CN105938366B - 一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置和方法 - Google Patents

一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置和方法，目的在于，使无人装载机进行自主操作，从而提高工作效率，装置所采用的技术方案为：包括设置在工作场地内的若干个荧光柱，若干个荧光柱构成工作场地的X和Y坐标，无人装载机上设置有能够获取无人装载机位置信息的摄像头，摄像头连接至无人装载机的控制系统；工作场地的卸料平台处设置有若干标杆，标杆上设置有激光发射器，无人装载机上设置有激光接收器，激光接收器连接至所述控制系统；无人装载机的前轴上设置有用于检测铲斗压力信息的压力应变片，压力应变片连接至所述控制系统，控制系统连接铲斗的支撑液压缸。

Description

一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置和方法
技术领域
本发明属于工程机械领域，具体涉及一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置和方法。
背景技术
随着科技的发展，无人化机械由于综合成本低、效率高、风险小而逐渐受到了厂家和用户的追捧，而在工程机械领域，由于工程机械面对的工况非常的复杂，所以目前无人化的工程机械非常之少。所以根据装载机简单的、重复性的工况，需要无人装载机进行自动标定操作，使无人装载机不仅可以完全进行无人自主操作，无需进行人工的远程操控，而且可以在夜间工作，提高了其工作效率。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种能够使无人装载机进行自主操作，提高工作效率的基于计算机视觉的无人装载机标定装置和方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置，包括设置在工作场地内的若干个荧光柱，若干个荧光柱构成工作场地的X和Y坐标，无人装载机上设置有能够获取无人装载机位置信息的摄像头，摄像头连接至无人装载机的控制系统；工作场地的卸料平台处设置有若干标杆，标杆上设置有激光发射器，无人装载机上设置有激光接收器，激光接收器连接至所述控制系统；无人装载机的前轴上设置有用于检测铲斗压力信息的压力应变片，压力应变片连接至所述控制系统，控制系统连接铲斗的支撑液压缸。
所述若干个荧光柱包括第一红色柱、第二红色柱、第一绿色柱和第二绿色柱，四个色柱呈矩形分布，第一红色柱和第一绿色柱所在的直线为X坐标，第一红色柱和第二红色柱所在的直线为Y坐标。
所述无人装载机上水平设置有两个摄像头，两个摄像头连接有用于带动摄像头水平旋转的电机。
所述两个摄像头的底座固定连接有竖直设置的液压缸。
所述两个摄像头的底座固连有三个液压缸。
所述两个摄像头内设置有陀螺仪，陀螺仪连接至控制系统。
所述两个摄像头内设置有水平仪，水平仪连接至控制系统。
所述两个摄像头的拍摄方向连线平行于第一红色柱和第二红色柱所在的直线。
所述卸料平台的一侧设置有第一标杆，第一标杆上设置有第一激光发射器；另一侧设置有第二标杆，第二标杆上设置有第二激光发射器，所述无人装载机的车身两侧均设置有激光接收器。
所述卸料平台上设置有用于检测卸料平台压力变化的压力传感器，压力传感器连接至控制系统。
一种基于计算机视觉的无人装载机标定方法，包括通过荧光柱建立矩形的工作场地，通过无人装载机上的摄像头拍摄荧光柱，并将照片信息传送给控制系统，控制系统根据照片信息得到无人装载机在工作场地内的位置信息并控制无人装载机的行走方向；通过无人装载机上的激光接收器采集激光发射器发射的激光信号，并传送给控制系统，控制系统判断无人装载机距离卸料平台的位置信息后调整无人装载机的位置；通过压力应变片采集铲斗的压力信号，并传送给控制系统，控制系统判断铲斗的压力信号后通过支撑液压缸控制铲斗的动作。
与现有技术相比，本发明的装置通过荧光柱建立矩形的工作场地，通过无人装载机上的摄像头拍摄荧光柱，并将照片信息传送给控制系统，控制系统根据照片信息得到无人装载机在工作场地内的位置信息并控制无人装载机的行走方向；通过无人装载机上的激光接收器采集激光发射器发射的激光信号，并传送给控制系统，控制系统判断无人装载机距离卸料平台的位置信息后调整无人装载机的位置；通过压力应变片采集铲斗的压力信号，并传送给控制系统，控制系统判断铲斗的压力信号后通过支撑液压缸控制铲斗的动作，本发明装置使无人装载机不仅能够完全进行无人自主操作，无需进行人工的远程操控，而且能够在夜间工作，大大提高了其工作效率。
进一步，通过两个红色柱和两个绿色柱建立二位坐标，通过摄像头拍摄不同颜色的荧光柱从而是控制系统容易判断无人装载机的位置，位置判断准确，提高了控制了精准度。
更进一步，通过陀螺仪可以获取摄像头及无人装载机所处的方向位置，摄像头通过电机控制实现水平旋转，以保证在车辆行走时摄像头拍照时始终处于某一方向，，相机的底座由三个液压缸支撑，摄像头在车辆行驶过程中液压缸通过水平仪反馈信息动态调整，确保相机保持水平。无人装载机工作前标定之后，在工作时通过两边摄像头获取的照片信息迅速查找到无人装载机现在对应的位置，而陀螺仪能够确定无人装载机目前所处的方向位姿。摄像头在拍照的同时，摄像头的水平仪的测量信息也会作为照片的信任指标被记录并与照片信息储存在一起。
进一步，在无人装载机向卸料平台靠近的过程中，两侧的激光接收器通过接收标杆上两排不同波段的激光发射器的信号来确定相对于卸料平台的位置和距离，以精确的调整自己的行走。当接收到激光信号的传感器均靠右，此时控制系统判定无人装载机位置偏左，当无人装载机上的接收到激光信号的传感器均靠左，此时控制系统可判定无人装载机位置偏右，又当只有左侧传感器接收到激光信号时，控制系统会根据激光信号的波段来辨识是第一激光发射器还是第二激光发射器发出的信号，如果是第一激光发射器发出的，那么确定无人装载机位置严重靠左，如果是第二激光发射器发出的信号，则确定无人装载机严重靠右。从而无人装载机能够评价自身位置是否准确从而做出调整，最后精准的停泊在卸料平台正中间的方向上，当控制系统测得无人装载机与平台的距离处于卸料距离范围内时，放下铲斗，物料倾泻在停靠在平台上的运输车上。
本发明方法通过荧光柱建立矩形的工作场地，通过无人装载机上的摄像头拍摄荧光柱，并将照片信息传送给控制系统，控制系统根据照片信息得到无人装载机在工作场地内的位置信息并控制无人装载机的行走方向；通过无人装载机上的激光接收器采集激光发射器发射的激光信号，并传送给控制系统，控制系统判断无人装载机距离卸料平台的位置信息后调整无人装载机的位置；通过压力应变片采集铲斗的压力信号，并传送给控制系统，控制系统判断铲斗的压力信号后通过支撑液压缸控制铲斗的动作，本发明方法使无人装载机不仅能够完全进行无人自主操作，无需进行人工的远程操控，而且能够在夜间工作，大大提高了其工作效率。
附图说明
图1为无人装载机的工作场地示意图；
图2为无人装载机的示意图；
图3为无人装载机的工作流程图；
图4为无人装载机的行走模式图；
图5为无人装载机边界中断子程序流程图；
图6为无人装载机装料中断子程序流程图；
图7为卸料平台的布置示意图；
图8为无人装载机卸料中断子程序流程图；
图9为无人装载机警告中断子程序流程图；
其中，1-第一红色柱、2-第二红色柱、3-第一绿色柱、4-第二绿色柱、5-摄像头、6-电机、7-边界区域、8-压力应变片、9-支撑液压缸、10-卸料平台、11-激光接收器、12-第一标杆、13-第二标杆、14-第一激光发射器、15-第二激光发射器、16-液压缸。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。
参见图1，本发明装置包括设置在工作场地内的若干个荧光柱，若干个荧光柱构成工作场地的X和Y坐标，若干个荧光柱包括第一红色柱1、第二红色柱2、第一绿色柱3和第二绿色柱4，四个色柱呈矩形分布，第一红色柱1和第一绿色柱3所在的直线为X坐标，第一红色柱1和第二红色柱2所在的直线为Y坐标。参见图2，无人装载机上设置有能够获取无人装载机位置信息的摄像头5，摄像头5连接至无人装载机的控制系统；工作场地的卸料平台10处设置有若干标杆，标杆上设置有激光发射器，无人装载机上设置有激光接收器11，激光接收器11连接至所述控制系统；无人装载机的前轴上设置有用于检测铲斗压力信息的压力应变片8，压力应变片8连接至所述控制系统，控制系统连接铲斗的支撑液压缸9。无人装载机上水平设置有两个摄像头5，两个摄像头5连接有用于带动摄像头水平旋转的电机6。两个摄像头5的底座固定连接有竖直设置的三个液压缸16。两个摄像头5内设置有陀螺仪和水平仪，陀螺仪和水平仪连接至控制系统。两个摄像头5的拍摄方向连线平行于第一红色柱1和第二红色柱2所在的直线。参见图7，卸料平台10的一侧设置有第一标杆12，第一标杆12上设置有第一激光发射器14；另一侧设置有第二标杆13，第二标杆13上设置有第二激光发射器15，所述无人装载机的车身两侧均设置有激光接收器11。卸料平台10上设置有用于检测卸料平台压力变化的压力传感器，压力传感器连接至控制系统。
本发明方法包括通过荧光柱建立矩形的工作场地，通过无人装载机上的摄像头拍摄荧光柱，并将照片信息传送给控制系统，控制系统根据照片信息得到无人装载机在工作场地内的位置信息并控制无人装载机的行走方向；通过无人装载机上的激光接收器11采集激光发射器发射的激光信号，并传送给控制系统，控制系统判断无人装载机距离卸料平台10的位置信息后调整无人装载机的位置；通过压力应变片8采集铲斗的压力信号，并传送给控制系统，控制系统判断铲斗的压力信号后通过支撑液压缸9控制铲斗的动作。参见图3，具体包括：首先无人装载机进行每个坐标点的信息并进行储存，然后无人装载机行走至工作场地中央开始工作，通过压力应变片检测铲斗的压力信息并传送给控制系统，控制系统判断铲斗是否为空载，若是则进行装料模式，若否进入卸料模式。
本发明的定位：参见图1，在无人装载机的工作场地由四根发光的荧光柱，由第一红色柱1、第二红色柱2、第一绿色柱3和第二绿色柱4来限定，装载机在工作前会被输入矩形工作场地的长度和宽度的参数，在装载机工作前，工作人员将装载机工作的矩形场的第一红色柱1和第二红色柱2所在的直线当做Y坐标，第一绿色柱3和第二绿色柱4所在的直线当作X坐标，这样，地面上将会有若干整数坐标交叉点，无人装载机在经过每一个矩形工作场地内的交叉点坐标时通过装载机上的一对摄像头5拍照和记录对应坐标位置来标定，两侧摄像头所得的两张照片内红色柱和绿色柱的像素位置以及像素距离对应一个坐标位置，如下表所示：
参见图2，摄像头5内置有水平仪和陀螺仪，摄像头5固定于电机6上，电机根据陀螺仪的反馈信息旋转使两个摄像头的方向保持在与柱1和柱2连线方向平行的位置，以保证车辆在标定或工作过程中摄像头的方向始终保持一致。相机的底座由三个液压缸16支撑，摄像头在车辆行驶过程中液压缸通过水平仪反馈信息动态调整，确保相机保持水平。无人装载机工作前标定之后，在工作时可以通过两边摄像头获取的照片信息迅速查找到无人装载机现在对应的位置，而无人装载机内置的陀螺仪可以确定无人装载机目前所处的方向位姿。摄像头在拍照的同时，摄像头的水平仪的测量信息也会作为照片的信任指标被记录并与照片信息储存在一起。
无人装载机行走：装载机在工作前会被第一红色柱1、第二红色柱2、第一绿色柱3和第二绿色柱4标定工作范围，在装载机工作过程中，参见图1，装载机接近边界区域范围7内时，控制系统会调整无人装载机的行走方向以免走出标定范围。无人装载机在走的过程中，如图4所示，当无人装载机通过定位得到自己的位置坐标A时，通过将目标坐标B的与A相减得到自己的目标向量，通过目标向量调整自己的行走方向，在行走的过程中不断获得目标向量，不断调整，最终到达目标点。边界中断子程序流程图如图5所示：控制系统判断无人装载机是否处于场地边界，若是则调整位姿，向靠近场地中央的方向行驶。
无人装载机装料：装料中断子程序流程如图6所示，在无人装载机工作前，物料方向以及卸料方向会被标定。装载机前轴上的压力应变片8可以将压力信息传至装载机的控制中心，当压力低于一定值时无人装载机进入卸料模式。此时，装载机以物料方向为工作方向，将车身方向调整为面对物料方向，然后放下料斗，通过不断的定位调整自己的行走方向和位姿确保自己以平行于第一红色柱1和第一绿色柱3的方向物料靠近。当铲斗的支撑液压缸9内的压力达到一定值时，控制系统确定料以装满，将铲斗收起并原地倒退，当控制系统确定无人装载机倒退回标定区时停止，无人装载机进入卸料模式。
无人装载机卸料：参见图7和卸料中断子程序流程图8，当无人装载机进入卸料模式后，控制系统将无人装载机的位姿调整为朝向卸料平台10方向，无人装载机在前进中通过不断的定位来调整自己的行走方向，在无人装载机向平台靠近的过程中，无人装载机两侧排列的激光接收器11通过接收平台的第一标杆13和第二标杆12上两排不同波段的第一激光发射器14和第二激光发射器15的信号来确定自己相对于平台的位置和距离，以精确的调整自己的行走。例如，当无人装载机上的接收到激光信号的传感器均靠右，此时控制系统可判定无人装载机位置偏左，当无人装载机上的接收到激光信号的传感器均靠左，此时控制系统可判定无人装载机位置偏右，又例如当只有左侧传感器接收到激光信号时，控制系统会根据激光信号的波段来辨识是第一标杆12还是第二标杆13发出的信号，如果是第一标杆12发出的，那么可以确定无人装载机严重靠左，如果是第二标杆13发出的信号，则可以确定无人装载机严重靠右。通过以上方法，无人装载机能够评价自己的位置是否准确从而做出调整，最后精准的停泊在卸料平台正中间的方向上，当控制系统测得无人装载机与平台的距离处于卸料距离范围内时，无人装载机放下铲斗，物料倾泻在停靠在平台上的运输车上。
无人装载机的调整与警报：警告中断子程序如图9所示，卸料平台的压力传感器会将卸料平台的压力变化传送到控制系统，当在3分钟时间范围内压力的增加小于一定值时，控制系统会将机器在卸料时的距离范围进行微调。若在连续的10分钟内压力的增加小于一定值时，控制系统会将机器行驶到矩形工作场地中央重启系统。当在连续的20分钟压力的增加小于一定值或车辆无法通过照片信息获得定位时系统会发出警报提醒人工介入。
本发明使无人装载机不仅可以完全进行无人自主操作，无需进行人工的远程操控，而且可以在夜间工作，大大提高了其工作效率。

Claims (10)

1.一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置，其特征在于，包括设置在工作场地内的若干个荧光柱，若干个荧光柱构成工作场地的X和Y坐标，无人装载机上设置有能够获取无人装载机位置信息的摄像头(5)，摄像头(5)连接至无人装载机的控制系统；工作场地的卸料平台(10)处设置有若干标杆，标杆上设置有激光发射器，无人装载机上设置有激光接收器(11)，激光接收器(11)连接至所述控制系统；无人装载机的前轴上设置有用于检测铲斗压力信息的压力应变片(8)，压力应变片(8)连接至所述控制系统，控制系统连接铲斗的支撑液压缸(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置，其特征在于，所述若干个荧光柱包括第一红色柱(1)、第二红色柱(2)、第一绿色柱(3)和第二绿色柱(4)，四个色柱呈矩形分布，第一红色柱(1)和第一绿色柱(3)所在的直线为X坐标，第一红色柱(1)和第二红色柱(2)所在的直线为Y坐标。
3.根据权利要求2所述的一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置，其特征在于，所述无人装载机上水平设置有两个摄像头(5)，两个摄像头(5)连接有用于带动摄像头水平旋转的电机(6)。
4.根据权利要求3所述的一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置，其特征在于，所述两个摄像头(5)的底座固定连接有竖直设置的液压缸(16)。
5.根据权利要求4所述的一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置，其特征在于，所述两个摄像头(5)的底座固连有三个液压缸(16)。
6.根据权利要求5所述的一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置，其特征在于，所述两个摄像头(5)内设置有陀螺仪，陀螺仪连接至控制系统。
7.根据权利要求6所述的一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置，其特征在于，所述两个摄像头(5)内设置有水平仪，水平仪连接至控制系统。
8.根据权利要求7所述的一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置，其特征在于，所述两个摄像头(5)的拍摄方向连线平行于第一红色柱(1)和第二红色柱(2)所在的直线。
9.根据权利要求1所述的一种基于计算机视觉的无人装载机标定装置，其特征在于，所述卸料平台(10)的一侧设置有第一标杆(12)，第一标杆(12)上设置有第一激光发射器(14)；另一侧设置有第二标杆(13)，第二标杆(13)上设置有第二激光发射器(15)，所述无人装载机的车身两侧均设置有激光接收器(11)。
10.一种基于计算机视觉的无人装载机标定方法，其特征在于，包括通过荧光柱建立矩形的工作场地，通过无人装载机上的摄像头拍摄荧光柱，并将照片信息传送给控制系统，控制系统根据照片信息得到无人装载机在工作场地内的位置信息并控制无人装载机的行走方向；通过无人装载机上的激光接收器(11)采集激光发射器发射的激光信号，并传送给控制系统，控制系统判断无人装载机距离卸料平台(10)的位置信息后调整无人装载机的位置；通过压力应变片(8)采集铲斗的压力信号，并传送给控制系统，控制系统判断铲斗的压力信号后通过支撑液压缸(9)控制铲斗的动作；
工作场地的卸料平台(10)处设置有若干标杆，标杆上设置有激光发射器；无人装载机的前轴上设置有用于检测铲斗压力信息的压力应变片(8)。
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