履帶式挖掘機(jī)器人CCD道路識(shí)別

王福斌,劉 杰,代沅興,陳至坤

(1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧 沈陽 110004;2.河北理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制學(xué)院,河北 唐山 063009)

為實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)器人的無人操縱、自主作業(yè),對(duì)小松液壓挖掘機(jī)進(jìn)行了機(jī)器人化改造.對(duì)行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、工作裝置實(shí)現(xiàn)了全液壓控制.為實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)器人室外路徑識(shí)別,采用CCD攝像頭作為引導(dǎo)線采集傳感器,經(jīng)圖像處理,特征提取、識(shí)別引導(dǎo)線,控制、調(diào)整挖掘機(jī)的姿態(tài),使得挖掘機(jī)能自主沿著引導(dǎo)路徑行進(jìn),為實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的自主作業(yè)打下基礎(chǔ)[1,2].

1 液壓挖掘機(jī)器人行走裝置

液壓挖掘機(jī)器人主要由回轉(zhuǎn)部分,行走部分和工作裝置組成,挖掘機(jī)外觀三維整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.挖掘機(jī)行走裝置由從動(dòng)輪、導(dǎo)引槽、上導(dǎo)軌、履帶輪、行走馬達(dá)、導(dǎo)引輥、履帶等組成.行走部分采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)形式,左右行走控制分別采用1個(gè)液壓馬達(dá),綜合控制不同回路中的液壓馬達(dá),即可實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直線行駛等不同動(dòng)作要求,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)器人行進(jìn)姿態(tài)的調(diào)整.

2 液壓挖掘機(jī)器人行走控制原理

為實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓挖掘機(jī)器人的自動(dòng)控制,對(duì)小松液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改造,采用電液比例控制技術(shù)完成對(duì)挖掘機(jī)行走、回轉(zhuǎn)、工作裝置的控制.電液比例控制系統(tǒng)由放大和校正單元、電液比例控制元件、執(zhí)行元件及動(dòng)力源、信號(hào)檢測(cè)處理裝置等組成.電液比例閥采用的4WRE系列電磁比例換向閥,是帶反饋的直動(dòng)型比例換向閥,通過控制液壓油的流量和流動(dòng)方向,來控制相應(yīng)工作裝置的動(dòng)作.

挖掘機(jī)器人控制系統(tǒng)采用xPC結(jié)構(gòu)搭建,由宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)組成,宿主機(jī)運(yùn)行各種控制算法、圖像處理及特征提取程序.目標(biāo)機(jī)接收宿主機(jī)的命令及傳感器信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制[3].宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊.控制電路原理如圖2所示.由圖像采集、宿主機(jī)、目標(biāo)機(jī)、PCI總線控制卡、比例放大器、電液比例閥、左右行走液壓馬達(dá)等組成.將采集的道路圖像特征作為反饋控制信號(hào),即可實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的自主巡線行走.

3 挖掘機(jī)器人行走路徑圖像處理

攝像頭采集的圖像,由于環(huán)境光線等影響,多含有各種噪聲干擾,帶來圖像處理與識(shí)別的困難.為此,對(duì)攝像頭采集的圖像進(jìn)行了灰度變換、小波去噪、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理,原始路徑圖像及預(yù)處理后的圖像如圖3所示.圖像.增強(qiáng)后的圖像直方圖如圖4所示.

圖3 原始路徑圖像及預(yù)處理后的圖像Fig.3 Image of original path and the pretreated path

從圖中看出,圖像中道路目標(biāo)像素灰度值主要集中在128等級(jí)處,歸一化后約為0.512,選取該閾值對(duì)圖像進(jìn)行分割,效果如圖5a所示,對(duì)圖5a進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)開啟與閉合運(yùn)算后,效果如圖5b所示.

二值化后的圖像,通過邊緣檢測(cè)等方法提取白色路徑特征量,求出挖掘機(jī)與路徑間的位置偏差及挖掘機(jī)行走姿態(tài),即可用來對(duì)左右液壓馬達(dá)進(jìn)行相應(yīng)控制.

4 挖掘機(jī)器人行走路徑識(shí)別與控制

挖掘機(jī)器人行走路徑識(shí)別方法有多種,為提高路徑識(shí)別的精度和可靠性,還要對(duì)分割后的圖像做進(jìn)一步的處理,消除干擾的白色斑點(diǎn).在得到理想的二值圖像后,采用直接邊緣檢測(cè)和跟蹤邊緣檢測(cè)相結(jié)合的識(shí)別方法[4,5].

在每一幀路徑圖像開始的前n行采用直接邊緣檢測(cè)方法,在第n+1行則采用跟蹤邊緣檢測(cè)方法,這樣既可以降低時(shí)間復(fù)雜度,又可以避免跟蹤邊緣檢測(cè)算法在第一行左邊緣有誤差時(shí)可能導(dǎo)致的偏離目標(biāo)指引線的偏差.直接邊緣檢測(cè)行數(shù)n要根據(jù)具體攝像頭分辨率并結(jié)合實(shí)驗(yàn)確定.

直接邊緣檢測(cè)算法如圖6所示.先設(shè)定一個(gè)閾值,從第一行開始,將左邊的像素灰度值減右邊的像素灰度值,自左至右求出路徑圖像中該行相鄰兩像素灰度值的差值,當(dāng)差值大于等于閾值時(shí),則可判定下一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)目標(biāo)指引線的左邊緣,并將此點(diǎn)作為該行提取出的特征點(diǎn),再記錄下此像素點(diǎn)的列號(hào),從而確定該行路徑的左側(cè)位置.

從每幀圖像的第n+1行開始,使用跟蹤邊緣檢測(cè)算法,利用相鄰兩行左邊緣點(diǎn)比較靠近這一特點(diǎn),在已知某行左邊緣點(diǎn)基礎(chǔ)上,搜尋下一行左邊緣點(diǎn)時(shí),只在此像素附近搜尋,跟蹤每行左邊緣,從而更好地降低時(shí)間復(fù)雜度.在首行正確識(shí)別路徑的基礎(chǔ)上,采用跟蹤邊緣算法,保證路徑識(shí)別的可靠性.

為消除可能的噪聲點(diǎn)造成的某行邊緣點(diǎn)偏離情況,采用最小二乘擬合法,選取路徑的左邊緣點(diǎn)作為已知點(diǎn),擬合出一條路徑趨勢(shì)曲線,進(jìn)一步提高路徑識(shí)別率.

5 結(jié)論

改造后的挖掘機(jī)器人是集機(jī)械、液壓、自動(dòng)控制、機(jī)器視覺等技術(shù)于一體的綜合裝置,為保證挖掘機(jī)按規(guī)定的行走路線作業(yè),采用單目攝像頭獲取路徑圖像,圖像經(jīng)預(yù)處理、特征提取等操作,將其特征量作為挖掘機(jī)行走反饋控制信號(hào),經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是可行的.

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