基于攝影測(cè)量的多瓣液壓抓斗運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

王一鳴 張衛(wèi)東 馮海盈

（河南省計(jì)量測(cè)試科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000）

0 引言

多瓣液壓抓斗是通過(guò)液壓動(dòng)力源提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)多個(gè)顎板的開(kāi)合抓取和卸出散狀物料的一種裝卸或挖掘工作裝置，是散貨起重設(shè)備和挖掘設(shè)備的核心附加屬具，也是一種用途廣泛的液壓類專用設(shè)備［1］。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)多瓣液壓抓斗的研究主要是基于虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行抓斗的設(shè)計(jì)參數(shù)分析、運(yùn)動(dòng)軌跡仿真模擬和顎板的參數(shù)設(shè)計(jì)，但缺少在實(shí)際工況下對(duì)多瓣液壓抓斗運(yùn)動(dòng)過(guò)程的監(jiān)測(cè)?？紤]到多瓣液壓抓斗主要針對(duì)礦石、煤炭、水泥、生活垃圾等散貨物料，其實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境通常比較惡劣［2-8］。為了保證抓斗運(yùn)行的平穩(wěn)可靠，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)事故，提高抓取效率，需要對(duì)液壓抓斗運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)［9］。

因此，本研究設(shè)計(jì)了一種基于攝影測(cè)量的多瓣液壓抓斗運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用雙目視覺(jué)測(cè)量原理，對(duì)液壓六瓣式起重機(jī)抓斗中液壓缸與六瓣抓斗的位移和轉(zhuǎn)角進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

基于攝影測(cè)量的多瓣液壓抓斗運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以2 臺(tái)高精度實(shí)時(shí)攝影測(cè)量相機(jī)為主傳感器，并包含長(zhǎng)度基準(zhǔn)尺、反光標(biāo)志點(diǎn)等輔助部件，如圖1 所示。單個(gè)相機(jī)的有效視場(chǎng)角為65°，在距離4 m 內(nèi)的空間測(cè)量精度優(yōu)于0.085 mm，軟件系統(tǒng)能夠以10 幀/s 的速度對(duì)采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

圖1 監(jiān)測(cè)抓斗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的攝影測(cè)量裝置

通過(guò)軟件控制實(shí)時(shí)采集被測(cè)抓斗的2 幅測(cè)量圖像，經(jīng)雙像前方交會(huì)得到工件特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。使用不同位置的相機(jī)對(duì)同一物體進(jìn)行拍攝，獲取被測(cè)目標(biāo)的2 張不同角度的圖像，從而可得到被測(cè)物體的多個(gè)立體像對(duì)，構(gòu)成多目立體模型。在雙相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)于每個(gè)物方點(diǎn)可列出2 個(gè)共線方程，根據(jù)最小二乘原理，將其聯(lián)立求解可以得到被測(cè)工件上特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

本方案采用的是單、雙相機(jī)聯(lián)合的測(cè)量方法，單相機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)作為抓斗初始狀態(tài)的參考值，雙相機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量的結(jié)果作為測(cè)量值，整個(gè)測(cè)量流程如圖2所示。

圖2 測(cè)量流程

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)

被測(cè)對(duì)象為工程六瓣液壓抓斗，額定抓取量為3 m3，自重為3.2 t，主要應(yīng)用于垃圾處理廠進(jìn)行生活垃圾的裝卸。抓斗張開(kāi)時(shí)最大寬度為4.5 m，抓緊時(shí)最大高度為3.1 m。

測(cè)試前在起重機(jī)固定圓筒表面粘貼足夠數(shù)量的編碼點(diǎn)，如圖3 所示，要求編碼點(diǎn)布設(shè)的位置在起重機(jī)固定圓筒上面均勻分布，在起重機(jī)液壓桿與基座的鉸接處及液壓桿與抓瓣的鉸接處粘貼標(biāo)志點(diǎn)，用于檢測(cè)液壓缸兩端移動(dòng)量。為保證得到標(biāo)志點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，在其旁邊粘貼編碼點(diǎn)。同時(shí)，在抓瓣外表面粘貼編碼點(diǎn)用于抓瓣運(yùn)動(dòng)軌跡的監(jiān)測(cè)。

圖3 已粘貼標(biāo)志點(diǎn)的六瓣液壓抓斗

2.2 單相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定

為保證測(cè)量結(jié)果的量值準(zhǔn)確可靠，首先使用800 mm 基準(zhǔn)尺對(duì)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，如圖4所示，該基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度可溯源至中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。

圖4 用于系統(tǒng)標(biāo)定的800 mm基準(zhǔn)尺

在抓斗靜止時(shí)進(jìn)行標(biāo)定，如圖5 所示，將基準(zhǔn)尺放置在抓斗的適當(dāng)位置，使相機(jī)能夠在一幅圖像中同時(shí)拍攝到抓斗和基準(zhǔn)尺，確保標(biāo)準(zhǔn)尺上的標(biāo)志點(diǎn)不被遮擋。使用單相機(jī)在不同位置和方向獲取被測(cè)工件多幅數(shù)字圖像，經(jīng)圖像預(yù)處理、標(biāo)志識(shí)別與定位、圖像匹配、空間三角交會(huì)及光束法平差后得到待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。對(duì)三維坐標(biāo)進(jìn)行分析得到液壓缸和顎瓣在靜止?fàn)顟B(tài)下的坐標(biāo)和相對(duì)距離，如圖6 所示，以此作為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的參考基準(zhǔn)。

圖5 使用基準(zhǔn)尺進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定

圖6 靜止?fàn)顟B(tài)下標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)的獲取

2.3 雙相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在測(cè)量前，利用400 mm 定向靶對(duì)相機(jī)進(jìn)行定向，如圖7 所示，以確定兩相機(jī)之間的位置和姿態(tài)。同樣地，該定向靶的長(zhǎng)度已進(jìn)行了計(jì)量溯源。

圖7 用于雙相機(jī)位姿標(biāo)定的400 mm定向靶

在保證兩個(gè)相機(jī)相對(duì)位置不變的情況下，根據(jù)三角交會(huì)測(cè)量原理，由像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算得到標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在距離抓斗約3 m，高度2 m 處穩(wěn)定固置雙相機(jī)，雙相機(jī)間基線長(zhǎng)度為2.5 m 左右，如圖8 所示，采用雙相機(jī)對(duì)液壓抓斗的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖8 雙相機(jī)系統(tǒng)在抓斗運(yùn)行時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

3 數(shù)據(jù)處理與分析

對(duì)抓瓣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最直接的方式是采集并計(jì)算抓瓣表面所粘貼的標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)。但在實(shí)際工況下，為保證抓斗的抓滿率，需要使抓瓣切入料堆內(nèi)部達(dá)到一定深度，在這種情況下抓瓣表面的標(biāo)志點(diǎn)容易被物料遮擋，造成測(cè)量不連續(xù)。

由于抓瓣在抓取過(guò)程中形變較小，可近似認(rèn)為是剛體結(jié)構(gòu)，因此可以通過(guò)對(duì)其他關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并基于抓斗結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系，計(jì)算出抓瓣的運(yùn)動(dòng)位置信息，如圖9 所示。本研究同時(shí)采集液壓桿伸出量和鉸接點(diǎn)坐標(biāo)，以保證對(duì)抓斗的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

圖9 抓斗幾何結(jié)構(gòu)示意

3.1 基于液壓桿伸出量的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

需要在液壓缸缸體和柱塞表面分別粘貼標(biāo)志點(diǎn)，通過(guò)兩者相對(duì)距離的變化來(lái)測(cè)量液壓桿的伸出量，從而計(jì)算出液壓桿長(zhǎng)度和抓瓣轉(zhuǎn)角，如圖10 和圖11所示。

圖10 液壓桿長(zhǎng)度（基于液壓缸伸出量）

圖11 抓瓣轉(zhuǎn)角（基于液壓缸伸出量）

從圖中可以看出，抓斗的運(yùn)行過(guò)程并非勻速運(yùn)動(dòng)，這是由于在抓取過(guò)程中，隨著抓斗顎瓣切入料堆的深度不同，物料對(duì)抓瓣阻力的大小和方向也在發(fā)生變化。與此同時(shí)，抓取阻力也與物料特性密切相關(guān)，包括粒度、形狀、容重、內(nèi)摩擦角等。本研究所用物料為切削鐵屑，其抓取過(guò)程比較明顯地分為3 個(gè)快速階段和2個(gè)慢速階段。

3.2 基于鉸接點(diǎn)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

同樣地，在液壓桿和抓瓣鉸接點(diǎn)周圍也粘貼了一圈標(biāo)志點(diǎn)，并通過(guò)圓形擬合計(jì)算圓心的方式得到鉸點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。基于鉸點(diǎn)坐標(biāo)所計(jì)算出的液壓桿長(zhǎng)度和抓瓣轉(zhuǎn)角如圖12和圖13所示。

圖12 液壓桿長(zhǎng)度（基于鉸接點(diǎn)坐標(biāo)）

圖13 抓瓣轉(zhuǎn)角（基于鉸接點(diǎn)坐標(biāo)）

通過(guò)對(duì)比可以看出，基于液壓缸伸出量和基于鉸接點(diǎn)坐標(biāo)所計(jì)算出的液壓桿長(zhǎng)度和抓瓣轉(zhuǎn)角表現(xiàn)出較大的一致性，最大相對(duì)誤差約為0.2%，如圖14所示。

圖14 基于不同標(biāo)志點(diǎn)測(cè)量的相對(duì)誤差

4 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)并完成了一種基于攝影測(cè)量的多瓣液壓抓斗運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于雙目視覺(jué)測(cè)量原理，通過(guò)對(duì)抓斗上特征點(diǎn)實(shí)時(shí)位置的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)抓斗運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，針對(duì)不同特征點(diǎn)測(cè)量所計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)具有較大的一致性，部分標(biāo)志點(diǎn)被遮擋時(shí)能夠保證測(cè)量過(guò)程不中斷，滿足復(fù)雜工況下的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。