基于双目识别技术的挖掘机器人控制系统的研究.pdf

《基于双目识别技术的挖掘机器人控制系统的研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于双目识别技术的挖掘机器人控制系统的研究.pdf（90页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、陕西科技大学 硕士学位论文 基于双目识别技术的挖掘机器人控制系统的研究 姓名：张鑫 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：文怀兴 20090601 基于双目识别技术的挖掘机器人控制系统的研究 摘要 挖掘机的智能化既能够提高劳动生产率，又可提高操作的安全性，使 操作人员远离恶劣的工作环境，实现在无人驾驶情况下的自主作业。本文 重点研究了挖掘机器人的双目立体视觉系统、上下位机的分级控制模式、 基于C A N 总线技术和串口无线通信技术的信号传输系统，并建立挖掘机器 人的运动学数学模型，基本实现了预期的挖掘机器人智能控制方案。具体 内容如下： 首先，本文针对挖掘机作业对象物形状复杂且无规

2、则的特点，制定了 专门解决该种对象物识别问题的双目立体识别算法，并在此基础上组建了 双目视觉识别系统，实现了对作业对象物的自主识别、方位判断和体积计 算。 然后，采用上、下位机分级控制模式作为挖掘机器人智能控制系统的 组成方式。其中上位机可进行大量高效的数据处理，而下位机则专门运行 挖掘机器人行走程序等底层控制程序。这就为控制设备的微小化提供了空 间，使得该控制系统不仅可应用于大型机械设备，也可用于微型仪器，拓 展了其应用范围。 接着，采用无线通信模块实现了上、下位机之间的无线串口通信，解 决了以往挖掘机器人移动不自由的问题。同时采用C A N 总线技术组建通信 系统，进一步提高了系统的抗干扰

3、能力和信号在各模块之间的传输效率。 最后，对挖掘机器人的工作装置进行了运动学解析，建立了针对挖掘 机器人的运动学数学模型，并探讨了其有效工作范围，为在后续研究中对 挖掘机器人进行动作规划，运动仿真和挖掘轨迹控制等做了基础性的准备 工作。 本文给出了一套挖掘机器人的控制系统设计方案，对图像识别算法、 行走控制系统、无线通信实现、工作装置运动学解析等进行了较为深入的 研究，并对研究结果进行了实验验证。该挖掘机器人控制系统可使挖掘机 作业由传统的单纯依赖操作者驾驶技术转变为全面实现无人驾驶、远程监 控和高质量长时间平稳作业。本文较好的解决了挖掘机器人对作业对象物 的识别及方位体积计算问题，为在复杂环

4、境中识别无规则对象物提出了一 种可行的解决思路，具有一定的创新性。另外，在完成挖掘机控制的同时 实现了上、下位机间的无线通信，使得挖掘机器人的行动更加自由，进一 步提升了其对实际挖掘作业环境的适应性。该控制系统实现方案不但能有 效提高作业质量，而且可减轻劳动强度，提高生产效率，为工程机械的自 动化、智能化提供技术支持，在挖掘机研究领域和机器人学领域都具有重 要的社会经济效益。 关键词：挖掘机器人，双目视觉识别，C A N 总线，智能控制，无线通信 S T U D Yo NT H EC o N T R o LS Y S T E Mo F E X C A 哪I N GR o B o TB A S

5、E DO NB I N o C U L A R S U A LR E C O G N I T I O N T E C H N I Q U E A B S T R A C T T h ei n t e l l i g e n c eo fe x c a v a t o rn o to n l yc a ni m p r o v el a b o rp r o d u c t i v i t y ，b u t c a na l s oi m p r o v eo p e r a t i o n a ls a f e t y ，S Ot h a tt h eo p e r a t o rc a nk

6、 e 印a w a yf r o mt h e p o o rw o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dt h ea u t o n o m o u so p e r a t i o nw i l lb e c o m er e a l i t y T h i sp a p e rm a i n l yc a r r i e so u tr e s e a r c ho nt h eb i n o c u l a rs t e r e ov i s u a ls y s t e m ，t h e h i e r a r c h i c a lc o n t

7、r o lm o d ec o m p o s e db yu p p e ra n dl o w e rm a c h i n e sa n dt h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h et e c h n o l o g i e so fC A Nb u sa n dw i r e l e s s s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , a n dt h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i Sa l s oe s t a b l

8、i s h e d A n d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls c h e m eo fe x c a v a t i n gr o b o th a sb e e n b a s i c a l l yr e a l i z e d T h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： F i r s t ，a i m i n ga tt h ec o m p l e xa n di r r e g u l a rc o n f i g u r

9、a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h eo b je c t s ，t h i sp a p e rd e v e l o p sa s p e c i a l i z e db i n o c u l a rs t e r e ov i s u a lr e c o g n i t i o n a l g o r i t h mf o rs u c ho b j e c tr e c o g n i t i o np r o b l e ma n dc o n f i g u r e sab i n o c u l a rv i s u

10、a l r e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e do ni t I tC a na c h i e v et h et a r g e to fa u t o n o m o u s r e c o g n i t i o n ，p o s i t i o nj u d g m e n t a n dv o l u m ec a l c u l a t i o no f t h e o b j e c t T h e n ，t h i sp a p e ra d o p t i n gah i e r a r c h i c a lc o n t r o

11、 lm o d e ，d e s i g n sac o n t r o l s y s t e mo fe x c a v a t i n gr o b o t I nt h i sc o n t r o ls y s t e m ，t h eu p p e rc o m p u t e rc a n h a n d l el a r g ea m o u n t so fd a t a , a n dt h el o w e rc o m p u t e rc a nb ed e v o t e dt ot h e o p e r a t i o n a lo fb a s i cc o

12、n t r o lp r o c e d u r e s I tm a k e st h ec o n t r o ls y s t e mn o to n l y C a nb ea p p l i e dt ol a r g e s c a l em a c h i n e r ya n de q u i p m e n t ，b u ta l s ob eu s e df o r m i c r o d e v i c e s A n dt h ea p p l i c a t i o nr a n g eo fi th a sb e e ne x p e n d e d N e x t

13、 ，t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e sa r eu s e dt or e a l i z et h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu p p e ra n dl o w e rm a c h i n e s I ts o l v e st h ep r o b l e m t h a tt h ep r e v i o u se x c a v a t i n gr o b o tC a nn o tm o v ef r

14、e e l y A tt h es a m et i m e ，t h e u s i n go fC A N b u st e c h n o l o g yt of o r mt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi m p r o v e st h e a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ft h es y s t e ma n dt h es i g n a lt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y b e t 、V e e nt h e

15、m o d u l e s I I I F i n a l l y ，t h ek i n e m a t i c sa n a l y s i so ft h ew o r k i n gm e c h a n i s mo ft h e e x c a v a t i n gr o b o th a sb e e nm a d ei nt h i sp a p e r A n di t sk i n e m a t i c sm o d e lh a s b e e ns e tu pa n dt h ee f f e c t i v eo p e r a t i n gr a n g e

16、o fi th a sb e e ns t u d i e d A l lt h e r e s u l t sc a nb eu s e di ns u b s e q u e n tr e s e a r c ho nm o t i o np l a n n i n g ，m o v e m e n t s i m u l a t i o na n d t r a j e c t o r yc o n t r o lo ft h ee x c a v a t i n gr o b o t Ac o n t r o ls y s t e ms c h e m eo fe x c a v a

17、t i n gr o b o ti si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a n dal o to fw o r kh a sb e e nd o n eo ni m a g er e c o g n i t i o na l g o r i t h m ，m o v i n g c o n t r o ls y s t e m ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h ek i n e m a t i c sa n a l y s i so ft h e w o r k i n gm e c

18、h a n i s m A n da l lt h er e s u l t sh a v eb e e nc a r r i e do ne x p e r i m e n t a t i o n r e s e a r c ht e s t i n ga n dv e r i f y i n g T h er e s u l t sw i l lm a k et h ee x c a v a t o ro p e r a t i n g c h a n g ef r o mt r a d i t i o n a l l yr e l yo nt h eo p e r a t o ri n

19、t ou n m a n n e dd r i v i n g ，r e m o t e m o n i t o r i n ga n dl o n g t i m eh i g h - q u a l i t ys m o o t ho p e r a t i o n T h eb i n o c u l a rs t e r e o v i s u a ls y s t e mg i v e nb yt h i sp a p e rc a l ld oag o o djo bo nt h er e c o g n i t i o no ft h e o b j e c ta n dt h

20、ec a l c u l a t i o no f i t sp o s i t i o na n d v o l u m e ，w h i c hp r o v i d e san e ww a y t or e c o g n i z et h eo b je c th a v i n gc o m p l e xa n di r r e g u l a rc o n f i g u r a t i o n A tt h es a m e t i m e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yi su s

21、 e di nt h i sp a p e rt om a k et h e e x c a v a t i n gr o b o tm o v ef r e e l y ，S Ot h a ti t c a nb eb e t t e ra b l et oc o p ew i t ht h e a c t u a le x c a v a t i n go p e r a t i o ne n v i r o n m e n t T h i sc o n t r o ls y s t e mn o to n l yc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v

22、 et h eo p e r a t i o nq u a l i t y ，b u ta l s oC a nr e d u c et h el a b o ri n t e n s i t y a n di m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y I tw i l lp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h e a u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c eo ft h ec o n s t r u c t i

23、o nm a c h i n e r ya n dh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ef o rb o t ht h e e x c a v a t i o nr e s e a r c ha n dt h er o b o t i c ss t u d y K E YW O R D S ：e x c a v a t i n gr o b o t ，b i n o c u l a rv i s u a lr e c o g n i t i o n ，C A Nb u s ， i n t e l l i g e n tc o n t r o

24、 l ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n I V 陕两科技大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文i 是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：邀企 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文

25、被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：选企导师签名：醚日 基于双目识别技术的挖掘机器人控制系统的研究 1 绪论 1 1 课题的提出及研究意义 作为人类开发利用资源和进行基础建设晟为有力的工具之一，挖掘机在能源开发， 交通建设，设施修建，抢险救灾等方面一直发挥着极其重要的作用。与此同时，挖掘 机的作业环境却相对比较恶劣，不仅操作费劲，驾驶室的舒适性也毫无保证。即便是在 炎热的夏季，驾驶员也要在像桑拿室一样的环境里完成各种作业。另外，

26、在有毒气、高 温、易崩塌等恶劣环境中，操作人员的安全和健康都受到严重的威胁，无法驾驶挖掘机 进入其中完成作业，使挖掘机的应用受到了极大的限制。因此，长期以来，人们一直在 谋求更省力、更高效，智能化和可实现精确轨迹控制的挖掘作业模式，以此来实现工程 机械的智能控制和无人化运行。随着微电子技术的进一步发展，特别是微处理器的广泛 应用，对工程机械的机器人化和智能化的要求也变得愈加强烈和现实了。 我国为自然灾害多发国家，常需动用各种工程机械进入灾难现场实施救援，特别是 在此次汶川大地震中，正是由于挖掘机等工程机械的大量使用才使得灾后救援工作得以 尽快开展，最大限度的降低了灾害造成的损失，而如何在顺利完

27、成救灾任务的同时保证 救援人员的生命安全则是一个突出的急待解决的重要课题。 此次汶川大地震造成了大面积的山体滑坡，形成了很多的堰塞湖，对下游人民的生 命安全构成了巨大的威胁，而其中最严重的就是唐家山堰塞湖。如下图l 一1 和图1 - 2 所 示，由于道路完全中断，为了疏通堰塞湖，必须使用直升机空运大型工程机械进入现场 进行施工抢险，而在工程机械到达灾难现场后，所有救援人员的生活起居等则成为了最 大的困难，不得不陆续派遣直升机一次又一次的空运生活物资。如果智能化工程机械研 制成功的话，这所有的问题也许就不复存在了。 图1 1 唐家山堰塞湖上施工的挖掘机 F i g ! 1E x c a v a

28、t o r s w o r k i n g o n T a n 裔i a s h a n d a m m e d l a k e 圈l o 生活抽贵到选詹莩山堰塞湖 F i g 1 - 2 M m “o f l i v e l i h o o d a m v e da t T a n 鲥i a s h a n d a m m e dl a k e 陕两科技大学硕士学位论文 挖掘机的智能化不仅能够提高劳动生产率，而且可以提高操作的安全性，使操作人 员远离恶劣的工作环境，实现在人类无法到达的恶劣环境下进行作业1 2 1 。本文主要针对 具有机器视觉功能的挖掘机器人在作业过程中对场景目标的识别和定位

29、以及运动控制 等问题开展研究，为实现挖掘机的自主作业运行进行基础性研究工作。 1 2 挖掘机器人技术的发展现状 挖掘机是一种利用铲斗按照一定顺序、间歇地或连续地进行挖掘、装载卸载土壤或 石块的机械，广泛应用在建筑施工、筑路工程、水电建设、港口工程、农田改造、国防 工事的土石方施工和露天矿场的采掘作业中，对减轻繁重的体力劳动、实现土石方工程 机械化、提高劳动生产率起了很大作用m 。 进入2 l 世纪，挖掘机进入成熟发展阶段，挖掘机自动化技术的发展引起了人们更 大的兴趣和关注。国外在挖掘机器人的研究上，已取得了一些成果。 图1 - 3 为美国的卡耐基一梅隆大学( c 柏砖g i e M e l l

30、 o n U n i v e r s i t y ) 研制的自主机器人 挖掘机，实现了挖掘机的自主作业，其视觉系统采用了两个激光扫描器，放置于挖掘机 的左右两侧用来确定挖掘土壤及装车位置，该系统能够准确对车辆进行识别，其实验样 机的自动作业效率己接近熟练工人的操作水平1 4 1 。 囤1 - 3 自主机器人挖掘机典型挖掘厘幕载过程 F i g 1 - 3 R o b o t i c v a b o r s t y p i c a ld i g f o r t r u c k l o a d i n g 英国兰卡斯特大学( L a n c a s t e r U n i v e r s i t

31、y ) ，首次运用l ，5 结构比例模型L U C I E ( T h e L a n c a s t e r U n i v e r s i t y C o m p u t e r i s e d I n t e l l i g e n t E x c a v a t o r ) 进行实验研究，解决了模型与实 际的差异问题；该研究根据实际熟练操作人员的操作路线，并针对不同的土壤及障碍进 行分析，建立了人工智能专家系统，对模型进行远程控制和局域网络控制o l ，图1 _ 4 为 其开发的实验样机J C B8 0 1 挖掘机。 日本东北大学环境研究所高桥研究室进行着各种工程机械的研究，例如自走行

32、土质 改良机和无人化控制的装载机A L V ( A d v a n c e d L o a d h a u l - d u m p w i t ha V e s s e l ) ，在A L V 的研究中主要是在装载机后部增加一个容器，以扩大每次搬运的容量。图1 - 5 为高桥 基于双目识别技术的挖掘机器人控制系统的研究 研究室制作的装载机模型进行挖掘、装载和倾倒的过程。A L V 在往返于挖掘点与倾倒 点之间时，车头始终朝着一个方向非常适合狭长区域物料的移动。此装载机后部有一 个容器，铲斗挖起一铲物料后，举起并自行装入后边的大型容器中，提高了物料输送的 效率1 6 。 囤1 “ 4 妾验用J

33、C B 8 0 1 挖掘机 F i L l 4E x c a v a t 舯J C B9 0 1f o r e d m e 呲 图1 - 5 A L V 进行挖掘、蓑靓和倾倒的过程 F i 9 1 5 A L V i n t h e m o f s c P i n g l o a d i n ga n d d u m p i n g 澳大利亚悉尼大学特种机器人研究中心研制开发了远程控制机器人化挖掘机，通过 位移及力反馈控制液压伺服系统，从而实现自主化作业_ 。 国内各所大学都在开发研制自主控制的挖掘机。1 9 8 6 年同济大学最早开发了微机 操纵的挖掘机正铲试验台，进行挖掘机规划控制方面的研

34、究。1 9 8 8 年浙江大学机械设 计研究所研制了微机操纵的反铲液压挖掘机试验台，并在规划控制、力反馈规划控制、 自动避障、局部自主控制等方面取得很大进展。该研究所在1 9 9 6 年初制成了一种结构 简单、价格低廉的液压挖掘机近距离无线遥控系统，该系统遥控半径在2 0 米左右，通 过日视观测挖掘工作面，利用无线电开关信号控制液压挖掘机各工作油缸，完成简单作 业。2 0 0 0 年，该所又以W Y 35 试验型智能挖掘机器人为研究平台，在节能控制策略、 故障诊断、机器人规划控制方面取得进展。1 9 9 8 年，中国科学院沈阳自动化研究所， 以一台国产小型挖掘机W Y l 3 为实验平台，对其

35、控制和操纵部分进行改造，构成挖掘 机器人实验样机。样机产品具有多种工作模式，包括自动挖掘、半自动挖掘、手动作业、 自动装卸等同时可遥控操作。 随着我国加入W T O ，我国工程机械行业从来没有像今天这样直接地面对国际同行 陕西科技大学硕士学位论文 的有力竞争和挑战。如何适应激烈的国际竞争和快速变化的世界市场需求，不断以高质 量、低成本、快速响应的手段在新的市场竞争中求得生存和发展，已是我国工程机械行 业不容回避的问题。同时，加入W T O 也为我们提供了前所未有的机遇，我们必须抓住 机遇迎头赶上。各种工程机械、建筑机械的智能化已成为当今国际自动化技术发展的一 个重要方向。目前国际工程机械的发展

36、正逐步向机、电、液一体化及信息化的方向发展。 欧洲由产、学、研组成的联合研究团体在政府资助下，在深入开展单机智能化技术研究 的基础上，开始了机群智能化技术研究和开发，标志着工程机械智能化的研究又向前迈 出了一大步。机器人化的挖掘机即挖掘机器人将是替代人在繁重、危险、恶劣环境下作 业必不可少的工具，也是国家重点发展的关键技术装备。 目前，我国工程机械正在实现机、电、液一体化的进程，应用信息技术进行工程机 械智能化方面的研究还处于起步阶段。尽管对个别机种的单机智能化研究已经开始，并 初步得到实际应用，但是从整体上看，无论从单机智能化工程机械种类，还是研究和开 发的深度，与技术先进国家相比都还存在很

37、大的差距，机群智能化技术的研究还处于空 白。对工程机械产品进行信息化智能化改造升级，开展在线机群智能化同步施工的研究 开发和示范应用，加快我国工程机械产品的升级换代与产品结构调整，实现新一代工程 机械的自主创新性设计，提高我国工程机械产品的国际竞争力，促进产业化的形成，将 是我国工程机械达到国际先进水平的必由之路。 1 3 立体视觉技术概述 本课题的研究基础及创新点之一就是采用了现在比较先进的机器视觉技术双 目立体识别技术。 自然界的物体都是三维的，人体通过双眼获得物体的三维立体信息。但一般的摄影 系统只能将三维物体以二维的形式保存、记录下来，丢掉了大量的信息。计算机立体视 觉技术就是运用计算

38、机技术和光学手段，在获取的一幅或多幅图像中重建被摄物体的立 体结构，获得三维数据。 立体视觉技术的开创性工作是从六十年代中期开始的。美国M I T 的R o b e r t 完成的 三维景物分析工作，把过去的二维图形分析推广到了三维景物，这标志着立体视觉技术 的诞生，并在随后的二十年中迅速发展成为- - 1 “ 7 新的学科。特别是七十年代末，M a r r 创立的视觉计算理论对立体视觉的发展产生了巨大影响，现已形成了从图像获取到最终 的景物可视表面重建的完整体系I s , 9 1 。经过二十多年的研究，立体视觉技术在机器人视觉、 航空测绘、军事应用、医学诊断及工业检测中的应用越来越广泛，研究

39、方法从早期的以 统计理论为基础的相关匹配，发展到具有很强生理学背景的特征匹配，从串行到并行， 从直接依赖于传输信号的低层次处理到依赖于特征、结构、关系和知识的高层次处理， 性能不断提高，其理论正处于不断发展与完善之中。 4 基于双目识别技术的挖掘机器人控制系统的研究 双目立体视觉技术的实现可分为图像获取、摄像机标定、特征提取、图像匹配和三 维重建五大部分。其中，立体匹配是双目立体视觉中最关键、最困难的一步。与普通的 图像匹配不同，两幅立体图像之间的差异是由摄像时观察点的不同引起的，而不是由其 它如景物本身的变化、运动所引起的【1 0 】。根据匹配基元的不同，立体匹配可分为特征匹 配、区域匹配和

40、相位匹配三大类。 特征匹配不直接依赖于灰度，易于软硬件的实现，能很好的处理畸变问题和视差不 连续的问题。具有较强的抗干扰性，计算量小，速度快。但也同样存在一些不足，如特 征在图像中的稀疏性决定特征匹配只能得到稀疏的视差场。改善的办法是将特征匹配的 鲁棒性和区域匹配的致密性充分结合，利用对高频噪声不敏感的模型来提取和定位特 征。 区域匹配算法的实质是利用局部窗口之间灰度信息的相关程度，它在变化平缓且细 节丰富的地方可以达到较高的精度。但该算法的匹配窗口大小难以选择，通常借助于窗 口形状技术来改善视差不连续处的匹配；其次是计算量大、速度慢，采取由粗至精分级 匹配策略能大大减少搜索空间的大小，与匹配

41、窗口大小无关的互相关运算能显著提高运 算速度。 相位匹配是近二十年才发展起来的一类匹配算法。相位作为匹配基元，本身反映信 号的结构信息，对图像的高频噪声有很好的抑制作用，适于并行处理，能获得亚像素级 精度的致密视差。但存在相位奇点和相位卷绕的问题，需加入自适应滤波器解决。 1 4 关键技术及创新点 1 4 1 关键技术 ( 1 ) 挖掘机器人在自主作业过程中的一个关键技术环节是对作业对象物的定位，即 确定对象物与挖掘机之间的距离和方位，并由此给出控制挖掘机器人行走运动的各项参 数。对象物的定位最终是要获取场景中对象物相对于摄像机的距离，而场景中各点相对 于摄像机的距离可以用深度图来表示，即深度

42、图中每一个像素值表示场景中的某一点与 摄像机之间的距离。所以，通过获取深度图，并从包含有对象物的距离信息的深度图中 提取距离信息，并转变为实际的距离信息就可以实现对作业对象物的定位。 ( 2 ) 本课题所研究的挖掘机器入在通过双目立体视觉系统完成对作业对象物的识 别，并将对象物相对位置和体积计算结果储存到上位机后，下位机就需要按照上位机给 出的控制参数驱动挖掘机器人接近对象物，最终到达作业位置，完成作业任务。这就需 要研究挖掘机器人行走驱动的原理和方法，设计整套的行走控制硬件电路和编写控制程 序，并对行走控制中各个模块的软硬件系统进行联机调试，确保达到控制要求。 ( 3 ) 本课题的研究目标是

43、最终实现挖掘机器人在无人驾驶的情况下，自主进入工作 现场完成各项挖掘任务。在实际使用中，挖掘机的工作环境恶劣，且随时有可能发生爆 陕西科技大学硕士学位论文 炸、塌方等事故使得挖掘机与外界完全隔绝，这些复杂的现场施工条件根本不可能允许 挖掘机器人在接满电线的情况下进入作业。因此，研究如何实现挖掘机的无线远程监控 就变得尤为重要，本课题中将有线传输模式改为无线传输模式，在上、下位机之间实现 信号的无线传输，从而使得挖掘机器人控制系统的适用性进一步增强。 ( 4 ) 采用C A N 总线技术组建通信系统，各个控制模块之间的数据传输均通过C A N 总线完成，进一步提高了系统的抗干扰能力和信号在各模块

44、之间的传输效率。 1 4 2 课题创新点 ( 1 ) 本课题在多学科综合交叉的基础上，从总体上研究了挖掘机器人控制系统的整 套解决方案，使挖掘机作业由传统的单纯依赖操作者转变为初步实现无人驾驶、远程监 控和高质量长时间平稳作业，对工程机械的智能化改造提出了一种解决办法。 ( 2 ) 依据双目立体识别技术设计挖掘机视觉系统，使挖掘机可自动确定对象物位置， 具有在对象物外形无规则，工作环境复杂的情况下准确到达作业位置并完成作业任务的 能力。 ( 3 ) 挖掘机器人控制系统上、下位机之间的无线信号传输，可进一步拓展挖掘机的 应用范围，增强了其对恶劣作业环境的适应能力。 1 5 课题研究的主要内容 (

45、 1 ) 制定总体方案，确定课题中需要解决的关键技术，并分别制定解决方案和技术 路线。确定各个功能模块的性能指标，选用合适的传感检测元件，设计制定出一套适合 于本课题研究对象及其工作环境的总体控制方案。 ( 2 ) 针对挖掘机作业对象物的特点，分析图像处理原理和常用识别技术，研究适合 于挖掘作业对象物特征识别的双目视觉算法。搭建双目立体视觉系统，使挖掘机器人可 通过该视觉系统确定对象物的相对方位并计算对象物体积。 ( 3 ) 在获得视觉识别系统检测结果的基础上，确定挖掘机的行走控制算法和差错补 偿算法，研究行走驱动的原理、方法、程序，设计整套控制系统硬件电路。之后再对行 走控制中各个模块的软硬

46、件系统进行调试，按照每个模块分别进行实验研究，使其达到 设计要求。 ( 4 ) 分析研究无线通信技术的原理与常用无线通信手段，制定适合本课题的挖掘机 器人的无线通信方案。通过实验验证，实现挖掘机器人上、下位机之间的远程无线通信。 ( 5 ) 依据机器人运动学解析原理，对挖掘机器人工作装置进行运动学解析，为后续 研究中进行挖掘机器人的运动规划、运动仿真和轨迹控制中的运动学计算做好准备工 作。 6 基于双目识别技术的挖掘机器人控制系统的研究 2 总体方案设计 2 1 研究目标 传统挖掘机是一种周期作业的土方机械，其主要运动包括整机行走、转台回转、动 臂升降、斗杆收放、铲斗转动等。现有的挖掘机基本上

47、采用人工操作方式，这就要求操 作者应具有较高的操作水平，操作者必须进行长时间的培训才能完成高质量的作业】。 其一般的工作流程为：首先，操作人员观察对象物的位置和大小；然后，操作人员通过 双手分别操纵左、右控制杆来控制挖掘机，完成直行、后退、左拐、右拐等动作，并最 终到达作业位置；接着在挖掘机到达作业位置后，操作人员控制执行装置进行挖掘作业， 挖起一铲后倾倒入自卸车，将此动作重复数次直到完成挖掘作业；最后，操作人员观察 周围环境，操作挖掘机退回初始位置或到达下一工作位置。 由于传统挖掘机严重依赖于人工操纵，仅靠人的感觉、经验和技术来进行操纵，很 难实现动力装置与液压系统、执行装置、工作负载的功率

48、匹配，大大增加了挖掘机的能 源消耗，同时也使操作工作变得繁重而复杂。 在挖掘机器人控制系统中，操作人员的判断、控制将全部由智能化的软硬件代替。 结合挖掘作业的具体要求，该控制系统的设计方案要求先由视觉传感器对作业对象物进 行识别，然后由计算机进行图像处理，并通过数学建模制定作业计划，最后驱动执行机 构完成作业任务。在作业过程中由于不可避免的存在固有误差和外来干扰，需要再次通 过传感器或由监控人员直接进行观察校对，对作业计划进行修正，并根据调整后的控制 参数驱动执行机构准确的完成作业。 本课题研究了挖掘机器人的自动控制系统，设计目标如下： ( 1 ) 完成对作业对象物的识别及其相对位置和体积的计

49、算。解决这一问题，首先需 要选用合适的传感器，过去的移动机器人主要采取超声波或者激光传感器。激光传感器 的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离，方向性好，测量精度高， 但容易受到气象条件的限制，不适于在大范围内搜索目标。超声波传感器是依据声速测 量距离的，而在挖掘机所处的复杂恶劣的工作环境下，将很难在众多的噪声干扰中获得 正确的信息。随着微电子技术的发展，电荷藕合器件C C D ( C h a r g eC o u p l e dD e v i c e ) 图 像传感器应运而生，它是一种半导体成像器件，具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积 小、寿命长、抗震动等优点。在实际应用中，通常采取C C D 摄像机配合视频采集卡的 方法，将图像数据输入计算机进行处理。利用适当的算法，C C D 摄像机不仅可以检测 物体方位距离，还可以精确计算物体体积，甚至具有检测物体的表面参数，判断物体的 材料、质地等功能，非常适合挖掘机复杂多变的工作环境。有鉴于此，本课题拟选取 7 陕西科技大学硕士学位论文 C C D 摄像机与图像采集卡作为该挖掘机器人视觉系统的硬件实现方式。另外，还需编 写相应的图像处理程序，对系统获取的图像信息进行处理，使得该视觉系统能