專利名稱：一種混凝土泵車臂架末端位置姿態的攝像測量方法
技術領域：
本發明涉及工程機械、計算機視覺技術領域，具體指在混凝土泵車臂架末端安裝攝像測量系統，實時測量泵車臂架末端位置姿態的方法。
背景技術：
混凝土泵車臂架末端的穩定控制對于提高工程施工的安全性和效率具有十分重要的意義，臂架末端的位置姿態(位姿)實時測量是穩定控制的前提。目前混凝土泵車主要依靠測量各節臂間的油缸油壓、傾角等信息得到各節臂的位置姿態，進而得到臂架末端的位置姿態。目前的測量方法用于臂架末端穩定控制，存在響應延遲大、臂架振動幅度大等問題。在計算機視覺領域，可以利用攝像機構建攝像測量系統，通過分析處理攝像機視場中景物的視頻圖像特征，計算攝像機的運動或攝像機視場中目標的運動。本發明利用計算機視覺領域相關技術，泵車臂架上安裝攝像機，構建混凝土泵車位姿的攝像測量系統，實時測量泵車臂架末端的位置姿態變化，用于臂架末端的位姿控制或測試。
發明內容
本發明提供一種混凝土泵車臂架末端位姿的攝像測量方法，具體指在混凝土泵車臂架末端安裝攝像機，構建攝像測量系統。系統包含一臺或多臺攝像機(可見光、紅外攝像機等)和數據處理器(微機或DSP等)、數據傳輸線等。攝像機安裝在泵車臂架末端，數據處理器可與攝像機集成安裝在一起，也可單獨安裝在泵車其他部位，數據傳輸線用于傳送攝像機圖像和傳送測量數據給泵車控制系統。系統組成示意圖如圖1所示。攝像測量系統工作時，攝像機隨泵車臂架末端運動，對視場內的景物實時成像，數據處理器實時檢測處理視頻圖像上景物(如地面、建筑物、人工設定標志等)的變化，實時計算泵車臂架末端的位姿變化。計算測量結果實時傳輸給泵車控制系統，用于泵車臂架末端位姿控制或測試。具體實施過程為:I)在泵車臂架末端處安裝攝像機系統(包含一臺或多臺攝像機)，在泵車上安裝數據處理器(微機、DSP等)和數據傳輸線等，構成泵車臂架末端位姿變化攝像測量系統。2)標定攝像測量系統相關參數(包括攝像機內參數、多臺攝像機間的位姿關系等)，建立攝像測量坐標系，標定攝像測量坐標系與泵車臂架控制坐標系之間的關系。上述標定可采用平面靶板標定法、控制點標定法、手眼關系標定法等攝像測量、計算機視覺領域的常用攝像系統標定方法。3)攝像測量系統工作時，攝像機系統隨泵車臂架末端運動并連續拍攝，將視頻圖像傳送給數據處理器。4)數據處理器實時檢測視頻圖像中景物特征的變化，根據上述變化實時計算攝像機系統的運動。該運動計算方法可采用光流法、本質矩陣法、多目交會測量法等攝像測量、計算機視覺領域的運動估計方法。
上述攝像機系統的運動計算結果主要指攝像機系統的位姿變化(相鄰時刻間或相對初始測量時刻)，一般為在攝像測量坐標系的表示。由于攝像機固定安裝在泵車臂架末端處，攝像機系統的位姿變化即為泵車臂架末端的位姿變化。5)根據步驟2)標定得到的攝像測量坐標系與泵車臂架控制坐標系之間的關系，將步驟4)計算得到的泵車臂架末端的位姿變化轉換到泵車臂架控制坐標系內表示，得到泵車臂架末端位姿變化測量結果。6)將步驟5)的測量結果實時傳送給泵車控制系統，用于臂架末端位姿控制或測試。本發明可以達到以下的技術效果:本發明通過在泵車臂架末端安裝攝像機對景物成像，實時檢測景物在圖像上的變化，實時計算泵車臂架末端的位姿變化，測量方式自動化智能化程度高，適用范圍廣，測量結果可直接用于泵車臂架位姿控制或測試。本發明同樣可用于其它工程機械部件的位姿測量、測試或控制。
圖1泵車臂架末端位姿變化攝像測量系統組成。圖2泵車臂架末端位姿變化攝像測量原理示意圖。
具體實施方式
`如圖1所示，泵車臂架末端位`姿攝像測量系統由一臺或多臺攝像機(可見光、紅外等)、數據處理器(微機、DSP等)和數據傳輸線構成。攝像機安裝在泵車臂架末端，數據處理器可與攝像機安裝在一起也可安裝在泵車其他位置。攝像機用于對泵車作業附近區域景物成像，數據處理器用于圖像分析處理和臂架末端位姿計算，數據傳輸線用于將視頻圖像傳輸給數據處理器和將泵車臂架末端位姿測量結果傳送給泵車控制系統。泵車臂架末端位姿變化測量原理如圖2所示，由于臂架末端的運動，不同時刻相同景物在攝像機圖像上的位置不同，通過檢測景物在圖像上的變化可以計算得到泵車臂架末端的位置姿態變化情況。根據視頻圖像計算泵車臂架末端運動的方法可以采用計算機視覺領域的光流法、本質矩陣法、多目交會測量法等，其中多目交會測量法的實現方式具體描述如下。如圖2所示，首先在當前時刻(t2)多臺攝像機同步采集的圖上檢測、匹配多個景物特征，多目交會測量得到這些特征在當前成像時刻攝像測量坐標系(Ct2)的坐標或方程表示。設在雙攝像機同一時刻拍攝的圖像中某特征點圖像坐標分別為(Xl，Y1)和(X2，I2), M1和M2分別為已標定的雙攝像機投影矩陣(包含攝像機內參數和攝像機在測量坐標系的位姿外參數)，根據攝像測量原理，該點特征在攝像測量坐標系內的坐標Γ = [x，y，z]T滿足
權利要求
1.一種混凝土泵車臂架末端位置姿態的攝像測量方法，其特征在于，在混凝土泵車臂架末端安裝攝像機系統，通過測量攝像機視頻圖像上景物的變化，實時計算泵車臂架末端的位姿變化，測量結果實時傳輸給泵車控制系統，用于泵車臂架末端位姿控制或測試， 其實施步驟為: 1)在泵車臂架末端處安裝攝像機系統，包含一臺或多臺攝像機，在泵車上安裝數據處理器和數據傳輸線，構成泵車臂架末端位姿變化攝像測量系統； 2)標定攝像測量系統相關參數，包括攝像機內參數、多臺攝像機間的位姿關系等，建立攝像測量坐標系，標定攝像測量坐標系與泵車臂架控制坐標系之間的關系； 3)攝像測量系統工作時，攝像機系統隨泵車臂架末端運動連續拍攝，將視頻圖像傳送給數據處理器； 4)數據處理器實時檢測視頻圖像中景物特征的變化，根據上述變化實時計算攝像機系統的運動，運動計算方法可采用光流法、本質矩陣法、多目交會測量法； 上述攝像機系統的運動計算結果為攝像機系統的位姿變化，相鄰時刻間或相對初始測量時刻，一般為在攝像測量坐標系的表示，由于攝像機固定安裝在泵車臂架末端處，攝像機系統的位姿變化即為泵車臂架末端的位姿變化； 5)根據步驟2)標定得到的攝像測量坐標系與泵車臂架控制坐標系之間的關系，將步驟4)計算得到的泵車臂架末端的位姿變化轉換到泵車臂架控制坐標系內表示，得到泵車臂架末端位姿變化測量結果； 6)將步驟5)的測量結果實時傳送給泵車控制系統，用于臂架末端位姿控制或測試。
2.根據權利要求1所述的一種混凝土泵車臂架末端位置姿態的攝像測量方法，其特征在于，所述步驟4)中多目交會測量法的具體內容如下: 首先在當前6時刻多臺攝像機同步采集的圖上檢測、匹配多個景物特征，多目交會測量得到這些特征在當前成像時刻攝像測量坐標系Ct2的坐標或方程表示，設在雙攝像機同一時刻拍攝的圖像中某特征點圖像坐標分別為和( , ) ,M1和岣分別為已標定的雙攝像機投影矩陣，包含攝像機內參數和攝像機在測量坐標系的位姿外參數，根據攝像測量原理，該點特征在攝像測量坐標系內的坐標f = [^y,zf滿足
3.根據權利要求1所述的一種混凝土泵車臂架末端位置姿態的攝像測量方法，其特征在于，所述泵車臂架末端位姿變化攝像測量系統的攝像機為可見光攝像機或紅外攝像機，數據處理器為DSP處理器或微機處理器。
全文摘要
本發明提供一種混凝土泵車臂架末端位姿的攝像測量方法。本發明的技術方案是在混凝土泵車臂架末端安裝攝像機，構建攝像測量系統。系統包含一臺或多臺攝像機(可見光、紅外攝像機等)和數據處理器(微機或DSP等)、數據傳輸線等。攝像機安裝在泵車臂架末端，數據處理器可與攝像機集成安裝在一起，也可單獨安裝在泵車其他部位，數據傳輸線用于傳送攝像機圖像和傳送測量數據給泵車控制系統。攝像測量系統工作時，攝像機隨泵車臂架末端運動，對視場內的景物實時成像，數據處理器實時檢測處理視頻圖像上景物的變化，實時計算泵車臂架末端的位姿變化。計算測量結果實時傳輸給泵車控制系統，用于泵車臂架末端位姿控制或測試。本發明也可用于其它工程機械部件的位姿測量、測試或控制。
文檔編號G01C11/36GK103175512SQ20131007463
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月8日 優先權日2013年3月8日
發明者于起峰, 張紅良, 尚洋, 蘇昂, 郭鵬宇 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學