CN116923333B - 一种视觉引导下的车辆对齐与调平方法及装置 - Google Patents

一种视觉引导下的车辆对齐与调平方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种视觉引导下的车辆对齐与调平方法及装置，包括：摄影测量模组、移动装置及厢体和可伸缩支撑腿；摄影测量模组包括活动式三脚架、双目相机和标靶，双目相机安装在基准面上；可万向移动的移动装置包括可万向移动的麦克纳姆轮、移动平台、厢体和倾角传感器；标靶通过螺纹钉固定在移动平台上，厢体设置在移动平台上，倾角传感器安装在厢体底部，移动平台通过固定式铰链与麦克纳姆轮进行连接；可伸缩支撑腿采用伺服电机驱动的多级结构设计，通过电机驱动丝杠带动支撑腿伸缩，通过调节各条支撑腿的伸长量达到旋转角度与高度的调节效果。本发明解决人工手动操作车辆对齐与调平时精度差、效率低等问题。

Description

一种视觉引导下的车辆对齐与调平方法及装置
技术领域
本发明属于高精度视觉测量技术领域，具体涉及一种视觉引导下的车辆对齐与调平方法及装置。
背景技术
近年来，随着军事及工程应用的需求不断增长，需要对多辆车进行拼接进行使用，同时伴随而来的对车辆拼接过程中的精度与效率的要求也在不断提升，这对车辆的对齐与调平提出了新的挑战。
传统手段采用人工手动进行车辆对齐与调平，对于操作人员的技术要求较高，同时存在精度差与效率低等缺点，实现基于视觉引导的车辆对齐与调平对于在复杂环境下车辆快速拼装与部署具有重要意义，同时智能化、自动化的视觉引导方案也能大大减少人力需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种视觉引导下的车辆对齐与调平方法及装置，利用摄影测量技术计算相对位姿关系进行解算获取对齐阶段的移动控制参数和调平阶段的支撑腿控制参数，解决人工手动操作车辆对齐与调平时精度差、效率低等问题。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种视觉引导下的车辆对齐与调平装置，包括摄影测量模组、移动装置及厢体和可伸缩支撑腿；
摄影测量模组包括活动式三脚架、双目相机和标靶，双目相机安装在基准面上；
可万向移动的移动装置包括可万向移动的麦克纳姆轮、移动平台、厢体和倾角传感器；
标靶通过螺纹钉固定在移动平台上，厢体设置在移动平台上，倾角传感器安装在厢体底部，移动平台通过固定式铰链与麦克纳姆轮进行连接；
可伸缩支撑腿采用伺服电机驱动的多级结构设计，通过电机驱动丝杠带动支撑腿伸缩，通过调节各条支撑腿的伸长量达到旋转角度与高度的调节效果。
一种视觉引导下的车辆对齐与调平方法，包括如下步骤：
步骤S1、摄影测量模组获取移动装置及厢体当前位置B与参照车位置A之间的空间相对位姿关系矩阵RT＝Tx*Ty*Tz*Rx*Ry*Rz；
其中Tx、Ty、Tz分别是X、Y、Z轴的平移矩阵，Rx、Ry、Rz分别是X、Y、Z轴的旋转矩阵；
步骤S2、根据空间相对位姿关系矩阵RT，将矩阵RT解算出水平对齐矩阵RT1以及垂直对齐矩阵RT2；
RT1＝T1x*T1y*T1z*R1x*R1y*R1z；
其中T1x、T1y、T1z分别是在水平对齐阶段沿X、Y、Z轴的平移矩阵，R1x、R1y、R1z分别是在水平对齐阶段绕X、Y、Z轴的旋转矩阵；
矩阵RT2＝T2x*T2y*T2z*R2x*R2y*R2z；
其中T2x、T2y、T2z分别是在垂直对齐阶段沿X、Y、Z轴的平移矩阵，R2x、R2y、R2z分别是在垂直对齐阶段绕X、Y、Z轴的旋转矩阵；
步骤S3、根据水平对齐阶段T1z、R1x、R1y的非主动变化特性，将水平对齐矩阵RT1简化为水平对齐阶段移动装置及厢体的控制系统参数以对移动装置及厢体进行控制，即根据RT1简化矩阵控制移动装置到达对齐位置；
根据垂直对齐阶段T2x、T2y、R2z的非主动变化特性对垂直对齐矩阵RT2进行简化，根据倾角传感器参数对旋转阶段进行X轴与Y轴分量的预测，得到预测旋转矩阵
步骤S4、对预测旋转矩阵进行拆分并根据拆分矩阵得到可伸缩支撑腿控制参数，通过控制可伸缩支撑腿进行调平。
上述的步骤S1具体包括：
步骤S11、获取标靶相对双目相机的位姿矩阵，并以双目相机为坐标原点构建摄影测量坐标系O–X0Y0Z0；
步骤S12、根据移动装置及厢体的车体状态分布，将摄影测量坐标系O–X0Y0Z0中X轴与Y轴的分坐标系O–X0Y0同步到与倾角传感器的坐标系O–X′Y′重合，构建新的世界坐标系O–XYZ；
步骤S13、在新的世界坐标系O–XYZ下，计算移动装置及厢体当前位置相对参照位置A之间的位姿关系矩阵RT。
上述的步骤S3具体包括如下步骤：
步骤S31、将简化后的RT1分解为水平对齐阶段移动装置及厢体的控制系统参数，包括移动长度和移动方向角度；
步骤S32、计算坐标系O-XYZ绕Z轴顺时针旋转γ得到新的坐标系O-X1Y1Z1和旋转矩阵Rγ，坐标系O-X1Y1Z1绕Y轴顺时针旋转β度得到坐标系O-X2Y2Z2和旋转矩阵Rβ，坐标系O-X2Y2Z2绕X轴顺时针旋转α度得到坐标系O-X3Y3Z3坐标系和旋转矩阵Rα；
步骤S33、基于步骤S32的旋转矩阵Rγ、Rβ、Rα得到融合矩阵R；
步骤S34、根据Z向在调平阶段角度基本不变的特性，对融合矩阵R进行简化，得到简化矩阵Rαβ；
步骤S35、根据车辆位置参数构建车体位姿计算模型，获取四个支撑点在水平坐标系下的坐标矩阵并根据公式/>推出矩阵C；
其中a和b分别代表车厢的长和宽，矩阵C中的列为四个支撑点的坐标参数；
步骤S36、由步骤S33-步骤S35可知，对于融合矩阵R中X轴和Y轴的旋转角α和β，可根据倾角传感器X轴偏转度数θxi和Y轴偏转度数θyi对β和-α进行替换；
步骤S37、基于步骤S36，根据倾角传感器的度数θxi和θyi计算得到阈值Δx＝a-acosθxi和Δy＝b-bcosθyi，在满足Δx<1mm且Δy<1mm的条件下，对X轴与Y轴融合矩阵R中的参数进行替换，获取实时的替换旋转预测矩阵，即预测旋转矩阵
上述的简化后的dx和dy分别是沿X轴和Y轴的位移量，移动长度/> 移动方向角度/>
上述的预测旋转矩阵
上述的步骤S4具体包括如下步骤：
步骤S41、对预测旋转矩阵进行拆分，得到/>和/>和/>是绕X轴和绕Y轴旋转的矩阵；
步骤S42、以第一支撑腿作为标准支撑腿，根据和/>解算出四根支撑腿的上升参数Δz1、Δz2、Δz3、Δz4；
步骤S43、根据上升参数同步调节四条支撑腿上升的高度，最终到达理想对齐且调平的位置。
上述的
根据和/>解算出Δz1、Δz2、Δz3、Δz4：Δz1＝Δzt1，Δz2＝Δzt2+asinθxi，Δz4＝Δzt4+asinθyi，Δz3＝Δzt3+Δz2+Δz4；
其中Δzt1、Δzt2、Δzt4、Δzt3为各支撑腿原有的高度。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于摄影测量技术，采用装有麦克纳姆轮的可万向移动的车轮，可以实现车辆对齐阶段的快速移动，采用伺服电机驱动的支撑腿在车辆调平阶段实现快速调平。在复杂环境下车辆快速拼装与部署具有重要意义，同时智能化、自动化的视觉引导方法，通过摄影测量模组获取原始位姿关系矩阵，进一步拆分成水平对齐矩阵和垂直对齐矩阵，根据水平对齐简化矩阵控制移动装置到达对齐位置，并根据倾角传感器度数与预测旋转矩阵进行实时位姿预测为垂直调平阶段保留调节余量，最终通过对支撑腿的长度进行调节，达到相对于参照位置A对齐且调平状态，也能大大减少人力需求。
附图说明
图1是视觉引导下的车辆对齐与调平装置结构示意图；
图2是本发明的视觉引导下的车辆对齐与调平方法流程图；
图3是移动装置及厢体的平台位置示意图；
图1中的附图标记为：1-摄影测量模组、11-活动式三脚架、12-双目相机、13-标靶；2-可伸缩支撑腿；3-可万向移动的移动装置、31-麦克纳姆轮、32-移动平台、33-厢体34-倾角传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
如图1所示，一种视觉引导下的车辆对齐与调平装置，包括摄影测量模组1、移动装置及厢体3和可伸缩支撑腿2；
摄影测量模组1包括活动式三脚架11、一套双目相机12和一套标靶13，双目相机12安装在基准面上；通过摄影测量模组1进行视觉引导的计算，通过在参照位置A上底部安装活动式三脚架11并放置一套双目相机12，将标靶13使用螺纹钉固定在移动平台32上；
可万向移动的移动装置3主要包括可万向移动的麦克纳姆轮31、移动平台32、厢体33和倾角传感器34，可自由在地面进行位移；
标靶13通过螺纹钉固定在移动平台32上，厢体33设置在移动平台32上，倾角传感器34安装在厢体33底部，移动平台32通过固定式铰链与麦克纳姆轮31进行连接，实现移动装置定位过程中的移动装置在地面上的移动；
可伸缩支撑腿2采用伺服电机驱动的多级结构设计，通过电机驱动丝杠带动支撑腿伸缩，通过调节各条支撑腿的伸长量达到旋转角度与高度的调节效果，即通过调节可伸缩支撑腿的长度可以实现搭载厢体的自动调平与升降。
如图2所示，一种视觉引导下的车辆对齐与调平方法，包括步骤：
步骤S1、摄影测量模组1获取移动装置及厢体3当前位置B与参照车位置A之间的空间相对位姿关系矩阵RT＝Tx*Ty*Tz*Rx*Ry*Rz，其中Tx、Ty、Tz、Rx、Ry、Rz分别是X、Y、Z轴的平移与旋转矩阵；
步骤S2、根据空间相对位姿关系矩阵RT，将矩阵RT解算出水平对齐矩阵RT1以及垂直对齐矩阵RT2，RT1＝T1x*T1y*T1z*R1x*R1y*R1z，其中T1x、T1y、T1z分别是在水平对齐阶段沿X、Y、Z轴的平移矩阵，R1x、R1y、R1z是绕X、Y、Z轴的旋转矩阵。矩阵RT2＝T2x*T2y*T2z*R2x*R2y*R2z，其中T2x、T2y、T2z分别是在垂直对齐阶段沿X、Y、Z轴的平移矩阵，R2x、R2y、R2z是绕X、Y、Z轴的旋转矩阵；
步骤S3、据水平对齐阶段T1z、R1x、R1y的非主动变化特性，将水平对齐矩阵RT1简化为水平对齐阶段移动装置及厢体3的控制系统参数以对移动装置及厢体3进行控制，即根据RT1简化矩阵控制移动装置到达对齐位置；根据垂直对齐阶段T2x、T2y、R2z的非主动变化特性对垂直对齐矩阵RT2进行简化，根据倾角传感器34参数对旋转阶段进行X轴与Y轴分量的预测，得到预测旋转矩阵即根据倾角传感器度数与旋转矩阵进行实时位姿预测为调平阶段保留调节余量，最终通过对支撑腿的长度进行调节，达到相对于参照位置A对齐且调平状态；
步骤S4、对预测旋转矩阵进行拆分并根据拆分矩阵得到可伸缩支撑腿2控制参数，通过控制可伸缩支撑腿2进行调平。
步骤S1具体地，包括如下子步骤：
步骤S11、通过摄影测量的方式获取标靶相对相机的位姿矩阵，并以相机为坐标原点构建坐标系O–X0Y0Z0；
步骤S12、根据移动装置及厢体3的车体状态分布，将摄影测量坐标系O–X0Y0Z0中X轴与Y轴的分坐标系O–X0Y0同步到与倾角传感器34的坐标系O–X′Y′重合，构建新的世界坐标系O–XYZ；
步骤S13、在世界坐标系O–XYZ下，计算移动装置及厢体3当前位置相对参照位置A之间的位姿关系矩阵RT，RT＝Tx*Ty*Tz*Rx*Ry*Rz，其中Tx、Ty、Tz、Rx、Ry、Rz分别是X、Y、Z轴的平移与旋转矩阵。
步骤S3具体包括如下步骤：
步骤S31、将简化后的矩阵分解为水平对齐阶段移动装置及厢体3的控制系统参数，包括移动长度/>移动方向角度/>dx和dy分别是沿X轴和Y轴的位移量；
步骤S32、计算坐标系O-XYZ绕Z轴顺时针旋转γ得到新的坐标系O-X1Y1Z1和旋转矩阵坐标系O-X1Y1Z1绕Y轴顺时针旋转β度得到坐标系O-X2Y2Z2和旋转矩阵/>坐标系O-X2Y2Z2绕X轴顺时针旋转α度得到坐标系O-X3Y3Z3坐标系和旋转矩阵/>
步骤S33、基于步骤S32的旋转矩阵Rγ、Rβ、Rα得到融合矩阵R；
计算按照Z、Y、X轴向的顺序，获得融合的矩阵
步骤S34、根据Z向在调平阶段角度基本不变的特性，对融合矩阵R进行简化，得到简化矩阵
步骤S35、根据车辆位置参数构建车体位姿计算模型，获取四个支撑点在水平坐标系下的坐标矩阵并根据公式/>推出矩阵C；
步骤S36、根据坐标关系获取在旋转矩阵中X轴和Y轴的旋转角α和β，根据倾角传感器X轴偏转度数θxi和Y轴偏转度数θyi， 由于β角度很小所以cosβ≈1，则θxi与θyi可以直接对β和-α进行替换；
即由上可知，对于融合矩阵R中X轴和Y轴的旋转角α和β，可根据倾角传感器X轴偏转度数θxi和Y轴偏转度数θyi对β和-α进行替换；
步骤S37、基于步骤S36，根据倾角传感器的度数θxi和θyi计算得到阈值Δx＝a-acosθxi和Δy＝b-bcosθyi，在满足Δx<1mm且Δy<1mm的条件下，对X轴与Y轴融合矩阵R中的参数进行替换，获取实时的替换旋转预测矩阵，即预测旋转矩阵
步骤S4具体包括如下步骤：
步骤S41、对预测旋转矩阵进行拆分，可以得到先绕X轴后绕Y轴旋转的矩阵和/>
步骤S42、根据和/>解算出四根支撑腿的上升参数Δz1、Δz2、Δz3、Δz4，以其中如图3中的P1支撑腿作为标准支撑腿，由此可以计算出个支撑腿的伸长量，根据/>和解算出Δz1、Δz2、Δz3、Δz4的表达式为：Δz1＝Δzt1，Δz2＝Δzt2+asinθxi，Δz4＝Δzt4+bsinθyi，Δz3＝Δzt3+Δz2+Δz4，其中Δzt1、Δzt2、Δzt4、Δzt3为各支撑腿原有的高度；
步骤S43、再次根据视觉测量的结果直接同步调节四条支撑腿上升的高度，为每条支撑腿最终位置，/>为每条支撑腿当前位置，Δz为所有支撑腿同升同降的高度， 最终到达理想对齐且调平的位置。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种视觉引导下的车辆对齐与调平装置，其特征在于，包括摄影测量模组（1）、移动装置及厢体（33）和可伸缩支撑腿（2）；
摄影测量模组（1）包括活动式三脚架（11）、双目相机（12）和标靶（13），双目相机（12）安装在基准面上；
可万向移动的移动装置（3）包括可万向移动的麦克纳姆轮（31）、移动平台（32）、厢体（33）和倾角传感器（34）；
标靶（13）通过螺纹钉固定在移动平台（32）上，厢体（33）设置在移动平台（32）上，倾角传感器（34）安装在厢体（33）底部，移动平台（32）通过固定式铰链与麦克纳姆轮（31）进行连接；
可伸缩支撑腿（2）采用伺服电机驱动的多级结构设计，通过电机驱动丝杠带动支撑腿伸缩，通过调节各条支撑腿的伸长量达到旋转角度与高度的调节效果；
采用所述装置的车辆对齐与调平方法，包括如下步骤：
步骤S1、摄影测量模组（1）获取移动装置及厢体（33）当前位置B与参照车位置A之间的空间相对位姿关系矩阵；
其中分别是X、Y、Z轴的平移矩阵，/>分别是X、Y、Z轴的旋转矩阵；
步骤S1具体包括：
步骤S11、获取标靶（13）相对双目相机（12）的位姿矩阵，并以双目相机（12）为坐标原点构建摄影测量坐标系；
步骤S12、根据移动装置及厢体（33）的车体状态分布，将摄影测量坐标系中X轴与Y轴的分坐标系/>同步到与倾角传感器（34）的坐标系/>重合，构建新的世界坐标系𝑂 – 𝑋𝑌𝑍；
步骤S13、在新的世界坐标系𝑂 – 𝑋𝑌𝑍下，计算移动装置及厢体（33）当前位置相对参照位置A之间的位姿关系矩阵RT；
步骤S2、根据空间相对位姿关系矩阵RT，将矩阵RT解算出水平对齐矩阵RT1以及垂直对齐矩阵RT2；
；
其中分别是在水平对齐阶段沿X、Y、Z轴的平移矩阵，分别是在水平对齐阶段绕X、Y、Z轴的旋转矩阵；
矩阵；
其中分别是在垂直对齐阶段沿X、Y、Z轴的平移矩阵，分别是在垂直对齐阶段绕X、Y、Z轴的旋转矩阵；
步骤S3、根据水平对齐阶段的非主动变化特性，将水平对齐矩阵RT1简化为水平对齐阶段移动装置及厢体（33）的控制系统参数以对移动装置及厢体（33）进行控制，即根据RT1简化矩阵控制移动装置到达对齐位置；其中将简化后的RT1分解为水平对齐阶段移动装置及厢体（33）的控制系统参数，包括移动长度和移动方向角度；所述简化后的/>，/>和/>分别是沿X轴和Y轴的位移量，移动长度/>，移动方向角度/>；
根据垂直对齐阶段的非主动变化特性对垂直对齐矩阵RT2进行简化，根据倾角传感器（34）参数对旋转阶段进行X轴与Y轴分量的预测，得到预测旋转矩阵；
步骤S3具体包括如下步骤：
步骤S31、将简化后的RT1分解为水平对齐阶段移动装置及厢体（33）的控制系统参数，包括移动长度和移动方向角度；
步骤S32、计算坐标系𝑂 − 𝑋𝑌𝑍绕𝑍轴顺时针旋转得到新的坐标系/>和旋转矩阵/>，坐标系/>绕𝑌轴顺时针旋转𝛽度得到坐标系/>和旋转矩阵/>，坐标系/>绕𝑋轴顺时针旋转𝛼度得到坐标系坐标系/>和旋转矩阵/>；
，/>，/>；
步骤S33、基于步骤S32的旋转矩阵得到融合矩阵/>；
；
步骤S34、根据Z向在调平阶段角度基本不变的特性，对融合矩阵进行简化，得到简化矩阵/>；
；
步骤S35、根据车辆位置参数构建车体位姿计算模型，获取四个支撑点在水平坐标系下的坐标矩阵并根据公式/>推出矩阵/>；
；
其中a和b分别代表车厢的长和宽，矩阵中的列为四个支撑点的坐标参数；
步骤S36、由步骤S33-步骤S35可知，对于融合矩阵中X轴和Y轴的旋转角/>和/>，可根据倾角传感器X轴偏转度数/>和Y轴偏转度数/>对/>和/>进行替换；
步骤S37、基于步骤S36，根据倾角传感器的度数和/>计算得到阈值和/>，在满足/>且/>的条件下，对X轴与Y轴融合矩阵/>中的参数进行替换，获取实时的替换旋转预测矩阵，即预测旋转矩阵/>；
预测旋转矩阵；
步骤S4、对预测旋转矩阵进行拆分并根据拆分矩阵得到可伸缩支撑腿（2）控制参数，通过控制可伸缩支撑腿（2）进行调平；
步骤S4具体包括如下步骤：
步骤S41、对预测旋转矩阵进行拆分，得到/>和/>；/>和/>绕X轴和绕Y轴旋转的矩阵；
步骤S42、以第一支撑腿作为标准支撑腿，根据和/>解算出四根支撑腿的上升参数/>；
步骤S43、根据上升参数同步调节四条支撑腿上升的高度，最终到达理想对齐且调平的位置；
，/>；
根据和/>解算出/>：/>，，/>，/>；
其中、/>、/>、/>为各支撑腿原有的高度。
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