基于图像的挖掘机直线行走控制方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图像处理及挖掘机行走控制技术领域，特别是涉及一种基于图像的挖 掘机直线行走控制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 挖掘机作为一种重要的工程机械，一般都工作在环境恶劣，工况危险的场合。为了 提高挖掘机工作的自动化水平以及保障驾驶员的安全，国内外学者已经对可远程遥控的自 动挖掘机进行了研究。其中，实现挖掘机动臂、斗杆、铲斗、回转、左右行走的精确运动控制 成为了其中最关键的研究内容。
[0003] 而现有技术中，阻碍挖掘机实现直线行走的因素主要有两个方面：
[0004] (1)挖掘机行走时，左右履带处路面松软程度以及地面坡度通常不完全一样，这也 就决定了挖掘机行走时，左右两侧负载不一样。此外，由于左行走装置和右行走装置中的机 械及液压元件不可能完全一样，即使我们给左右行走装置相同的控制信号，挖掘机大多数 情况下并不能沿着预设的直线行走。
[0005] (2)挖掘机多工作在野外，路况复杂，挖掘机在行走时，经常会发生履带滑移，而传 统的检测手段并不能检测到履带的滑移，也就不能对挖掘机的前进方向进行补偿和纠正。
[0006] 针对因素（1)，可通过改变液压系统结构或者在检测液压系统参数的基础上设计 相应的控制系统来实现挖掘机直线行走。但上述方法结构复杂，工作量大，可靠性差。通常 检测的液压系统参数为主栗压力，左右先导手柄压力信号，以及左右行走马达的流量。由于 系统压力存在脉动、压力传感器自身存在零点漂移以及流量计动态响应较差。因此，难以实 现动态的，精确的对挖掘机直线行走过程进行控制。
[0007] 针对因素(2)，当挖掘机履带出现滑移时，系统参数包括液压系统和机械系统参数 并不会改变。控制器也就不能通过检测系统参数来修整控制量，也就不能实现挖掘机直线 行走的功能。
【发明内容】
[0008] 本发明要解决的技术问题是提供一种简单的基于图像的挖掘机直线行走控制方 法及系统。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于图像的挖掘机直线行走控制方法， 包括如下步骤:摄像头周期性获取挖掘机行走方向的图像;根据特征提取算法提取出当前 时刻接收到的图像中的特征点;根据特征匹配算法匹配当前时刻和下一时刻接收到的两张 图像中的特征点;通过坐标变换将匹配后的特征点在图像坐标系下的坐标转换为世界坐标 系下的坐标，并求出匹配后的特征点相对于z轴的平均旋转角度做为挖掘机前进方向的偏 移角γ ;将偏移角γ作为行走控制的控制信号来动态地调整挖掘机直线行走过程。
[0010] 作为对本发明所述的基于图像的挖掘机直线行走控制方法的改进:所述周期性获 取的图像为挖掘机前进方向的地面图像信息。
[0011]作为对本发明所述的基于图像的挖掘机直线行走控制方法的进一步改进:所述特 征点提取步骤包括:依次计算图像中每一点(U，V)与其邻域(x，y)内所有图像点灰度值平方 差的和：
[0013] 其中，Iu, V为图像坐标系中坐标为(u，V)处图像的灰度值；Iu+i, ν+j为图像坐标系中 坐标为(u+i , V+j)处图像的灰度值;对所得的eu, ￥按照从大到小的顺序排序，取eu, V最大的η 个点(u, V)作为所述图像的特征点。
[0014] 作为对本发明所述的基于图像的挖掘机直线行走控制方法的进一步改进:所述特 征点匹配步骤包括:对于t时刻获取的图像中的每一特征点(u t，Vt)，依次计算其与t+ΛΤ时 刻接收到的图像中坐标为(ut+AT， Vt+AT)处邻域(m，η)内的所有特征点的平方差：
[0016] 其中，k为(Ut+Λτ ，vt+Λτ)处邻域(m，n)内特征点的个数，ΛΤ为米样间隔，为1:时 刻接收到的图像中坐标为(u，V)处图像的灰度值；Ii为t+ΛΤ时刻接收到的图像中坐标为 (ut+Λτ,vt+Λτ)处邻域(m,η)内第i个特征点处图像的灰度值;Ei取最小时，t+ΛΤ时刻接收到 的图像中坐标为(ut+Λτ，vt+Λτ)处邻域(m，η)内第i个特征点即为与t时刻获取的图像中的特 征点(u t，Vt)相匹配的特征点;反复执行所述特征匹配算法，得到与t时刻获取的图像中的每 一特征点相匹配的特征点。
[0017] 作为对本发明所述的基于图像的挖掘机直线行走控制方法的进一步改进:所述坐 标变换步骤包括：以挖掘机的回转中心为原点〇,以平行于挖掘机回转马达回转轴向上的方 向为z轴，以平行于挖掘机直线前进的方向为X轴，以垂直于挖掘机直线前进的方向为y轴； 图像坐标系向世界坐标系坐标转换的齐次方程为：
[0019] 作为对本发明所述的基于图像的挖掘机直线行走控制方法的进一步改进:将所述 匹配后的特征点在世界坐标系内相对于z轴的平均旋转角度做为挖掘机前进方向的偏移角 γ包括:口心1^，71^，21^)为1：时刻获取的第；[个特征点的坐标斯(1如么市，7((+^市，2如么市)为七 + ΛΤ时刻获取的第i个特征点的坐标；匹配后的特征点相对Z轴的平均旋转角度γ为：
，其中：1为匹配后的特征点的个数。
[0020] 作为对本发明所述的基于图像的挖掘机直线行走控制方法的进一步改进:所述挖 掘机直线行走步骤如下：当偏移角γ=〇,表示挖掘机沿直线行走时没有出现偏移，挖掘机 继续保持当前运动状态；当偏移角γ>〇,表示挖掘机沿直线行走时出现了向左的偏移，此 时，将偏移角γ经过一个Pi环节处理，作为控制信号输出，实现挖掘机的直线行走；当偏移 角γ〈〇,表示挖掘机沿直线行走时出现了向右的偏移，此时，将偏移角γ经过一个Pl环节处 理，作为控制信号输出，实现挖掘机的直线行走。
[0021] -种基于图像的挖掘机直线行走控制系统，包括在挖掘机上设置的图像采集装 置、与图像采集装置信号连接的控制系统；其特征是:所述图像采集装置为摄像头，该摄像 头设置于挖掘机的机架底部，其摄像头镜头朝地面;所述控制系统包括控制器、左行走先导 阀、右行走先导阀、多路阀、左行走马达、右行走马达;所述控制器由图像处理器和行走控制 器组成;所述图像处理器与摄像头信号连接;所述行走控制器分别与左行走先导阀、右行走 先导阀信号连接;所述左行走先导阀、右行走先导阀分别与多路阀通过液压软管连接;所述 多路阀分别与左行走马达、右行走马达通过液压软管连接;所述左行走马达、右行走马达分 别与挖掘机的动力总成相连接。
[0022] 作为对本发明所述的基于图像的挖掘机直线行走控制系统的改进:所述控制器上 带有模拟量输出板卡。
[0023] -种基于图像的挖掘机直线行走控制系统的使用方法，基于一种基于图像的挖掘 机直线行走控制系统实现；行走控制器输出控制电压信号给左行走先导阀和右行走先导 阀，油液经多路阀的控制流入左行走马达和右行走马达，进而控制挖掘机的直线行走过程； 摄像头周期性采集挖掘机前进方向上的图像信息，并通过将图像信息处理后求得挖掘机行 走装置前进方向的偏移角γ，并将该偏移角γ输入到行走控制器，行走控制器根据所述偏 移角γ来对挖掘机直线行走过程进行控制；其控制方法如下：行走控制器接收图像处理器 传送过来的挖掘机前进方向偏移角γ，并进行判断：如果偏移角γ =〇,表示挖掘机沿直线 行走时没有出现偏移，挖掘机继续保持当前运动状态;如果偏移角γ >〇,表示挖掘机沿直线 行走时出现了向左的偏移，此时，将偏移角γ经过一个Pi环节处理，作为控制信号输出给左 行走先导阀，经多路阀，对左行走马达的流量进行控制，从而调整左侧履带的行走速度，实 现挖掘机的直线行走；如果偏移角γ〈〇,表示挖掘机沿直线行