z_Rk-Z_Lk-Δt_z)；

由此经上述步骤即得到了对接所需要的多自由度运动平台的旋转参数和平移参数(θ，ψ，φ，t_x，t_y，t_z)；

步骤五：图像处理系统将所得到的特型多自由度运动平台运动参数(θ，ψ，φ，t_x，t_y，t_z)传送给控制系统，由控制系统控制特型多自由度运动平台作垂直方向的升降运动和旋转运动，直到发动机上标志点和对应变速箱上相应标志点处于一个水平方向上，此时发动机和变速箱处于同一个水平轴上；

步骤六：重复步骤三四五，由控制系统控制特型多自由度运动平台作水平方向的运动，直到发动机与变速箱的齿轮拟合，然后将发动机与变速箱外壳的法兰盘连接在一起，完成对接；

步骤七：完成对接后，控制系统自动控制特型多自由度运动平台恢复到初始状态，同时放入第二支架，将变速箱放置在该支架上。