專利名稱：一種控制執(zhí)行臂末端運動的方法及控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工程機械技術領域，特別涉及一種控制執(zhí)行臂末端運動的方法。本發(fā)明還涉及一種執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)。
背景技術：
多種工程機械具有臂架結(jié)構，比如混凝土泵車、起重機、消防車等，臂架用以輸送人力或物料至指定施工地點。在施工過程中，經(jīng)常需要臂架依照同一狀態(tài)穩(wěn)定運動，此時， 需要準確采集臂架末端的位置參數(shù)，根據(jù)位置參數(shù)變化計算出臂架末端相對初始位置移動的距離，進而實時控制臂架末端運動的軌跡。
現(xiàn)有技術中，通常采取間接計算的方式獲取臂架末端的位置，控制臂架末端在某一固定位置運動，主要計算方式如下
(1)在臂架的各節(jié)臂均安裝角度傳感器分別測量各節(jié)臂的角度，再結(jié)合各節(jié)臂的長度計算臂架末端的位置。然而，各節(jié)臂在工作過程中會不斷產(chǎn)生形變，通過角度和未產(chǎn)生形變的臂架長度來計算末端的豎直高度是不準確的。即使，在各節(jié)臂安裝位移傳感器，計算出各節(jié)臂的形變，結(jié)合形變量再計算，也無法保證計算結(jié)果的精確性。主要由于，臂架包含多節(jié)節(jié)臂，各節(jié)臂的疊加運算勢必會降低計算結(jié)果的精確度，無法滿足智能化、自動化施工操作需求。
(2)在臂架末端設置測距傳感器，用以測量臂架末端的位置參數(shù)。該種方式可以直接測量臂架末端的豎直高度，但測量距離有限、精度不高，特別是當臂架末端下方存在高度不斷變化的物體(比如混凝土泵車打泵時臂架末端下方地面堆積的混凝土高度會不斷變化)時，測量結(jié)果并不準確。
因此，如何改進臂架末端運動的控制方法，提高控制精度，是本領域技術人員需要解決的技術問題。發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述技術問題，本發(fā)明的目的為提供一種控制執(zhí)行臂末端運動的方法，該控制方法利用圖像處理方式直接實時獲取執(zhí)行臂末端的位移，從而能夠精確地控制執(zhí)行臂末端的運動軌跡。本發(fā)明的另一目的是提供一種執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)。
為達到本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種控制執(zhí)行臂末端運動的方法，包括以下步驟
11)于所述執(zhí)行臂末端設置攝像頭，并于所述攝像頭的可視區(qū)域設置標識；
12)所述攝像頭實時獲取所述標識的圖像；
13)預存初始位置所述標識的初始圖像，對比分析所述初始圖像和實時獲取的所述標識的圖像，計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對所述標識的實時位移；
14)根據(jù)所述執(zhí)行臂末端的實時位移控制所述執(zhí)行臂末端的運動。
優(yōu)選地，
步驟11)中，還在所述攝像頭的窗口近端設置標尺，所述標尺與所述攝像頭的位置關系保持恒定；
步驟12)中，所述攝像頭獲取包括所述標識和所述標尺的圖像；
步驟13)中，預存初始位置包括所述標識和所述標尺的初始圖像，對比分析所述初始圖像分析實時獲取的包括所述標識和所述標尺的圖像，計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對所述標識的實時位移。
優(yōu)選地，
步驟11)中，設置的所述標尺為交叉的水平標尺和豎直標尺；步驟13)中，將初始圖像中的標識和實時獲取圖像中的標識均與對應的所述標尺的水平標尺以及豎直標尺的成像進行對比分析，計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對所述標識的左右位移和上下位移。
優(yōu)選地，
步驟11)中，在所述攝像頭上設置角度傳感器；
步驟12)中，所述攝像頭跟蹤所述標識的中心位置，并獲取所述標識的圖像；
步驟13)中，記錄所述角度傳感器檢測的所述攝像頭水平角度和垂直角度，對比分析所述初始圖像和實時獲取的標識圖像，獲得所述攝像頭至所述標識中心位置的初始距離和實時距離，根據(jù)轉(zhuǎn)角、初始距離、實時距離、初始水平角度、初始垂直角度、實時水平角度和實時垂直角度計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對所述初始位置的實時位移。
優(yōu)選地，在步驟1 和步驟1 之間還具有以下步驟
123)調(diào)整攝像頭，使在初始位置所述攝像頭的窗口中心對準所述標識的中心位置。
優(yōu)選地，根據(jù)獲取的所述標識的圖像控制所述攝像頭的焦距。
優(yōu)選地，步驟11)中，在所述執(zhí)行臂末端四周的工作區(qū)域設置至少兩個標識。
本發(fā)明所提供的控制執(zhí)行臂末端運動的方法，可以直接通過初始圖像和實時獲取的標識圖像的分析比較，獲取標識的實時位移，進而獲知執(zhí)行臂末端的實時位移，輸出控制執(zhí)行臂末端運動的指令。直接通過圖像比較計算的方式，相對于現(xiàn)有技術中利用多個傳感器數(shù)據(jù)信號疊加計算的方式，具有更高的精確度。
在進一步的技術方案中，在攝像頭的近端設置標尺，標尺作為分析標識的參考標準時，可以消除攝像頭抖動引起的誤差；而且，由于標尺的成像較為清晰穩(wěn)定，易于設計為便于參考比較的形狀，可以簡化圖像處理模塊的處理程序，提高精確度；此外，在焦距改變的情況下，可以通過標尺成像大小的改變計算焦距變量，進而準確計算標識的實時位移，而無需通過其他途徑獲取焦距變量。
為了達到本發(fā)明的第二目的，本發(fā)明還提供一種執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)，包括
攝像頭，設于所述執(zhí)行臂末端；
設置于所述攝像頭可視區(qū)域的標識，所述攝像頭獲取所述標識的圖像；
圖像處理模塊，所述圖像處理模塊接收所述攝像頭獲取的圖像，且預存初始位置所述標識的初始圖像，并比對分析所述初始圖像和實時獲取的所述標識的圖像，計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對所述標識的實時位移；
執(zhí)行臂控制器，接收所述圖像處理模塊獲得的所述執(zhí)行臂末端相對所述標識的實時位移，根據(jù)所述執(zhí)行臂末端相對所述標識的實時位移控制執(zhí)行臂末端的運動。
優(yōu)選地，還包括設置于所述攝像頭的窗口近端的標尺；所述攝像頭獲取包括所述標識和所述標尺的圖像；所述圖像處理模塊預存初始位置包括所述標識和所述標尺的初始圖像，并比對分析所述初始圖像和實時獲取的包括所述標識和所述標尺的圖像，計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對所述標識的實時位移。
優(yōu)選地，所述標尺為交叉的水平標尺和豎直標尺；所述圖像處理將初始圖像中的標識和實時獲取圖像中的標識均與對應的所述標尺的水平標尺以及豎直標尺的成像進行對比分析，計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對初始位置左右位移和上下位移。
優(yōu)選地，還包括攝像頭的控制模塊，所述控制模塊根據(jù)獲取的所述標識的圖像調(diào)整所述攝像頭，使在初始位置所述攝像頭的窗口中心對準所述標識的中心位置。
優(yōu)選地，所述攝像頭上設有角度傳感器；所述攝像頭跟蹤所述標識的中心位置，并獲取所述標識的圖像；所述圖像處理模塊記錄所述角度傳感器檢測的所述攝像頭相對于初始位置的實時轉(zhuǎn)角，并對比分析所述初始圖像和實時獲取的標識圖像，獲得所述攝像頭至所述標識中心位置的初始距離和實時距離，根據(jù)轉(zhuǎn)角、初始距離以及實時距離計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對初始位置的實時位移。
優(yōu)選地，所述控制模塊根據(jù)獲取的所述標識的圖像控制所述攝像頭的焦距。
優(yōu)選地，在所述執(zhí)行臂末端四周的工作區(qū)域設置至少兩個標識。
優(yōu)選地，所述標識由反光材料制成；且設置為標識提供照明的照明燈。
本發(fā)明所提供的執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)，由圖像處理模塊直接分析比較標識的初始圖像和實時獲取的圖像，根據(jù)變化量獲取執(zhí)行臂末端相對標識的實時位移，并由執(zhí)行臂運動控制器輸出控制執(zhí)行臂運動的指令。相對于現(xiàn)有技術中利用多個傳感器數(shù)據(jù)信號疊加計算的方式，該控制系統(tǒng)具備高精度的分析控制能力。而且，在執(zhí)行臂移動的過程中， 還可以利用上述控制系統(tǒng)將執(zhí)行臂末端工作區(qū)域的近端工況圖像傳輸給控制系統(tǒng)中的顯示裝置，以便進行遠程遙控操作。更進一步可以通過上述控制系統(tǒng)對執(zhí)行臂末端周邊工況進行分析，避免執(zhí)行臂末端與大型障礙物碰撞，實現(xiàn)執(zhí)行臂末端的智能避障。


圖1為本發(fā)明所提供控制執(zhí)行臂末端運動方法的流程圖2為本發(fā)明所提供控制執(zhí)行臂末端運動方法第一種具體實施方式
的流程圖3為本發(fā)明所提供控制執(zhí)行臂末端運動方法第二種具體實施方式
的流程圖4為本發(fā)明所提供控制執(zhí)行臂末端運動方法第一種具體計算方式的示意圖5為本發(fā)明所提供控制執(zhí)行臂末端運動方法第二種具體計算方式的示意圖6為本發(fā)明所提供控制執(zhí)行臂末端運動方法第三種具體計算方式的示意圖7為本發(fā)明所提供執(zhí)行臂末端運動控制系統(tǒng)一種具體實施方式
的結(jié)構示意圖8為圖7中控制系統(tǒng)的控制原理示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明的核心為提供一種控制執(zhí)行臂末端運動的方法，該控制方法利用圖像處理方式直接實時獲取執(zhí)行臂末端的位移，從而能夠精確地控制執(zhí)行臂末端的運動軌跡。本發(fā)明的另一核心是提供一種執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)。
為了使本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
請參考圖1，圖1為本發(fā)明所提供控制執(zhí)行臂末端運動方法的流程圖。
本發(fā)明所提供的控制執(zhí)行臂末端運動的方法，主要包括以下步驟
步驟Sll)于執(zhí)行臂末端設置攝像頭，并于攝像頭的可視區(qū)域設置標識；
執(zhí)行臂末端的可視區(qū)域，指執(zhí)行臂末端作業(yè)對象的位置，或該位置附近，以便于在后述步驟中，位于執(zhí)行臂末端的攝像頭獲取標識的圖像。
將攝像頭設置于執(zhí)行臂末端，則攝像頭隨執(zhí)行臂末端的移動而移動，即與執(zhí)行臂末端的運動軌跡一致。
步驟S12)攝像頭實時獲取標識的圖像；
步驟SB)預存初始位置標識的初始圖像，并對比分析初始圖像和實時獲取的標識的圖像，計算獲得執(zhí)行臂末端相對初始位置的實時位移；
在執(zhí)行臂末端的運動過程中，攝像頭隨其移動，而標識設置于執(zhí)行臂末端的可視區(qū)域中，故標識在攝像頭中的成像為動態(tài)變化的過程，因此，分析標識的圖像相對于初始圖像的變化量，可以獲得執(zhí)行臂末端相對初始位置的實時位移。
步驟S14)根據(jù)標識的實時位移控制執(zhí)行臂末端的運動。
執(zhí)行臂末端移動時，標識和攝像頭存在相對運動，比如，標識左移時，相當于攝像頭右移，而攝像頭的位移與執(zhí)行臂末端一致，故根據(jù)獲取的執(zhí)行臂末端的位移，結(jié)合實際運動需要，即可控制執(zhí)行臂末端的運動軌跡。
通過上述論述可知，本發(fā)明所提供的執(zhí)行臂末端運動的控制方法，可以直接通過初始圖像和實時獲取的標識圖像的分析比較，獲取執(zhí)行臂末端相對初始位置的實時位移， 進而獲知執(zhí)行臂末端的實時位移，輸出控制執(zhí)行臂運動的指令。直接通過圖像比較計算的方式，相對于現(xiàn)有技術中利用多個傳感器數(shù)據(jù)信號疊加計算的方式，具有更高的精確度。
請參考圖2，圖2為本發(fā)明所提供控制執(zhí)行臂末端運動方法第一種具體實施方式
的流程圖。包括下述步驟
步驟S21)，于執(zhí)行臂末端設置攝像頭，并于攝像頭的可視區(qū)域設置標識，還在攝像頭的窗口近端設置標尺；
設置于窗口的近端，即保證標尺始終可以通過攝像頭成像，標尺與攝像頭的位置關系保持恒定，即在焦距不變的情況下，標尺的成像大小始終相等，焦距改變時，根據(jù)標尺成像大小的變化也可以計算出焦距的變化，以便準確計算由于焦距變化而導致的標識成像大小的變化，使標識的圖像分析具有穩(wěn)定的參考系。標尺的設置方式有多種，比如，設置攝像頭時，標尺可以固定于攝像頭鏡頭的前方，也可以設于攝像頭的內(nèi)部，標尺還可以與其他部件固定，保證其相對于攝像頭的鏡頭位置不變即可。
步驟S2》，攝像頭獲取包括標識和標尺的圖像；
由于標尺始終可以成像，故攝像頭獲取的圖像同時包括標識和標尺，當然，在標識移動的情況下，獲得的不同時刻的圖像中，標識和標尺的相對位置關系及相對大小均可能產(chǎn)生動態(tài)變化。
步驟S2!3)，預存初始位置包括標識和標尺的初始圖像，并對比分析初始圖像和實時獲取的包括標識和標尺的圖像，計算獲得執(zhí)行臂末端的實時位移。
該步驟中的分析計算原理與步驟S13)相同。由于標尺的成像較為清晰穩(wěn)定，易于設計為便于參考比較的形狀，此時，可以將標尺作為標識成像變化計算的參考，計算執(zhí)行臂末端的實時位移。因此，標尺的設置還可以簡化圖像處理模塊的處理程序，提高精確度；此外，在焦距改變的情況下，可以通過標尺成像大小的改變計算焦距變量，進而準確計算執(zhí)行臂末端的實時位移，而無需通過其他途徑獲取焦距變量。
步驟S24)根據(jù)標識的實時位移控制執(zhí)行臂末端的運動。與步驟S14)相同。
請參考圖3，圖3本發(fā)明所提供控制執(zhí)行臂末端運動方法第二種具體實施方式
的流程圖。包括下述步驟
步驟S31)，于執(zhí)行臂末端設置攝像頭，并于攝像頭的可視區(qū)域設置標識，還在攝像頭的窗口近端設置標尺；
步驟S3》，攝像頭獲取包括標識和標尺的圖像；
步驟S31)、步驟S3》和步驟S21)、步驟S2》相同。
步驟S3!3)，調(diào)整攝像頭，使在初始位置攝像頭的窗口中心對準標識的中心位置。
與第一種具體實施方式
的區(qū)別在于，增加了該步驟。添加該步驟后，在初始化過程中，可以調(diào)整攝像頭的高度或角度，盡量使攝像頭窗口對準標識的中心位置，則獲得的標識的初始圖像位于整個圖像的中部，于是，標識移動一定距離后其成像尚在攝像頭鏡頭覆蓋范圍以內(nèi)，同時計算誤差也相對較低。
步驟S34)，預存初始位置包括標識和標尺的初始圖像，并對比分析初始圖像和實時獲取的包括標識和標尺的圖像，計算獲得執(zhí)行臂末端的實時位移。
步驟S3。根據(jù)標識的實時位移控制執(zhí)行臂末端的運動。步驟S34)和步驟S23)， 步驟S3。與步驟S24)和步驟S14)相同。
請參考圖4，圖4為本發(fā)明所提供控制執(zhí)行臂末端運動方法第一種具體計算方式的示意圖。
該具體計算方式是將標識10的初始成像和其他時刻的成像與標尺20的成像進行比對計算的方法，為便于計算標識10左右位移和前后位移(豎直高度方向的位移)，可以將標識10設置為交叉的水平標尺201和豎直標尺202 (十字形標尺)，相當于建立豎直平面坐標系。處理時，可以測出標識10初始成像的上端到水平標尺201的高度Al，標識10初始成像的下端到水平標尺201的高度Bi，標識10初始成像一端到豎直標尺202長度D1，標識 10初始成像與水平標尺201的夾角Q1，而某一時刻的標識10成像兩端到水平標尺201的高度分別為A2、B2，其一端至豎直標尺202的長度為D2，與水平標尺201的夾角為Q2，標識 10的實際長度為L，則可以通過如下公式計算執(zhí)行臂末端相對初始位置的上下移動距離Y
Y = Y1-Y2 ；
Yl = LX SINQl X (Al-Bl) + (A1+B1)；
Y2 = LXSINQ2X (A2-B2) + (A2+B2)；
該方法還可以通過如下公式計算出執(zhí)行臂末端相對初始位置的左右移動距離X
X = X1-X2 ；
Xl = LXSINQ1XD1+(A1+B1)；
X2 = LXSINQ2XD2 + (A2+B2)。
實際上，上述角度Ql和Q2也可以通過標識10成像的高度以及長度計算得出，相應地，通過測出的角度和長度，也可以得出成像的高度，上述計算方法可以靈活設置。對上下位移和左右位移的精度要求均較高時，可以將標識10的結(jié)構設置為十字形標識，即包括豎直標識和水平標識，該計算方法與第一種計算方式的原理相同，區(qū)別僅在于前后位移根據(jù)大致沿豎直方向延伸的豎直標識成像計算，左右位移根據(jù)大致沿水平方向延伸的水平標識成像計算。
當執(zhí)行臂末端前后產(chǎn)生位移時，標識10成像的大小會發(fā)生改變，相應的寬度和長度均會發(fā)生改變，可以單獨通過成像規(guī)律作常規(guī)的圖像處理(如成像大小、雙目測距等處理方式)計算前后位移，還可以綜合采取激光測距、紅外測距等方法實現(xiàn)前后距離測量。當然，前后產(chǎn)生位移時，上述計算公式也需要作適當?shù)淖冃?，可以測出標識10初始成像的長度，某一時刻的成像長度，通過兩個長度值的變化關系，修正上述公式中的輸入變量，進而消除前后移動所帶來的計算誤差；當然，長度發(fā)生變化超過一定范圍影響時，也可以重新初始化程序，以新的位置作為參考點。
請參考圖5，圖5為本發(fā)明所提供控制執(zhí)行臂末端運動方法第二種具體計算方式的示意圖。
該計算方式中，標識10設置為光柵101形式，每組光柵101的寬度可以根據(jù)控制精度要求設計(比如控制精度為0.1米，光柵101寬度可設計為0. 05米)，當然，光柵101 寬度在滿足控制精度的前提下應盡量寬一些，便于成像分析，標尺20的水平標尺成像可以容納一個光柵101。設光柵101寬度為A，光柵101移動數(shù)量為M，通過初始圖像和某一時刻的圖像分析，可以得出光柵101的移動數(shù)量，則標識10的前后位移L = AXM0圖中所示的標識成像大致沿豎直方向延伸，需要測量左右位移時，可以將標識10設置為具有水平標識和豎直標識的結(jié)構，且均設為光柵形式，則計算左右位移時，與上下位移的計算原理相同。 當執(zhí)行臂末端前后產(chǎn)生位移時，可根據(jù)光柵的成像寬度變化修正標尺位置進行誤差補償。
當然，根據(jù)標識10形式的不同，還可以由其他計算方式獲取執(zhí)行臂末端的位移。
在上述兩種計算方式中，均以標尺20的成像作為參考，實際上，也可以在后期的圖像處理過程中，設置虛擬標尺。需要說明的是，當標尺20固定于其他結(jié)構上時，即使攝像頭具有輕微抖動，標尺20的成像的角度依然保持穩(wěn)定，故設定的實體標尺20相對于虛擬標尺，能夠始終準確地作為標識10圖像變化的參考標準，故優(yōu)選設置標尺20形成參考的標尺。
請參考圖6，圖6為本發(fā)明所提供控制執(zhí)行臂末端運動方法第三種具體計算方式的示意圖。
該計算方式中，攝像頭處于跟蹤狀態(tài)，隨標識10位置的改動而作相應的角度轉(zhuǎn)動，實時跟蹤標識10的中間位置。根據(jù)拍攝的圖像，可以獲取初始位置時，攝像頭至標識10 的中心位置的距離Si，某一時刻攝像頭至標識10中心位置的距離S2，并可以由設于攝像頭上的角度傳感器獲取攝像頭初始位置的水平角度P1、垂直角度Ql以及當前狀態(tài)下的水平角度P2、垂直角度Q2 (為便于理解，圖中建立XYZ三維坐標系)，則可以通過如下公式計算執(zhí)行臂末端500相對初始位置的上下移動距離Y
Y = Y1-Y2 ；
Yl = Sl X SINQl ；
Y2 = S2XSINQ2 ；
執(zhí)行臂末端500相對初始位置的左右移動距離X
X = X1-X2 ；
Xl = Sl X COSQl X COSPl ；
X2 = S2X C0SQ2 X C0SP2 ；
執(zhí)行臂末端500相對初始位置的前后移動距離Z
Z = Z1-Z2 ；
Zl = Sl X COSQl X SINPl ；
Z2 = S2X C0SQ2 X SINP2 ；
第三種計算方式中，標識10中心位置與攝像頭之間的距離可以通過標尺20與標識10的成像分析計算得出，也可以通過雙攝像頭測距等圖像分析方法獲得。
此外，針對上述各實施例，步驟S14)中，還可以根據(jù)實時獲取的標識10的圖像控制攝像頭100的焦距。當預先設定的焦距可能無法獲取滿足清晰度要求的標識10圖像時， 可以控制攝像頭100變焦，分析計算時，將變焦引起的圖像大小變化量引入計算公式中。
上述實施例一和例二均建立于，標識10位于執(zhí)行臂末端500的可視區(qū)域內(nèi)，且執(zhí)行臂末端500的動作范圍較小。當執(zhí)行臂末端500的施工位置改變，且變幅較大時，即執(zhí)行臂末端500可視區(qū)域發(fā)生改變時，可以在整個工作區(qū)域設置至少兩個標識，選擇其中1個作為計算用標識10。執(zhí)行臂末端500的可視區(qū)域指執(zhí)行臂末端500攝像頭可觀察到的任何區(qū)域，設置多個標識，可以擴大執(zhí)行臂末端500攝像頭的監(jiān)控范圍，保證執(zhí)行臂在任何方向的動作，均有相應的標識可供參考，從而獲得連續(xù)的位置信號，調(diào)控的范圍更廣。
以上計算方式可以簡便地計算出執(zhí)行臂末端500的上下、左右、前后位移，而在初始位置，選定某位置為坐標原點，則可以建立執(zhí)行臂末端500的三維空間坐標系。根據(jù)計算的位移實時監(jiān)控執(zhí)行臂末端500的位置參數(shù)，當需要執(zhí)行臂末端500轉(zhuǎn)換工作位置時，可以以此參數(shù)為參考，精確地控制帶有攝像頭的執(zhí)行臂末端500運動至工作區(qū)域內(nèi)的任意位置。
實際上，在執(zhí)行臂的工作區(qū)域內(nèi)，多個執(zhí)行臂末端500可能同時工作(多個執(zhí)行臂末端500的工作區(qū)域重合)，則可設置的多個標識10避免單一標識10被其它執(zhí)行臂末端500所遮擋，達到同時控制多個執(zhí)行臂末端500的運動軌跡，實現(xiàn)精確的智能化操控的目的。
除了上述控制方法，本發(fā)明還提供一種執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)。請參考圖7 和圖8，圖7為本發(fā)明所提供執(zhí)行臂末端運動控制系統(tǒng)一種具體實施方式
的結(jié)構示意圖；圖 8為圖7中控制系統(tǒng)的控制原理示意圖。
該控制系統(tǒng)包括設置于執(zhí)行臂末端500工作臺面的標識10、攝像頭、圖像處理模塊，以及執(zhí)行臂控制器。
標識10的形狀，優(yōu)選為規(guī)則形狀，便于成像以及后續(xù)圖像的分析計算。比如，圖6 中所示的標識10為桿狀，根據(jù)上述內(nèi)容可知，標識10可以為光柵形式，也可以在桿狀部件的中部設置區(qū)別于上部和下部的顏色，或?qū)U狀部件的兩端設置其他顏色將中間部分作為標識10。優(yōu)選采用中間部分為白色，其他部分為黑色，或中間部分為黑色，其他部分為白色， 也可以是其他具有明顯區(qū)別的顏色組合，具備醒目的效果，便于后述步驟提及的成像以及圖像分析，即防止背景色與標識10顏色相似而造成成像不清晰。
為了擴大對執(zhí)行臂末端500運動的控制范圍，還可以在執(zhí)行臂末端500四周的工作區(qū)域設置至少兩個標識10，使執(zhí)行臂末端500運動至工作區(qū)域內(nèi)的任一位置，均具有至少一個相應的標識10納入執(zhí)行臂末端500攝像頭的可視區(qū)域內(nèi)，以供參考。選取不同位置的標識10時，可以將不同標識10之間的位置差量合并入圖像處理模塊200的計算程序中， 使圖像分析的參考系保持統(tǒng)一；或執(zhí)行臂進入不同于預先選定的標識10的范圍內(nèi)時，可以使圖像處理模塊200重新初始化，將作業(yè)范圍內(nèi)的標識10的圖像作為重新選定的初始圖像；或由上述方法可知，設置多個標識10，可以建立執(zhí)行臂末端500的三維空間坐標系，精確地控制執(zhí)行臂末端500運動至工作區(qū)域內(nèi)的任意位置，在工作區(qū)域內(nèi)具有多個執(zhí)行臂末端500時，可以建立規(guī)?；膱?zhí)行臂控制系統(tǒng)。
在執(zhí)行臂末端500的可視區(qū)域處設置一個以上標識10時，執(zhí)行臂末端500的攝像頭100可以獲取靠近攝像頭100窗口中心的標識10的圖像，以便于攝像頭100根據(jù)標識10 的成像清晰度以及大小，選擇合適的標識10作為跟蹤目標。
攝像頭100設置于執(zhí)行臂末端500，隨執(zhí)行臂末端500移動而移動，用以獲取標識 10圖像，并將獲得的圖像信號實時發(fā)送至圖像處理模塊200，攝像頭100與圖像處理模塊 200可以通過有線或無線的方式連接。
圖像處理模塊200用以接收攝像頭100獲取的圖像，且預存初始位置標識10的初始圖像，并根據(jù)初始圖像分析實時獲取的標識10的圖像，計算獲得執(zhí)行臂末端500相對初始位置的實時位移，并將得出的實時位移發(fā)送至執(zhí)行臂控制器300。
在初始位置，可以調(diào)整攝像頭100和標識10的相對位置，其優(yōu)勢在控制方法(主要針對第一和第二種計算方法中，將標識10調(diào)整至攝像頭100的中心位置)中已有論述， 相應地，可以設置控制攝像頭100的控制模塊400，控制攝像頭100高度或角度的變化。攝像頭100的控制模塊400可以與執(zhí)行臂控制器300或圖像處理模塊200連接，后二者均可以根據(jù)獲取的標識10圖像，判斷在初始位置，標識10的圖像是否適合作為初始圖像，并發(fā)送相應的控制信號至攝像頭100的控制模塊400，由控制模塊400控制攝像頭100的高度和角度。
執(zhí)行臂控制器300，用以接收圖像處理模塊200獲得的標識10的實時圖像，根據(jù)標識10的初始圖像和實時圖像計算執(zhí)行臂末端500的實時位移，進而控制執(zhí)行臂末端500的運動。執(zhí)行臂控制器300和圖像處理模塊200也可以通過有線或無線的方式連接，二者也可以集成于同一模塊上。
則本發(fā)明所提供的執(zhí)行臂末端500運動的控制系統(tǒng)，由圖像處理模塊200直接分析比較標識10的初始圖像和實時獲取的圖像，根據(jù)變化量獲取執(zhí)行臂末端500相對初始位置的實時位移，并由執(zhí)行臂運動控制器300輸出控制執(zhí)行臂運動的指令。相對于現(xiàn)有技術中利用多個傳感器數(shù)據(jù)信號疊加計算的方式，該控制系統(tǒng)具備更高的控制精度。
進一步地，控制系統(tǒng)還可以包括設置于攝像頭100的窗口近端的標尺20，如圖6所示的十字形標尺，且標尺20與攝像頭100的位置關系保持恒定。則攝像頭100獲取的圖像中包括標識10和標尺20，且在焦距不變的情況下，標尺20的成像大小保持恒定。初始化時，圖像處理模塊200預存初始位置包括標識10和標尺20的初始圖像，并根據(jù)初始圖像分析實時獲取的包括標識10和標尺20的圖像，計算獲得執(zhí)行臂末端500相對初始位置的實時位移。標尺20的工作原理以及產(chǎn)生的技術效果在控制方法的實施方式中也已論述，在此不贅述。
上述攝像頭100的控制模塊400還可以根據(jù)獲取的標識10的圖像控制攝像頭100 的焦距。在執(zhí)行臂末端500運動的過程中，均可以控制控制模塊400的變焦，焦距變化引起的標識10或標尺20成像的變化，將計入計算公式當中。
在控制方法中，已就圖像處理模塊的具體計算方式進行了描述，可以參照理解。
另外，為便于夜晚或光線不足時作業(yè)，標識10可以由反光材料制成，以便于圖像識別。而且，還可以設置為標識10提供照明的照明燈，則在照明燈的作用下，便于獲取清晰的標識10圖像。優(yōu)選地，將照明燈置于標識10的附近。
另外，通過攝像頭100采集執(zhí)行臂末端500工作區(qū)域的近端工況圖像，將此圖像在工程機械的顯示裝置上顯示，可以實現(xiàn)對工程機械執(zhí)行臂末端進行遠程工況觀察。更進一步通過圖像處理模塊200對執(zhí)行臂末端500的圖像進行分析，當執(zhí)行臂末端500靠近某個大型障礙物(例如垂直的墻壁時)，圖像處理模塊200產(chǎn)生告警信息并發(fā)送給執(zhí)行臂控制器 300，執(zhí)行臂控制器300控制停止執(zhí)行臂的運動或修改運動路徑，從而可以實現(xiàn)執(zhí)行臂末端 500的智能避障。相關圖像分析處理方法為本領域技術人員所熟知，在此不再贅述。
以上對本發(fā)明所提供的一種控制執(zhí)行臂末端運動的方法及控制系統(tǒng)進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權利要求的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種控制執(zhí)行臂末端運動的方法，其特征在于，包括以下步驟11)于所述執(zhí)行臂末端設置攝像頭，并于所述攝像頭的可視區(qū)域設置標識；12)所述攝像頭實時獲取所述標識的圖像；13)預存初始位置所述標識的初始圖像，對比分析所述初始圖像和實時獲取的所述標識的圖像，計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對初始位置的實時位移；14)根據(jù)所述執(zhí)行臂末端的實時位移控制所述執(zhí)行臂末端的運動。
2.根據(jù)權利要求1所述的控制執(zhí)行臂末端運動的方法，其特征在于，步驟11)中，還在所述攝像頭的窗口近端設置標尺，所述標尺相對所述攝像頭的位置保持恒定；步驟12)中，所述攝像頭獲取包括所述標識和所述標尺的圖像； 步驟13)中，預存初始位置下包括所述標識和所述標尺的初始圖像，對比分析所述初始圖像分析實時獲取的包括所述標識和所述標尺的圖像，計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對初始位置的實時位移。
3.根據(jù)權利要求2所述的控制執(zhí)行臂末端運動的方法，其特征在于， 步驟11)中，設置的所述標尺為交叉的水平標尺和豎直標尺；步驟13)中，將初始圖像中的標識和實時獲取圖像中的標識均與對應的所述標尺的水平標尺以及豎直標尺的成像進行對比分析，計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對初始位置的左右位移和上下位移。
4.根據(jù)權利要求2所述的控制執(zhí)行臂末端運動的方法，其特征在于， 步驟11)中，在所述攝像頭上設置角度傳感器；步驟12)中，所述攝像頭跟蹤所述標識的中心位置，并獲取所述標識的圖像； 步驟13)中，記錄所述角度傳感器檢測的所述攝像頭的水平角度和垂直角度，對比分析所述初始圖像和實時獲取的標識圖像，獲得所述攝像頭至所述標識中心位置的初始距離和實時距離，根據(jù)初始距離、實時距離、初始水平角度、初始垂直角度、實時水平角度和實時垂直角度計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對初始位置的實時位移。
5.根據(jù)權利要求1至3任一項所述的控制執(zhí)行臂末端運動的方法，其特征在于，在步驟 12)和步驟13)之間還具有以下步驟123)調(diào)整攝像頭，使在初始位置所述攝像頭的窗口中心對準所述標識的中心位置。
6.根據(jù)權利要求1至4任一項所述的控制執(zhí)行臂末端運動的方法，其特征在于，根據(jù)獲取的所述標識的圖像控制所述攝像頭的焦距。
7.根據(jù)權利要求1至4任一項所述的控制執(zhí)行臂末端運動的方法，其特征在于，步驟 11)中，在所述執(zhí)行臂末端四周的工作區(qū)域設置至少兩個標識。
8.一種執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)，其特征在于，包括 攝像頭，設于所述執(zhí)行臂末端；設置于所述攝像頭可視區(qū)域的標識，所述攝像頭獲取所述標識的圖像； 圖像處理模塊，所述圖像處理模塊接收所述攝像頭獲取的圖像，且預存初始位置所述標識的初始圖像，并比對分析所述初始圖像和實時獲取的所述標識的圖像，計算獲得所述執(zhí)行臂末端的實時位移；執(zhí)行臂控制器，接收所述圖像處理模塊獲得的所述執(zhí)行臂末端的實時位移，根據(jù)所述執(zhí)行臂末端的實時位移控制執(zhí)行臂末端的運動。
9.根據(jù)權利要求8所述的執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括設置于所述攝像頭的窗口近端的標尺；所述攝像頭獲取包括所述標識和所述標尺的圖像；所述圖像處理模塊預存初始位置包括所述標識和所述標尺的初始圖像，并比對分析所述初始圖像和實時獲取的包括所述標識和所述標尺的圖像，計算獲得所述執(zhí)行臂末端的實時位移。
10.根據(jù)權利要求9所述的執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述標尺為交叉的水平標尺和豎直標尺；所述圖像處理模塊將初始圖像中的標識和實時獲取圖像中的標識均與對應的所述標尺的水平標尺以及豎直標尺的成像進行對比分析，計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對初始位置的左右位移和上下位移。
11.根據(jù)權利要求8所述的執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括攝像頭的控制模塊，位于初始位置時，所述控制模塊根據(jù)獲取的所述標識的圖像調(diào)整所述攝像頭，使所述攝像頭的窗口中心對準所述標識的中心位置。
12.根據(jù)權利要求11所述的執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述攝像頭上設有角度傳感器；所述攝像頭跟蹤所述標識的中心位置，并獲取所述標識的圖像；所述圖像處理模塊記錄所述角度傳感器檢測的所述攝像頭的水平角度和垂直角度，并對比分析所述初始圖像和實時獲取的標識圖像，獲得所述攝像頭至所述標識中心位置的初始距離和實時距離，根據(jù)初始距離、實時距離、初始水平角度、初始垂直角度、實時水平角度和實時垂直角度計算獲得所述執(zhí)行臂末端的實時位移。
13.根據(jù)權利要求12所述的執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊根據(jù)獲取的所述標識的圖像控制所述攝像頭的焦距。
14.根據(jù)權利要求8至13任一項所述的執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述執(zhí)行臂末端四周的工作區(qū)域設有至少兩個標識。
15.根據(jù)權利要求8至13任一項所述的執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述標識由反光材料制成；且設置為標識提供照明的照明燈。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制執(zhí)行臂末端運動的方法，包括以下步驟11)于所述執(zhí)行臂末端設置攝像頭，并于所述攝像頭的可視區(qū)域設置標識；12)所述攝像頭實時獲取所述標識的圖像；13)預存初始位置所述標識的初始圖像，對比分析所述初始圖像和實時獲取的所述標識的圖像，計算獲得所述執(zhí)行臂末端相對初始位置的實時位移；14)根據(jù)所述執(zhí)行臂末端的實時位移控制所述執(zhí)行臂末端的運動。該控制方法可直接通過圖像分析，獲知執(zhí)行臂末端的實時位移，輸出控制執(zhí)行臂運動的指令。直接通過圖像比較計算的方式，相對于現(xiàn)有技術中利用多個傳感器數(shù)據(jù)信號疊加計算的方式，具有更高的精確度。本發(fā)明還公開一種執(zhí)行臂末端運動的控制系統(tǒng)。
文檔編號B25J13/08GK102501252SQ20111030161
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權日2011年9月28日
發(fā)明者向瑤, 周繼輝, 周翔 申請人:三一重工股份有限公司