一种挖掘机器人的重复定位精度测试装置及测试方法

1.本发明涉及精度测量技术领域，尤其是涉及一种挖掘机器人的重复定位精度测试装置及测试方法。


背景技术：

2.挖掘机器人是一种对传统的挖掘机进行机器人化改造后能够实现自动控制和智能感知的工程机械。因其能适应极端恶劣环境，在建筑施工、抢险救灾、农业生产、资源开采等多个领域具有广泛的应用前景。
3.重复定位精度是衡量机器人重复多次到达空间同一位置能力的重要性能指标，为了实现对机器人高精度的控制，重复定位精度的测量是一个必不可少的环节。
4.中国专利cn106546270a公开了一种机器人定位精度测试仪及接触式测量方法，该测试仪包括测试主体、支撑架和标准测试球，其中测试主体包括用于测量的五个接触式传感器，五个接触式传感器的轴线相交于一点；支撑架与测试主体底部连接用于支撑固定测试主体。
5.对于大中型的挖掘机器人，由于其空间体积大，重复定位精度不能直接通过人工测量，同时，常用的重复定位精度测量设备虽然精度高，但结构复杂程度高，价格高昂，人员操作难度大。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在重复定位精度测量设备虽然精度高，但结构复杂程度高，价格高昂，人员操作难度大的缺陷而提供一种挖掘机器人的重复定位精度测试装置及测试方法。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种挖掘机器人的重复定位精度测试装置，包括挖掘机器人，所述挖掘机器人包括转台、动臂、斗杆和铲斗，所述转台、动臂、斗杆和铲斗依次串联，所述装置还包括靶标、标尺、上位机和摄像部件；所述靶标可拆卸固定在铲斗上，所述标尺垂直固定在水平地面上，所述标尺位于铲斗的前方，所述摄像部件的摄像平面平行于靶标所在平面，所述摄像部件连接上位机。
9.进一步地，所述上位机包括控制模块和图像处理模块；所述控制模块用于接收挖掘机器人的传感器信息以及向挖掘机器人输出控制信号，以控制挖掘机器人工作装置按预定轨迹运动；所述图像处理模块接收摄像部件拍摄的靶标的位置信息，提取靶标的圆心坐标，以实时显示铲斗的运动轨迹。
10.进一步地，所述靶标的材质为亚力克板，所述靶标的表面喷涂有红色的油漆。
11.进一步地，所述靶标的中心位置设有金属铆钉，所述金属铆钉贯穿靶标，所述金属铆钉通过强力磁铁吸附在铲斗上。
12.进一步地，所述靶标与铲斗之间设有白色方形纸，所述白色方形纸的面积大于靶
标的面积。
13.本方案还提供了一种挖掘机器人的重复定位精度的测试方法，所述测试方法包括以下步骤：
14.s1：摄像部件进行内参数、外参数和畸变系数的标定；规划挖掘机器人定位过程中的轨迹，确定参考轨迹；
15.s2：上位机控制挖掘机器人按照参考轨迹运动，并记录参考轨迹的控制序列；
16.s3：摄像部件拍摄铲斗的实时运动过程，并将拍摄结果传输到图像处理模块，得到靶标圆心的物理坐标；
17.s4：记录挖掘机器人运动到定位点时靶标的圆心坐标以及标尺的位置读数，将本组数据记为参考组；
18.s5：完成参考组数据记录后，挖掘机器人按照参考组的参考轨迹重复运动多次，并记录挖掘机器人运动到定位点时靶标的圆心坐标以及标尺的位置读数，将参考组之后的数据记为测量组；
19.s6：根据参考组与测量组的数据计算挖掘机器人在作业平面内的重复定位精度。
20.进一步地，步骤s1中通过张氏标定法对摄像部件的内参数、外参数和畸变参数进行标定，用于确定图像像素坐标系与挖掘机器人铲斗平面的世界坐标系的位置映射关系，摄像部件参数的具体的标定过程为：
21.将大小已知的标定板固定在铲斗的平面内，上位机控制挖掘机器人的铲斗运动到不同位置，位置固定的摄像部件拍摄20组不同角度的棋盘格图像；
22.对棋盘格图像的特征点进行检测，确定特征点的像素坐标值，根据已知棋盘格标定板大小计算特征点在世界坐标系中的物理坐标值；
23.根据上述测量数据和标定计算模型求解摄像部件的内外参数及畸变系数：通过求解单应矩阵h建立像素坐标系与物理坐标系的位置映射关系，进而可求解相机的内参与外参以及畸变系数，利用l-m算法对相机标定参数进行优化；
24.所述棋盘格的世界坐标系和像素坐标系的空间映射关系描述为：
[0025][0026]
其中，u、v表示像素坐标系中的坐标，xw、yw表示世界坐标系中的坐标；
[0027]
所述单应矩阵描述为：
[0028][0029]
其中，s表示尺度因子，f
x
、fy、γ、u0、v0表示相机的5个内参，r1、r2、t表示相机的外参。
[0030]
进一步地，步骤s1中所述轨迹形状为抛物线，采用5次多项式进行轨迹规划，保证参考轨迹的平滑性，所述参考轨迹在起始点和定位点的速度和加速度均设为零，所述轨迹公式具体描述为：
[0031][0032]
其中，挖掘机机器人在起始点的位姿为挖掘机机器人在定位点的位姿为p点为抛物线顶点，坐标为(h,k)。
[0033]
进一步地，步骤s3的具体过程为：
[0034]
摄像部件实时拍摄挖掘机器人工作装置的运动过程，上位机的图像处理模块对靶标图像进行轮廓提取，采用霍夫变换确定靶标的圆心位置，并实时显示圆心轨迹，通过圆心轨迹确定铲斗轨迹；通过单应性矩阵，将靶圆心的像素坐标转换为世界坐标系中的物理坐标。
[0035]
进一步地，步骤s6的具体过程为：
[0036]
通过计算测量组与参考组的标尺数据的相对位置误差的极值，确定标尺测量的重复定位精度；通过计算测量组与参考组靶标圆心的相对位置误差的极值，确定摄像部件测量的重复定位精度；
[0037]
所述靶标圆心的相对位置误差ei可描述为：
[0038][0039]
其中，参考组靶标圆心的物理坐标为(x
w0
,y
w0
,0)，第i组测量组的靶标圆心的物理坐标为(x
wi
,y
wi
,0)。
[0040]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0041]
(1)本方案通过在挖掘机器人的铲斗上设置靶标，并通过摄像部件拍摄靶标的移动轨迹即铲斗的运动轨迹，并将拍摄的图像上传至上位机中的图像处理模块，得到靶标圆心处即铲斗的图像坐标对应的物理坐标，结合标尺数据的采集，实现挖掘机器人的重复定位精度的测量。测量装置的结构简单，而且测量装置安装方便，测量成本低且实用性强；同时，图像与标尺组合构成的非接触式测量方式，能更方便的实现对体积较大的挖掘机器人的重复定位精度测量，适用范围更广。
[0042]
(2)本方案通过在靶标的表面喷涂红色的油漆，使靶标的颜色与挖掘机器人其它部分的颜色区分开，使摄像部件对靶标的识别更容易，同时在靶标的下方设置面积更大的方形纸，进一步方便了摄像部件对靶标的识别以及相关数据的提取。
[0043]
(3)本方案中在对测量组的数据进行采集时，进行了多组测量组数据的采集，之后再与参考组进行数据的比对与计算，提高了挖掘机器人重复定位精度测量的准确性，且本测量方法流程简单，测试效率高。
附图说明
[0044]
图1为本发明提供的测试装置的结构示意图；
[0045]
图2为本发明提供的挖掘机器人定位过程的参考轨迹图；
[0046]
图3为本发明提供的靶标圆心物理坐标的提取流程图；
[0047]
图4为本发明提供的挖掘机器人的dh坐标系简图；
[0048]
图中：1、转台，2、动臂，3、斗杆，4、铲斗，5、白色方形纸，6、靶标，7、标尺，8、上位机，9、摄像部件。
具体实施方式
[0049]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0050]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0052]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0053]
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0054]
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0055]
实施例1
[0056]
本实施例提供了一种挖掘机器人的重复定位精度测试装置，如图1所示，包括挖掘机器人，挖掘机器人包括转台1、动臂2、斗杆3和铲斗4，转台1、动臂2、斗杆3和铲斗4依次串联，装置还包括靶标6、标尺7、上位机8和摄像部件9；靶标6可拆卸固定在铲斗4上，标尺7垂直固定在水平地面，标尺7位于铲斗4的前方，摄像部件9的摄像平面平行于靶标6所在平面，摄像部件9连接上位机8。
[0057]
本实施例中，对传统挖掘机进行机器人化改造，将传统液压系统替换为电液伺服系统，加装位移传感器用于检测油缸位移，加装运动控制器作为控制系统的核心处理器，改
造后的挖掘机器人能够实现自动控制，可通过上位机8进行远程无线操控。
[0058]
上位机8包括控制模块和图像处理模块；控制模块用于接收挖掘机器人的传感器信息以及向挖掘机器人输出控制信号，以控制挖掘机器人工作装置按预定轨迹运动；图像处理模块接收摄像部件9拍摄的靶标6的位置信息，提取靶标6的圆心坐标，以实时显示铲斗4的运动轨迹。
[0059]
靶标6的材质为亚力克板，靶标6的表面喷涂有红色的油漆。靶标6的中心位置设有金属铆钉，金属铆钉贯穿靶标6，金属铆钉通过强力磁铁吸附在铲斗4上。靶标6与铲斗4之间设有白色方形纸5，白色方形纸5的面积大于靶标6的面积。
[0060]
本方案通过在靶标6的表面喷涂红色的油漆，使靶标6的颜色与挖掘机器人其它部分的颜色区分开，使摄像部件9对靶标6的识别更容易，同时在靶标6的下方设置面积更大的方形纸，进一步方便了摄像部件9对靶标的识别以及相关数据的提取。
[0061]
本实施例还提供了一种挖掘机器人的重复定位精度的测试方法，测试方法包括以下步骤：
[0062]
s1：摄像部件9进行内参数、外参数和畸变系数的标定；规划挖掘机器人定位过程中的轨迹，确定参考轨迹；
[0063]
s2：上位机控制挖掘机器人按照参考轨迹运动，并记录参考轨迹的控制序列；
[0064]
s3：摄像部件9拍摄铲斗4的实时运动过程，并将拍摄结果传输到图像处理模块，得到靶标圆心的物理坐标；
[0065]
s4：记录挖掘机器人运动到定位点时靶标6的圆心坐标以及标尺7的位置读数，将本组数据记为参考组；
[0066]
s5：完成参考组数据记录后，挖掘机器人按照参考组的参考轨迹重复运动多次，并记录挖掘机器人运动到定位点时靶标6的圆心坐标以及标尺7的位置读数，将参考组之后的数据记为测量组；
[0067]
s6：根据参考组与测量组的数据计算挖掘机器人在作业平面内的重复定位精度。
[0068]
步骤s1中通过张氏标定法对摄像部件9的内参数、外参数和畸变参数进行标定，用于确定图像像素坐标系与挖掘机器人铲斗4平面的世界坐标系的位置映射关系。
[0069]
摄像部件9的具体的标定过程为：
[0070]
将大小已知的标定板固定在铲斗4的平面内，上位机8控制挖掘机器人的铲斗4运动到不同位置，位置固定的摄像部件9拍摄20组不同角度的棋盘格图像；
[0071]
对棋盘格图像的特征点进行检测，确定特征点的像素坐标值，根据已知棋盘格标定板大小计算特征点在世界坐标系中的物理坐标值；
[0072]
根据上述测量数据和标定计算模型求解摄像部件9的内外参数及畸变系数：通过求解单应矩阵h建立像素坐标系与物理坐标系的位置映射关系，进而可求解相机的内参与外参以及畸变系数，利用l-m(levenberg-marquardt)算法对相机标定参数进行优化。
[0073]
棋盘格的世界坐标系和像素坐标系的空间映射关系可描述为：
[0074][0075]
其中，u、v表示像素坐标系中的坐标，xw、yw表示世界坐标系中的坐标。
[0076]
单应矩阵可描述为：
[0077][0078]
其中，s表示尺度因子，f
x
、fy、γ、u0、v0表示相机的5个内参，r1、r2、t表示相机的外参。
[0079]
在实际作业过程中，挖掘机器人的转台1是不发生运动的，因此不考虑回转运动，挖掘机器人的工作装置始终在同一平面内，因此选取铲斗4所在平面为物理坐标系zw＝0的平面。本实施例中，标定板采用型号为gp400 12*9的棋盘格标定板。
[0080]
步骤s1中轨迹形状为抛物线，采用5次多项式进行轨迹规划，保证参考轨迹的平滑性，参考轨迹在起始点和定位点的速度和加速度均设为零，轨迹公式具体可描述为：
[0081][0082]
其中，挖掘机器人在起始点的位姿为挖掘机器人在定位点的位姿为p点为抛物线顶点，坐标为(h,k)。
[0083]
在本实施例中，选取平地和挖沟作业为参考，以挖掘机器人从作业结束点返回作业起始点的运动过程为参考轨迹，设计参考轨迹在笛卡尔空间中的轨迹形状为抛物线。如图2所示为挖掘机器人定位过程的参考轨迹图，其中，a点为定位过程起始点，b点为定位点。
[0084]
本实施例步骤s2中，上位机8中的控制模块按照参考轨迹编程控制挖掘机器人的铲斗4末端由初始点运动到定位点，上位机8实时记录每一采样时刻下发给控制器的控制量，记录完成后将控制序列保存。
[0085]
本实施例步骤s3的具体过程为：摄像部件9实时拍摄挖掘机器人工作装置的运动过程，上位机8的图像处理模块对靶标6图像进行轮廓提取，采用霍夫变换确定靶标6的圆心位置，并实时显示圆心轨迹，通过圆心轨迹确定铲斗4轨迹；通过单应性矩阵，将靶标6圆心的像素坐标转换为世界坐标系中的物理坐标。具体的，本实施中，靶标6的圆心坐标以及标尺7的位置读数均保留小数点后一位。如图3所示为靶标6圆心物理坐标的提取流程图。
[0086]
测量组数据的具体过程为，首先，将挖掘机器人的铲斗4末端运动到第一组轨迹的初始点，同时保证动臂2、斗杆3和铲斗4的三个油缸的初始位移与参考组相同。之后，将参考组中记录的控制量序列依次下发给挖掘机器人的控制器，挖掘机器人按照第一组参考轨迹进行运动，重复多次实验并记录下挖掘机器人每次运动到定位点时靶标6圆心坐标以及标尺7的位置读数。在本实施例中，挖掘机器人的控制器采用can通信进行数据传输，控制量序列以10ms传输频率通过上位机8下发给控制器。上位机8在此过程中做的主要工作就是模拟
挖掘机手柄数据通过can通信与控制器进行传输数据，实现挖掘机器人动作的复现。
[0087]
步骤s6的具体过程为：通过计算测量组与参考组标尺数据的相对位置误差的极值，确定标尺7测量的重复定位精度；通过计算测量组与参考组靶标6圆心的相对位置误差的极值，确定摄像部件9测量的重复定位精度；
[0088]
靶标6圆心的相对位置误差ei可描述为：
[0089][0090]
其中，参考组靶标6圆心的物理坐标为(x
w0
,y
w0
,0)，第i组测量组的靶标6圆心的物理坐标为(x
wi
,y
wi
,0)。
[0091]
在本实施例中，挖掘机器人工作装置的运动为x和z方向的平面运动。在两种测量方式获得的重复定位数据中，标尺7测量的结果可表征挖掘机器人在z方向的重复定位精度，摄像部件9测量的结果可表征挖掘机器人在xz平面的重复定位精度。其中，如图4所示为挖掘机器人的dh坐标系简图。
[0092]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种挖掘机器人的重复定位精度测试装置，包括挖掘机器人，所述挖掘机器人包括转台(1)、动臂(2)、斗杆(3)和铲斗(4)，所述转台(1)、动臂(2)、斗杆(3)和铲斗(4)依次串联，其特征在于，所述装置还包括靶标(6)、标尺(7)、上位机(8)和摄像部件(9)；所述靶标(6)可拆卸固定在铲斗(4)上，所述标尺(7)垂直固定在水平地面，所述标尺(7)位于铲斗(4)的前方，所述摄像部件(9)的摄像平面平行于靶标(6)所在平面，所述摄像部件(9)连接上位机(8)。2.根据权利要求1所述的一种挖掘机器人的重复定位精度测试装置，其特征在于，所述上位机(8)包括控制模块和图像处理模块；所述控制模块用于接收挖掘机器人的传感器信息以及向挖掘机器人输出控制信号，以控制挖掘机器人工作装置按预定轨迹运动；所述图像处理模块接收摄像部件(9)拍摄的靶标(6)的位置信息，提取靶标(6)的圆心坐标，以实时显示铲斗(4)的运动轨迹。3.根据权利要求1所述的一种挖掘机器人的重复定位精度测试装置，其特征在于，所述靶标(6)的材质为亚力克板，所述靶标(6)的表面喷涂有红色的油漆。4.根据权利要求3所述的一种挖掘机器人的重复定位精度测试装置，其特征在于，所述靶标(6)的中心位置设有金属铆钉，所述金属铆钉贯穿靶标(6)，所述金属铆钉通过强力磁铁吸附在铲斗(4)上。5.根据权利要求3所述的一种挖掘机器人的重复定位精度测试装置，其特征在于，所述靶标(6)与铲斗(4)之间设有白色方形纸(5)，所述白色方形纸(5)的面积大于靶标(6)的面积。6.一种基于权利要求1-5任一所述的一种挖掘机器人的重复定位精度测试装置的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：s1：对摄像部件(9)进行参数标定；规划挖掘机器人定位过程中的轨迹，确定参考轨迹；s2：上位机(8)控制挖掘机器人按照参考轨迹运动，并记录参考轨迹的控制序列；s3：摄像部件(9)拍摄铲斗(4)的实时运动过程，并将拍摄结果传输到图像处理模块，得到靶标圆心的物理坐标；s4：记录挖掘机器人运动到定位点时靶标(6)的圆心坐标以及标尺(7)的位置读数，将本组数据记为参考组；s5：完成参考组数据记录后，挖掘机器人按照参考组的参考轨迹重复运动多次，并记录挖掘机器人运动到定位点时靶标(6)的圆心坐标以及标尺(7)的位置读数，将参考组之后的数据记为测量组；s6：根据参考组与测量组的数据计算挖掘机器人在作业平面内的重复定位精度。7.根据权利要求6所述的一种挖掘机器人的重复定位精度测试方法，其特征在于，步骤s1中通过张氏标定法对摄像部件(9)的内参数、外参数和畸变参数进行标定，用于确定图像像素坐标系与挖掘机器人铲斗(4)平面的世界坐标系的位置映射关系；摄像部件(9)参数的具体的标定过程为：将大小已知的标定板固定在铲斗(4)的平面内，上位机(8)控制挖掘机器人的铲斗(4)运动到不同位置，位置固定的摄像部件(9)拍摄20组不同角度的棋盘格图像；对棋盘格图像的特征点进行检测，确定特征点的像素坐标值，根据已知棋盘格标定板大小计算特征点在世界坐标系中的物理坐标值；
根据上述测量数据和标定计算模型求解摄像部件(9)的内参数、外参数及畸变系数：通过求解单应矩阵h建立像素坐标系与物理坐标系的位置映射关系，进而可求解相机的内参与外参以及畸变系数，利用l-m算法对相机标定参数进行优化；所述棋盘格的世界坐标系和像素坐标系的空间映射关系描述为：其中，u、v表示像素坐标系中的坐标，x
w
、y
w
表示世界坐标系中的坐标；所述单应矩阵描述为：其中，s表示尺度因子，f
x
、f
y
、γ、u0、v0表示相机的5个内参，r1、r2、t表示相机的外参。8.根据权利要求6所述的一种挖掘机器人的重复定位精度测试方法，其特征在于，步骤s1中所述轨迹形状为抛物线，采用5次多项式进行轨迹规划，保证参考轨迹的平滑性，所述参考轨迹在起始点和定位点的速度和加速度均设为零，所述轨迹公式具体描述为：其中，挖掘机器人在起始点的位姿为挖掘机器人在定位点的位姿为p点为抛物线顶点，坐标为(h,k)。9.根据权利要求6所述的一种挖掘机器人的重复定位精度测试方法，其特征在于，步骤s3的具体过程为：摄像部件(9)实时拍摄挖掘机器人工作装置的运动过程，上位机(8)的图像处理模块对靶标(6)图像进行轮廓提取，采用霍夫变换确定靶标(6)的圆心位置，并实时显示圆心轨迹，通过圆心轨迹确定铲斗(4)轨迹；通过单应性矩阵，将靶标(6)圆心的像素坐标转换为世界坐标系中的物理坐标。10.根据权利要求6所述的一种挖掘机器人的重复定位精度测试方法，其特征在于，步骤s6的具体过程为：通过计算测量组与参考组标尺测量数据的相对位置误差的极值，确定标尺(7)测量的重复定位精度；通过计算测量组与参考组靶标(6)圆心的相对位置误差的极值，确定摄像部件(9)测量的重复定位精度；
靶标(6)圆心的相对位置误差e
i
描述为：其中，参考组靶标(6)圆心的物理坐标为(x
w0
,y
w0
,0)，第i组测量组的靶标(6)圆心的物理坐标为(x
wi
,y
wi
,0)。

技术总结
本发明涉及一种挖掘机器人的重复定位精度测试装置和测试方法，包括挖掘机器人，所述挖掘机器人包括转台、动臂、斗杆和铲斗，所述转台、动臂、斗杆和铲斗依次串联，所述装置还包括靶标、标尺、上位机和摄像部件；所述靶标可拆卸固定在铲斗上，所述标尺垂直固定在水平地面上，所述标尺位于铲斗的前方，所述摄像部件的摄像平面平行于靶标所在平面，所述摄像部件连接上位机；上位机控制挖掘机器人多次重复同一运动轨迹，采用标尺与摄像部件的进行组合标定，实现作业平面方向重复定位精度的非接触式测量。与现有技术相比，本发明具有操作方便、成本低等优点。本低等优点。本低等优点。


技术研发人员：田应仲 段正全 李龙 张泉 王洁羽 林杨乔 金滔
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/11