基于機(jī)器視覺的工程機(jī)械行走速度測量系統(tǒng)研究.pdf

1、工程機(jī)械行走裝置在產(chǎn)生牽引力時(shí)不可避免會發(fā)生滑轉(zhuǎn)，造成工程機(jī)械行走速度的損失而形成滑轉(zhuǎn)功率，引起工程機(jī)械作業(yè)效率降低，耗能增加。因此通過對行走速度的研究實(shí)從而現(xiàn)對滑轉(zhuǎn)的控制、調(diào)節(jié)使工程機(jī)械處于最佳工作狀態(tài)至關(guān)重要。但工程機(jī)械行走速度受地面附著性能、作業(yè)載荷、輪胎胎壓等綜合因素的影響，使得在工程機(jī)械運(yùn)動中較難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測量。因此實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械實(shí)際行走速度及滑轉(zhuǎn)率的高精度測量成為滑轉(zhuǎn)控制亟待解決的問題。基于此，本文在分析現(xiàn)有速度測量技術(shù)

2、的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于機(jī)器視覺的工程機(jī)械行走速度測量系統(tǒng)，建立了行走速度與序列圖像和單幅模糊圖像的數(shù)學(xué)模型；通過工程機(jī)械自身的“眼睛”識別地面圖像信息，研究了序列圖像的相鄰幀的全局運(yùn)動矢量和單幅運(yùn)動模糊圖像的模糊尺度，結(jié)合系統(tǒng)的安裝參數(shù)獲得工程機(jī)械相對于地面的行走速度。在此基礎(chǔ)上自主研發(fā)了基于機(jī)器視覺的滑轉(zhuǎn)率測量試驗(yàn)平臺，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了行走速度機(jī)器視覺測量算法的精度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了滑轉(zhuǎn)率的測量。
　　主要研究工作如下：

3、
　?。?）設(shè)計(jì)開發(fā)了基于機(jī)器視覺的行走速度測量系統(tǒng)，依據(jù)系統(tǒng)的功能重點(diǎn)研究了機(jī)器視覺測量系統(tǒng)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)、工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源、圖像采集卡等硬件設(shè)備的性能及選型原則。同時(shí)進(jìn)行了視覺測速系統(tǒng)軟件的模塊化設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動機(jī)構(gòu)的二維運(yùn)動控制，圖像的實(shí)時(shí)采集與處理功能，為后續(xù)進(jìn)一步展開理論和試驗(yàn)研究提供了軟硬件基礎(chǔ)。
　　（2）研究了機(jī)器視覺系統(tǒng)標(biāo)定對視覺測量的影響，明確了各坐標(biāo)系統(tǒng)在標(biāo)定中的重要性，分析了傳統(tǒng)標(biāo)定方法在實(shí)際應(yīng)用中的

4、難點(diǎn)。本文選用畸變小的光學(xué)鏡頭，采用相對標(biāo)定法，以標(biāo)準(zhǔn)量塊作為標(biāo)定物，在不需要標(biāo)定工業(yè)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)的情況下，快速、簡單地標(biāo)定出工業(yè)相機(jī)的物面分辨率，標(biāo)定誤差為0.0046mm。
　?。?）依據(jù)光照不均對成像質(zhì)量的影響，在研究了照度-反射模型的基礎(chǔ)上，本文提出了基于函數(shù)逼近理論的基函數(shù)擬合算法，通過B樣條基函數(shù)擬合圖像中的背景照度偏差，利用除法運(yùn)算對原圖像進(jìn)行拉伸，有效校正了光照不均產(chǎn)生的降質(zhì)圖像。與傳統(tǒng)的同態(tài)濾波算法對比，本文算

5、法處理后圖像的信息熵增加了26.6％，突出了圖像的細(xì)節(jié)信息，提高了圖像的對比度，進(jìn)而提高了序列圖像相關(guān)曲線的匹配精度。
　　（4）研究了序列圖像中相鄰幀圖像的相關(guān)性，建立了基于序列圖像的速度測量模型，提出了基于序列圖像的工程機(jī)械行走速度測量方法，利用同一地面場景在相鄰幀圖像中重疊區(qū)域位移量及幀間時(shí)間計(jì)算工程機(jī)械的行走速度。研究了圖像位移的全局運(yùn)動矢量估計(jì)算法，提出了多窗口灰度投影相關(guān)算法估計(jì)全局運(yùn)動矢量，并在泥土和沙地兩種典型地面

6、中以不同速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在給定的速度范圍內(nèi)，速度相對誤差在7％以內(nèi)，相鄰幀圖像運(yùn)算耗時(shí)約為15ms，驗(yàn)證了理論模型的正確性和算法的精度與實(shí)時(shí)性。
　?。?）研究了運(yùn)動速度與曝光時(shí)間對運(yùn)動模糊圖像的影響，建立了運(yùn)動模糊尺度與運(yùn)動速度的數(shù)學(xué)模型，提出了基于運(yùn)動模糊圖像的工程機(jī)械行走速度測量方法。利用運(yùn)動模糊圖像在頻譜圖中出現(xiàn)的暗條紋的間距與方向特征，設(shè)計(jì)開發(fā)Radon算法估計(jì)運(yùn)動模糊方向和運(yùn)動模糊尺度，通過給定的安裝參數(shù)計(jì)

7、算出運(yùn)動速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在給定的速度范圍內(nèi)，速度相對誤差在10％以內(nèi)，單幀運(yùn)動模糊圖像運(yùn)算速度耗時(shí)約30ms，驗(yàn)證了算法的精度和實(shí)時(shí)性。
　　（6）滑轉(zhuǎn)率測量試驗(yàn)研究。針對工程機(jī)械的5種滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，通過分析滑轉(zhuǎn)率測量中行走速度和理論行走速度兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的測量方法，結(jié)合本文開發(fā)的機(jī)器視覺速度測量算法，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于機(jī)器視覺的滑轉(zhuǎn)率測量試驗(yàn)平臺，利用該平臺進(jìn)行實(shí)際測量研究。驗(yàn)證了行走速度機(jī)器視覺測量算法的精度和實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了滑轉(zhuǎn)率的測