一种混凝土泵车臂架防碰撞系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供的混凝土泵车臂架防碰撞系统，包括无线超宽带定位单元，双目立体摄像单元、控制器和报警器；无线超宽带定位单元用于利用无线超宽带定位技术实时定位臂架的各关节点；双目立体摄像单元用于实时获取含有障碍物的图像；控制器连接无线超宽带定位单元和双目立体摄像单元，用于建立空间三维坐标、处理信息和发出指令；报警器连接控制器，用于发出报警指令。与现有技术相比，本实用新型提供的混凝土泵车臂架防碰撞系统，适用于现代混凝土泵车自动浇筑或其他工程机械的智能化控制应用中，减轻了现场工作人员的工作强度，并提高了监测的及时性和精确性。
【专利说明】
一种混凝土泵车臂架防碰撞系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及防碰撞系统，具体而言是一种应用于混凝土栗车臂架的防碰撞系 统。
【背景技术】
[0002] 栗车作为一种混凝土输送及浇筑的专用车型，其应用越来越广。为了满足高层楼 房的建设需求，混凝土栗车的臂架长度及臂节个数的逐渐增多，长度从以前的十几米发展 到现在的101米，臂节个数从以前的2-3节发展到现在的4-7节，浇筑过程中，使得操作员与 信号员之间通过语音等方式传递的操作信息存在误差及延时，易产生误操作引发碰撞事 故。
[0003] 采用红外或激光感应来进行碰撞控制是一种常见的技术手段，一般包括一红外或 激光感应检测单元以及一控制单元，当红外或激光感应检测到的数据小于预先设定的安全 值时，即通知控制单元发出警报或者自动控停机器运动。这类装置一定程度上替代了人工 监控，并克服了人工监控工作强度大、精确性低、反应滞后等问题，但是仍存在几点不足： (1)当栗车臂架发生柔性弯曲和振动时，测量的误差较大；（2)应用到对臂架这类长度过长、 体积过大的物体进行全方位的防碰撞控制时，成本高且运算复杂；（3)容易受到日光或者其 他相近波长光源的干扰。也会受到烟雾、灰尘、雨滴等的干扰。
[0004] 因而，如何克服上述技术问题实现混凝土栗车臂架精准高效地防碰撞控制是一个 亟待解决的技术问题。 【实用新型内容】
[0005] 针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的是提供一种精准高效地混凝土 栗车臂架防碰撞，具体技术方案如下：
[0006] -种混凝土栗车臂架防碰撞系统，包括无线超宽带定位单元，双目立体摄像单元、 控制器和报警器;无线超宽带定位单元用于利用无线超宽带定位技术实时定位臂架的各关 节点；双目立体摄像单元用于实时获取含有障碍物的图像;控制器连接无线超宽带定位单 元和双目立体摄像单元，用于建立空间三维坐标、处理信息和发出指令;报警器连接控制 器，用于发出报警指令。较佳地，空间三维坐标以臂架底座为原点。
[0007]优选地，无线超宽带定位单元包括安装于臂架的各关节点以及臂架底座的定位传 感器，定位传感器用于将定位信息传输至控制器，由控制器计算各关节点之间以及各关节 点与底座之间的距离，从而得出臂架各个关节点的空间坐标值。
[0008] 优选地，双目立体摄像单元为并列的摄像头或双目立体摄像头。
[0009] 更优选地，所述并列的摄像头或双目立体摄像头安装于臂架的末端。此时便于计 算障碍物与双目立体摄像单元之间的距离。
[0010] 优选地，控制器包括图像处理单元、计算单元和建模单元;所述图像处理单元对双 目立体摄像单元获取的障碍物图像信息进行图像去噪处理、视频稳像处理、图像增强处理； 计算单元用于处理无线超宽带定位单元和双目立体摄像单元获取的图像信息，计算臂架各 关节点的空间坐标值、障碍物与双目立体摄像单元之间的距离以及障碍物与臂架之间的距 离是否安全;建模单元用于处理计算单元的计算结果并建立臂架的D-H空间坐标矩阵，构建 针对障碍物包围盒、针对臂架整体的一级包围盒和针对每一节臂架的二级包围盒。通过控 制器建模后，臂架形成了一级包围盒和二级包围盒，障碍物也形成了包围盒，此时计算单元 接收到图像处理单元处理后的图像信息后会依次执行计算任务:臂架一级包围盒和障碍物 包围盒的距离是否安全，如否，继续计算臂架二级包围盒与障碍物包围盒的距离是否安全， 如否，继续计算障碍物和栗车臂架的最小距离是否安全。
[0011] 更优选地，控制器还包括命令单元，用于当障碍物与臂架之间的距离小于安全距 离时向报警器发出报警命令。
[0012]与现有技术相比，本实用新型提供的混凝土栗车臂架防碰撞系统，适用于现代混 凝土栗车自动浇筑或其他工程机械的智能化控制应用中，减轻了现场工作人员的工作强 度，并提高了监测的及时性和精确性。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型的框架不意图；
[0014] 图2为臂架的几何模型；
[0015] 图3为双目摄像头模型俯视图和立体视图；
[0016] 图4为算法流程图；
[0017] 图5为障碍物包围盒的几何效果图；
[0018] 图6为一级包围盒的几何效果图；
[0019] 图7为二级包围盒的几何效果图；
[0020] 图8为障碍物和栗车子臂架距离计算的几何图。
【具体实施方式】
[0021] -种混凝土栗车臂架防碰撞系统，如图1所示，包括无线超宽带定位单元，双目立 体摄像头、控制器和报警器。
[0022] 无线超宽带定位单元，包括安装于臂架的各关节点以及臂架底座的定位传感器， 定位传感器用于将定位信息传输至控制器，由控制器计算各关节点之间以及各关节点与底 座之间的距离，从而得出臂架各个关节点的空间坐标值。如图2为臂架的几何模型，臂架底 座Ao为空间坐标轴的原点，Ai~As的坐标点分别为：
(1)
[0023]
[0024] 其中t表示栗车臂架在当前时刻t的坐标点位置。
[0025] 双目立体摄像头安装于用于臂架的末端，实时获取含有障碍物的图像并传送至控 制器。
[0026] 控制器包括图像处理单元、计算单元、建模单元和命令单元。
[0027] 图像处理单元用于对双目立体摄像单元获取的障碍物图像信息进行图像去噪处 理、视频稳像处理、图像增强处理。由于混凝土栗车施工环境复杂，通过摄像机获取周围环 境的视频图像时常常会受到各种因素的干扰，得到的视频图像中会引入大量噪声，使得获 得的视频图像序列不稳定，降低了障碍物识别的正确率。鉴于上述情况，因此要图像处理单 元对摄像机获取的视频图像地进行图像去噪、视频稳像等预处理，获得无噪平稳的图像序 列。
[0028]在进行图像滤波之前，首先将采集到的RGB三通道彩色图像转换为灰度图，转换计 算方式为：
[0029] Gray = O.299XR+0.587XG+0.114XB (2)
[0030] 将灰度图进行滤波处理，本实用新型采用的滤波算法为高斯滤波算法，其中高斯 滤波的核函数为：
[0031]
(3)
[0032] 高斯滤波的过程通过图像和高斯核函数进行卷积运行来实现，通过高斯滤波抑制 图像中的高频分量，减少图像灰度值变化较大较快的部分，并去除过小细节或将目标内的 小间断连接起来。
[0033] 另外一方面，摄像头在采集静态场景的过程中，由于摄像头的随意抖动，使得获得 的视频图像序列不稳定，场景中原来静止物体，在视频的前一帧图像和当前帧图像中物体 位置会发生偏移，增加了对目标识别和分析的难度，因此在对视频图像中目标物进行识别 和分析之前，要对视频图像进行去抖动处理，即要对视频图像序列进行稳像处理。
[0034] 本实用新型主要通过基于AfTine仿射模型的运动补偿算法实现视频图像序列的 稳像处理。假设当前采集图像相对于参考图像的运动矢量为：
[0035] a 一 ( ?1, ?2 , ?3 , ?4 , ?5 , ?6 ) ( 4 )
[0036] 则图像序列相邻的两帧存在如下的变换关系：
[0037] I(x，y，t) = I(aix+a2y+a5，a3X+a4y+a6，t_l) (5)
[0038] 其中摄像头的拍摄运动模型符合如下的数学公式：
[0039]
⑷
[0040] 其中X1 ,Y1为当前帧目标点的坐标，X」，Yj为参考帧目标点的坐标。矩阵用来 表示两帧之间的旋转信息，缩放信息以及各种畸变信息，矩阵表示两帧之间的平移信 息。
[0041] 根据公式6可知，通过计算出ai~a6这六个参数即可确定图像的仿射变换矩阵，实 现视频帧之间的运动补偿，从而达到视频稳像的功能。这里，可以通过计算相邻帧之间的最 小误差来来求解S 1Wa6这六个参数，最小误差定义为：
(rJ \
[0042]
[0043] 其中Ω为图像帧中用户的感兴趣区域。将公式8进行泰勒展开，得到如下公式：
[0044]
(8)
[0045] 其中S=lt+xlx+yly，mT= (xlx，ylx，xly，yly，lx，ly)，lx，ly, It分另丨」为图像强度对坐 标点X，y以及时间t的偏导数。
[0046] 根据公式7和公式8,可以获得参数a求解公式：
[0047]
(9)
[0048] 通过公式9,可以计算得到使得误差E逼近零的向量解，从而实现图像的稳像功能。 [0049] 计算单元与建模单元是控制器信息处理的核心单元，两者交叉协同处理图像处理 单元处理后的图像信息。其中，计算单元用于处理无线超宽带定位单元和双目立体摄像单 元获取的信息，计算臂架各关节点的空间坐标值、障碍物与双目立体摄像单元之间的距离 以及障碍物与臂架之间的距离是否安全;建模单元用于处理计算单元的计算结果并建立臂 架的D-H空间坐标矩阵，构建针对障碍物包围盒、针对臂架整体的一级包围盒和针对每一节 臂架的二级包围盒。
[0050] 图3为双目摄像头模型俯视图和立体视图。根据图3,这里假设两摄像机的投影中 心连线的距离为T，相机焦距为f，两摄像机在同一时刻观看物体的同一特征点为P(x c，yc， z。），两摄像机所采集的图像中目标的坐标点位置分别
[0051] 由于两个摄像机处于同一高度进行摄像，因此目标点在左右图像中的纵坐标点相 同，即yi = yr。根据现有技术文献，PiUi，yi)，？1'(11'，71〇和？(1。，7。，2。)存在如下的关系式：
(H)
[0052]
[0053]左右两个摄像机所采集的图像的视差可以通过如下公式表示：
[0054] D = Xi-Xr (11)
[0055] 再枏据二角形的相似性原理可以得到：
[0056]
(丄幻
[0057] 根据公式7可知，当摄像机的几何位置固定时，某点与摄像机光心间的距离仅仅由 此点的视差决定的。
[0058] 构建针对臂架和障碍物的包围盒是一种实用的防碰撞的方法。其中球形包围盒构 造简单，且其相交检测计算复杂度低。球形包围盒的确定只需要通过设置球体中心点坐标 (X0, yo, ZQ)以及球体半径r获得。
[0059] 假设目标对象各个几何顶点坐标为(Xl，yi，Zl)，i = l，...，N，那么球形包围盒的球 心为：
[0060] (13)
[00611球心坐标和各个顶点的距离分别为d^cb，. . .dN，那么球形包围盒的半径为：
[0062] r=max(di，d2, · · .(In) (14)
[0063] 基于球形包围盒的相交测试较为简单，只要对比两个球心的距离和两个球心的半 径之后即可。
[0064] 本实用新型提出一种改进的多层次包围盒防碰撞算法。该算法将建立一种新型的 多层次的分级包围盒防碰撞检测算法。整个算法流程图如下图4所示：
[0065] 首先对障碍物进行球形包围盒的建立，假设障碍物形状为一个标准的长方体，因 此直接选择球形包围盒，其几何效果图如图5所示：
[0066] 由于障碍物为规则的长方体，因此，其球心坐标为长方体的中心点，通过计算长方 体顶点坐标的平均值获得，球体半径为长方体对角线的一半。
[0067] 图6、7分别为一级包围盒和二级包围盒的几何效果图。由于栗车臂架结构较为复 杂，在建立包围盒的时候，首先需要建立一级包围盒，一级包围盒的球心坐标和半径的确定 根据公式13和公式14来获得。二级包围盒的建立，主要是针对栗车臂架各个子关节建立包 围盒。二级包围盒根据栗车臂架的各个关节节点进行划分，二级包围盒的球心坐标为每个 子栗车臂架两个端点的平均值，半径为该臂节长度的一半。
[0068] 本实用新型根据所建立的多层次包围盒提出了一种新型防碰撞策略，该策略具体 步骤如下所示：
[0069] 步骤一:栗车臂架一级包围盒和障碍物包围盒的相交检测，即检测公式15是否满 足条件：
[0070]
(15)
[0071]白_个扭围显琢心I日」距入于两球半径和，则不相交，说明栗车臂架是安全的；当两 个包围盒球心间距小于两球半径和，则相交，说明栗车臂架可能存在碰撞风险，策略转入步 骤二。
[0072] 这个步骤相当于防碰撞算法的初步估计，通过该步骤可以快速确定栗车臂架是否 存在安全隐患，如果存在隐患，则可以快速定位具体的某一臂架可能存在的安全隐患。
[0073] 步骤二：当一级包围盒和障碍物包围盒相交的时候，对离相交区域最近的栗车子 臂架建立二级包围盒。栗车臂架二级包围盒和障碍物包围盒的相交检测，当两个包围盒球 心间距大于两球半径和，则不相交，说明栗车臂架是安全的；当两个包围盒球心间距小于两 球半径和，则相交，说明栗车臂架可能存在碰撞风险，策略转入步骤三。
[0074] 通过该步骤，可以确定栗车臂架和障碍物距离最近的区域，然后根据相交检测结 果，确定是否需要计算距离。
[0075] 步骤三:障碍物和栗车子臂架的距离计算，这里，根据图8的几何图可知，这里障碍 物和栗车臂架的距离问题可以转换为线段到一个平面的最小距离问题，由于传统的计算方 法非常复杂，为了提高计算效率，本实用新型提出一种改进后的快速距离计算方法。
[0076] 这里假设与障碍物包围盒相交的栗车子臂架两个节点坐标为(X1，yi，Z1)和( X2，y2， Z2)，EE1D1D平面四个点坐标>
3首先考虑坐标值中某个轴相同的情 况。
[0077] iX1 = X2的时候，臂架和障碍物一个面的最小距离可以等效为两个平行平面之间 的距离，此时，间距j
[0078] 当71 = 72或者Z1 = Z2的时候，臂架和障碍物一个面的最小距离可以等效为两个垂 直平面之间的距离，此时，间M
[0079] 当Xl辛12,71辛72,21^^2的时候，计算方式较为复杂，需要同时确定机械臂和障碍 物之间的法线以及对应的坐标点，这个计算量较大。这里本实用新型提出一种改进后的近 似计算方法。由于臂架和障碍物一个面的最小距离可以等效为空间任意一个平面和已知平 面的最小距离，此时需要同时计算三个距离，然后选择最小的一个，计算公式如下：
[0080] (16)
[0081] (IT)
[0082] (IB)
[0083]
[0084] (19)
[0085] 当臂架离障碍物的最小距离坐标点大于障碍物坐标点的时候，通过计算dl，d2，d3 的最小值获得臂架和障碍物的间距，当臂架离障碍物的最小距离坐标点小于等于障碍物坐 标点的时候，则直接赋值为〇,那么臂架和障碍物存在碰撞的可能性。
[0086]通过上述的步骤，可以获得臂架和障碍物之间的最小距离，然后和预先设置的安 全距离阈值进行对比，如果小于安全阈值，则报警，如果大于安全距离，则操作安全，不进行 报警。
【主权项】
1. 一种混凝土栗车臂架防碰撞系统，其特征在于:包括无线超宽带定位单元，双目立体 摄像单元、控制器和报警器;无线超宽带定位单元用于利用无线超宽带定位技术实时定位 臂架的各关节点；双目立体摄像单元用于实时获取含有障碍物的图像;控制器连接无线超 宽带定位单元和双目立体摄像单元，用于建立空间三维坐标、处理信息和发出指令;报警器 连接控制器，用于发出报警指令。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于:无线超宽带定位单元包括安装于臂架的各 关节点以及臂架底座的定位传感器，定位传感器用于将定位信息传输至控制器，由控制器 计算各关节点之间以及各关节点与底座之间的距离，从而得出臂架各个关节点的空间坐标 值。3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于:所述双目立体摄像单元为并列的摄像头或 双目立体摄像头。4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于:所述并列的摄像头或双目立体摄像头安装 于臂架的末端。5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于:控制器包括图像处理单元、计算单元和建 模单元;所述图像处理单元对双目立体摄像单元获取的障碍物图像信息进行图像去噪处 理、视频稳像处理、图像增强处理;计算单元用于处理无线超宽带定位单元和双目立体摄像 单元获取的图像信息，计算臂架各关节点的空间坐标值、障碍物与双目立体摄像单元之间 的距离以及障碍物与臂架之间的距离是否安全;建模单元用于处理计算单元的计算结果并 建立臂架的D-H空间坐标矩阵，构建针对障碍物包围盒、针对臂架整体的一级包围盒和针对 每一节臂架的二级包围盒。6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于:控制器还包括命令单元，用于当障碍物与 臂架之间的距离小于安全距离时向报警器发出报警命令。
【文档编号】G01C11/02GK205537632SQ201620259197
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】盛孟刚, 郑晓辉, 陈茂清
【申请人】湘潭大学