一種特型多自由度自動對接裝置及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種特型多自由度自動對接裝置及其工作方法，尤其涉及一種軍用裝甲車裝配生產線上實現(xiàn)各種型號車輛發(fā)動機與變速箱對接的多自由度自動對接裝置及其工作方法，屬于控制領域。本裝置包括特型多自由度運動平臺、控制系統(tǒng)和雙目視覺系統(tǒng)。雙目視覺系統(tǒng)放置在特型多自由度運動平臺旁邊的支架上，由左右攝像機和圖像處理系統(tǒng)構成，左右攝像機分別通過網線與圖像處理系統(tǒng)連接，圖像處理系統(tǒng)通過網線與控制系統(tǒng)連接。本裝置使變速箱與發(fā)動機實現(xiàn)自動對接，智能高效，避免了傳統(tǒng)對接中人工手推式對接所產生的工作量，減少工人勞動強度，操作方便靈活，工時短，提高生產效率，精度高，可靠性好。
【專利說明】
一種特型多自由度自動對接裝置及其工作方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種特型多自由度自動對接裝置及其工作方法，尤其涉及一種軍用裝 甲車裝配生產線上實現(xiàn)各種型號車輛發(fā)動機與變速箱對接的多自由度自動對接裝置及其 工作方法，屬于控制領域。
【背景技術】
[0002] 在軍用裝甲車裝配線上，需要將發(fā)動機和變速箱裝配在一起，目前采用的方法是 人工對接，先將發(fā)動機固定在一個支架上，然后將變速箱用吊車吊起，通過人工調節(jié)變速箱 的位置和角度，直到變速箱和發(fā)動機的中心軸線一致，發(fā)動機的內齒和變速箱的外齒擬合， 然后外殼通過法蘭盤固定在一起。該方法需要多人配合安裝，而且中心軸線不易調節(jié)，使用 不便。特型多自由度自動對接裝置結構簡單，使用方便，不需要人工推動變速箱而是由特型 多自由度自動對接裝置來實現(xiàn)發(fā)動機和變速箱的自動對接;特型多自由度自動對接裝置運 動靈活，可快速實現(xiàn)多自由度運動調節(jié)，調整變速箱的位置和角度使變速箱與發(fā)動機實現(xiàn) 自動對接，智能高效;所述特型多自由度自動對接裝置執(zhí)行機構根據(jù)實際問題中所需的承 載力來設計使用不同型號的缸，從而實現(xiàn)大型軍用裝甲車發(fā)動機與變速箱之間的對接，方 便實用。
【發(fā)明內容】
[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決軍用裝甲車發(fā)動機和變速箱的裝配問題，提出了一種特 型多自由度自動對接裝置及其工作方法。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。
[0005] -種特型多自由度自動對接裝置及其工作方法為:將發(fā)動機固定在第一支架上， 將變速箱放置在特型多自由度運動平臺上，并在需要對接的發(fā)動機和變速箱側面相應位置 上分別貼三個特征明顯的標志點，雙目視覺系統(tǒng)通過左右攝像機實時采集包含變速箱與發(fā) 動機側面標志點的圖像信息并傳送給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)對獲取的標志點圖像信 息進行實時分析與處理得到變速箱與發(fā)動機的位置和角度信息，運用一定的算法得到特型 多自由度運動平臺所需要的運動參數(shù)，并通過網線將特型多自由度運動平臺所需要的運動 參數(shù)傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過接收運動參數(shù)來控制特型多自由度運動平臺分別進行 六個自由度的運動，從而調節(jié)變速箱的位置和角度，直到變速箱與發(fā)動機的中心軸線一致， 使得發(fā)動機的內齒與變速箱的外齒擬合，通過外殼的法蘭盤固定在一起，最后控制特型多 自由度運動平臺恢復至初始狀態(tài)，同時放入第二支架支撐變速箱，使變速箱和發(fā)動機分別 由支架支撐。本系統(tǒng)的設計方案在實現(xiàn)變速箱與發(fā)動機的對接過程中智能化程度較高，由 雙目視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)即可控制運動平臺調節(jié)變速箱的位置和角度實現(xiàn)發(fā)動機與變速 箱的自動對接，方便快捷，智能高效，可大大減少人力成本。
[0006] 依據(jù)本發(fā)明所述的設計方法制作的特型多自由度自動對接裝置，包括特型多自由 度運動平臺、控制系統(tǒng)和雙目視覺系統(tǒng)。
[0007] 特型多自由度運動平臺由三對不同類型的缸、上平臺和下平臺及虎克鉸組成，主 要用于實現(xiàn)六個自由度運動。由于對接過程中變速箱前后的位移量很大，所以與傳統(tǒng)的 Stewart平臺不同，六根缸中的后端兩根缸行程較長，前端兩根缸較短，桿徑較大，承載力較 強。中間兩根缸行程和桿徑皆介于前后兩對缸的指標之間。六根缸通過虎克鉸分別與上平 臺和下平臺連接在一起。
[0008] 控制系統(tǒng)由控制器、驅動器及其他外圍電路板組成，放置在一個控制箱里面，主要 用來接收圖像處理系統(tǒng)傳來的參數(shù)，完成特型多自由度運動平臺的反解運算，采用相應的 控制算法實現(xiàn)六根缸的控制。
[0009] 雙目視覺系統(tǒng)由左右攝像機和圖像處理系統(tǒng)組成，在使用雙目視覺系統(tǒng)之前需要 先對左右攝像機進行標定得到左右攝像機內外參數(shù)，再通過雙目標定得到左右攝像機之間 的位置關系。標定完成后左右攝像機用來實時采集變速箱與發(fā)動機上所貼標志點的圖像信 息，并將對應標志點的圖像信息傳遞給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)對所得到的圖像信息 經過圖像預處理，采用特征點匹配，三維測量等機器視覺算法得到特征點的空間位置參數(shù)， 接著對變速箱側面標志點和發(fā)動機側面標志點進行實時標定，得出兩標志點之間的位置關 系，進而通過一定的算法解算出特型多自由度運動平臺所需要的運動參數(shù)，并將運動參數(shù) 通過網線傳送給控制系統(tǒng)。
[0010] 自動對接系統(tǒng)各部分之間的連接關系為:六根缸分別通過上端虎克鉸和下端虎克 鉸與上平臺和下平臺連接，控制系統(tǒng)放置在控制箱里，控制箱放置在下平臺的中心位置，控 制箱通過電纜與六根缸連接。雙目視覺系統(tǒng)放置在特型多自由度運動平臺旁邊的支架上， 由左右攝像機和圖像處理系統(tǒng)構成，左右攝像機分別通過網線與圖像處理系統(tǒng)連接，圖像 處理系統(tǒng)通過網線與控制系統(tǒng)連接。
[0011] 本發(fā)明的特型多自由度對接裝置的具體工作方法如下：
[0012] 步驟一:雙目視覺系統(tǒng)標定
[0013] 所述雙目視覺系統(tǒng)安裝于特型多自由度自動對接系統(tǒng)后需要對所述左右攝像機 進行標定，分別獲得所述左右攝像機的內外參數(shù)：
[0014]對左右攝像機單獨標定，分別得到左攝像機A和右攝像機B的有效焦距f、圖像主點 坐標(U〇，vO)、尺度因子fx和fy等內參數(shù)，以及其各自正交旋轉矩陣R和平移向量T等外參 數(shù)，并通過外參數(shù)計算得到攝像機A和B之間的相對位置關系；
[0015] 步驟二:在發(fā)動機和變速箱側面相應位置貼標志點
[0016] 裝配人員通過吊車將發(fā)動機放置在第一支架上，將變速箱放置于特型多自由度運 動平臺上，并分別于發(fā)動機側面和變速箱側面相應位置處各貼三個特征明顯的標志點。
[0017] 步驟三:雙目視覺系統(tǒng)信息采集與處理
[0018] 由雙目攝像機對包含標志點信息的所需對接變速箱與固定位置發(fā)動機側面進行 信息采集，并將所采集圖像信息傳送給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)對所采集的圖像信息 進行預處理，采用目標檢測算法獲得標志點信息，經過特征點匹配、三維測量等計算機視覺 算法運算得到特征點的空間位置信息，進而得到特型多自由度運動平臺所需要的位移量， 旋轉角度等運動參數(shù)；
[0019] 所述雙目視覺系統(tǒng)的信息采集與處理方法如下：
[0020] 采集:所述雙目攝像機AB對包含標志點圖像信息的所需對接的發(fā)動機與變速箱側 面進行圖像獲取，以采集包含標志點圖像信息的發(fā)動機與變速箱側面的雙目數(shù)字圖像信 息；
[0021]處理:首先對雙目圖像信息進行濾波、去噪等預處理，得到清晰的圖像后進行邊緣 分割、特征提取、立體匹配處理，得到空間點Ρ(χ，γ，ζ)在兩幅數(shù)字圖像中對應的像素點坐標 對，其中(Xa，Ya，Za)和(Xb，Yb，Zb )分別為空間點P在攝像機A和攝像機B坐標系中的坐標，然后 根據(jù)下式采用最小二乘法求解得到空間點P在攝像機坐標系（以左攝像機坐標系為攝像機 坐標系）中的三維坐標(X，Y，Z) |cam:
[0025] 和?％(^ = 1，2,3,4)分別為空間投影矩陣?#帆第1行第」列元素;通過上述 算法解析即可得到三對標志點對應的空間位置坐標信息。
[0026] 步驟四：解算出特型多自由度運動平臺的運動參數(shù)
[0027]通過步驟三可以得到變速箱側面標志點在左攝像機坐標系下的坐標表示為PL (Xu，YLk，ZLk) (k = 1，2，3)，發(fā)動機側面標志點在左攝像機坐標系下的坐標表示為PR(XRk， YRk，ZRk) (k = 1，2，3))。在得到相應坐標后，由坐標之間的對應關系經計算可解算出多自由 度運動平臺所需要的運動參數(shù)(θ，φ，Φ，1^，1^，1: 2)。方法如下：
[0028] (1)解算出多自由度運動平臺的旋轉參數(shù)(θ，φ，Φ )
[0029] 變速箱要與發(fā)動機實現(xiàn)精確對接，其旋轉參數(shù)可以用矢量和矢量/^之間的參 數(shù)變換得到，即在攝像機坐標系下：
[0030] 矢量之可表示為：
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]且Zjak與4之間存在如下關系:/^純=4 (k二1，2, 3)其中，
[0038] 故可由上式得到對接系統(tǒng)所需要的旋轉參數(shù)(θ，φ，φ ).
[0039] (2)解算出多自由度運動平臺的平移參數(shù)(tx，ty，t z)
[0040] ①初次使用該特型多自由度自動對接系統(tǒng)時，經步驟二將標志點貼于變速箱和發(fā) 動機側面相應位置后，為得到對接完成后各標志點在攝像機坐標系下的對應坐標值，還需 要人工將變速箱和發(fā)動機進行對接，對接完成后通過步驟三可以得到對接完成狀態(tài)下發(fā)動 機側面標志點與變速箱側面標志點的坐標，從而得到對接完成狀態(tài)下對應標志點間的對應 位置關系
[0041 ] ( Δ tx=XRk-XLk，A ty = YRk-YLk，A tz = ZRk-ZLk) ·
[0042] 【注:再次對接時不需要進行此步操作，可直接進行自動對接?！?br>[0043] ②經（1)中得到多自由度運動平臺旋轉參數(shù)后，由雙目視覺系統(tǒng)可得到當變速箱 偵Ij面標志點的實時坐標PL (Xu，Yu，Zu)(k = 1，2，3 )，發(fā)動機側面標志點的實時坐標Pr (XRk， ￥&，21^)仏=1，2,3)。由此可得到多自由度運動平臺所需要的實時給定平移參數(shù)
[0044] tx=XRk-XLk- Δ tx，ty = YRk-YLk- Δ ty，tz = ZRk-ZLk- Δ tz) 〇
[0045] 由此經上述步驟即得到了對接所需要的多自由度運動平臺的旋轉參數(shù)和平移參 Φ ，tx，ty，tz)〇
[0046] 步驟五：圖像處理系統(tǒng)將所得到的特型多自由度運動平臺運動參數(shù)（θ，φ，φ，tx， ty，tz)傳送給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制特型多自由度運動平臺作垂直方向的升降運動和 旋轉運動，直到發(fā)動機上標志點和對應變速箱上相應標志點處于一個水平方向上，此時發(fā) 動機和變速箱處于同一個水平軸上。
[0047]步驟六:重復步驟三四五，由控制系統(tǒng)控制特型多自由度運動平臺作水平方向的 運動，直到發(fā)動機與變速箱的齒輪擬合，然后將發(fā)動機與變速箱外殼的法蘭盤連接在一起， 完成對接。
[0048] 步驟七:完成對接后，控制系統(tǒng)自動控制特型多自由度運動平臺恢復到初始狀態(tài)， 同時放入第二支架，將變速箱放置在該支架上。
[0049] 有益效果
[0050]本發(fā)明的有益效果概述如下：
[0051 ] (1)與現(xiàn)有技術相比所述用于發(fā)動機與變速箱對接的特型多自由度自動對接裝置 在進行發(fā)動機與變速箱齒輪對接時，能夠通過雙目視覺系統(tǒng)自動獲取發(fā)動機和變速箱的位 置信息，解算出特型多自由度運動平臺所需要的運動參數(shù)，傳遞給控制系統(tǒng)，從而由控制系 統(tǒng)控制調整運動平臺的姿態(tài)使變速箱與發(fā)動機實現(xiàn)自動對接，智能高效，避免了傳統(tǒng)對接 中人工手推式對接所產生的工作量，減少工人勞動強度。
[0052] (2)所述特型多自由度自動對接裝置其運動機構具有六個運動自由度，可以任意 調節(jié)其姿態(tài)，所以其運動過程更加靈活，可以快速、準確地實現(xiàn)對接。操作方便靈活，工時 短，提尚生廣效率。
[0053] (3)該特型多自由度對接裝置主體結構與傳統(tǒng)六自由度搖擺臺相比，運動平臺由 三對不同型號的缸所組成，以適應對接過程中運動平臺的運動作用于每組缸上不同的負載 能力和位移需要，精度高，可靠性好。
【附圖說明】
[0054] 圖1為初始狀態(tài)下的特型多自由度運動平臺示意圖；
[0055] 圖2為運動狀態(tài)下的特型多自由度自動對接裝置結構示意圖；
[0056]圖3為雙目視覺系統(tǒng)結構示意圖；
[0057] 圖4為所需對接變速箱側面示意圖；
[0058] 圖5為所需對接發(fā)動機側面示意圖；
[0059]圖6為對接完成后的狀態(tài)不意圖。
[0060] 圖中，1、2-類型1缸;3、4_類型2缸;5、6_類型3缸;7-上平臺；8-下平臺；9-控制箱； 10-控制系統(tǒng);11-變速箱;12-發(fā)動機;13-第一支架;14-左攝像機A; 15-右攝像機B; 16-圖像 處理系統(tǒng)；17-雙目視覺系統(tǒng)支撐平臺；18-變速箱側面標志點；19-發(fā)動機側面標志點；20-第二支架。
【具體實施方式】
[0061] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述。
[0062] -種特型多自由度自動對接裝置，包括:特型多自由度運動平臺、控制箱9、雙目視 覺系統(tǒng)三部分組成。如圖1所示，特型多自由度運動平臺由三對不同類型的缸類型1缸、類型 2缸、類型3缸，上平臺7和下平臺8及虎克鉸組成，主要用于實現(xiàn)六個自由度運動，六根缸1、 2、3、4、5、6分別通過上端虎克鉸和下端虎克鉸與上平臺7和下平臺8連接;控制系統(tǒng)10放置 在控制箱9里，控制箱9放置在下平臺8的中心位置，控制箱9通過電纜與六根缸連接。如圖2 所示，雙目視覺系統(tǒng)放置在特型多自由度運動平臺旁邊，雙目視覺系統(tǒng)由左攝像機14、右攝 像機15和圖像處理系統(tǒng)16組成，左攝像機14和右攝像機15用來采集圖像信息，通過網線與 圖像處理系統(tǒng)16連接，圖像處理系統(tǒng)16通過網線與控制系統(tǒng)10連接，圖像處理系統(tǒng)16對圖 像信息進行處理后將得到的運動平臺參數(shù)傳送給控制系統(tǒng)10,控制系統(tǒng)10得到控制信號即 可控制特型多自由度運動平臺的運行。
[0063] 所述特型多自由度運動平臺與傳統(tǒng)的Stewart平臺不同。由于對接過程中變速箱 前后的位移量很大，后端類型1缸兩根缸1、2行程較長;前端類型3缸兩根缸5、6較短，桿徑較 大，承載力較強；中間類型2兩根缸3、6行程和桿徑皆介于前后兩對缸的指標之間。
[0064]所述控制系統(tǒng)10放置在控制箱9里面，主要用來接收圖像處理系統(tǒng)16傳來的運動 參數(shù)，完成特型多自由度運動平臺的反解運算，采用相應的控制算法實現(xiàn)六根缸的控制。 [0065]如圖3所述雙目視覺系統(tǒng)由左攝像機14、右攝像機15、圖像處理系統(tǒng)16組成，整個 系統(tǒng)放置在第一支架17上。在使用雙目視覺系統(tǒng)之前需要先對左攝像機14和右攝像機15進 行單獨標定得到左右攝像機內外參數(shù)，再通過雙目標定得到左攝像機14和右攝像機15之間 的位置關系。標定完成后左攝像機14和右攝像機15用于采集圖4所示包含變速箱側面標志 點18和圖5所示發(fā)動機側面標志點19的圖像信息，并將采集到的圖像通過網線傳送給圖像 處理系統(tǒng)16,圖像處理系統(tǒng)16對所獲取的圖像信息進行預處理，得到清晰的圖像后通過圖 像處理相關算法識別出圖4和圖5中對應的三個變速箱側面標志點18和對應的三個發(fā)動機 側面標志點19,并由圖像處理系統(tǒng)16通過一定的機器視覺算法得出變速箱側面標志點18在 攝像機坐標系下的空間坐標Pl(X Lk，YLk，ZLk) (k = 1，2，3)，發(fā)動機側面標志點19在攝像機坐 標系下的空間坐標PR(XRk，YRk，ZriO (k = 1，2，3)，進而通過一定的計算解算出運動平臺所需 要的旋轉運動參數(shù)(Θ，Φ，Φ )，平移運動參數(shù)(1^，1^，1:2)。從而得到對接所需要的多自由度運 動平臺所需要給定的運動參數(shù)( Θ，Φ，Φ，tX，ty，tZ)。
[0066] 如圖4為帶有變速箱側面標志點18的變速箱側面示意圖，圖5為包含發(fā)動機側面標 志點19的發(fā)動機側面示意圖，在發(fā)動機12和變速箱11對接前由操作工人將相應標志點貼于 實現(xiàn)對接所需的相應位置處，為雙目視覺系統(tǒng)采集圖像信息提供參考。
[0067] 如圖2所示為運動狀態(tài)下的特型多自由度對接裝置部分結構示意圖，具體工作方 法如下：
[0068]步驟一:雙目視覺系統(tǒng)標定
[0069] 所述雙目視覺系統(tǒng)安裝于特型多自由度自動對接系統(tǒng)后需要對所述雙目視覺進 行標定，分別獲得所述雙目視覺系統(tǒng)的內外參數(shù)。
[0070] 對雙目視覺單獨標定，分別得到左攝像機14和右攝像機15的有效焦距f、圖像主點 坐標(U〇，vO)、尺度因子fx和fy等內參數(shù)，以及其各自正交旋轉矩陣R和平移向量T等外參 數(shù)，并通過雙目標定計算得到左攝像機14和右攝像機15之間的相對位置關系；
[0071] 步驟二:在發(fā)動機和變速箱側面相應位置貼標志點
[0072] 裝配人員通過吊車將發(fā)動機12放置在第一支架上，將變速箱11放置于特型多自由 度運動平臺上，并將特征明顯的標志點18貼于變速箱11側面，將標志點19貼于發(fā)動機12側 面的對應位置。
[0073]步驟三:雙目視覺系統(tǒng)信息采集與處理
[0074]由雙目攝像機14、15對包含變速箱標志點18和發(fā)動機標志點19信息的所需對接變 速箱11側面與固定位置發(fā)動機12側面進行信息采集，并將所采集圖像信息傳送給圖像處理 系統(tǒng)16,圖像處理系統(tǒng)16對所采集的圖像信息進行預處理，采用目標檢測算法獲得發(fā)動機 側面標志點19的圖像信息，以及變速箱側面標志點18的圖像信息，經過提取特征點、三維測 量等機器視覺算法運算得到發(fā)動機側面標志點19和變速箱側面標志點18在攝像機坐標系 下的空間坐標信息。
[0075]所述雙目視覺系統(tǒng)的信息采集與處理方法如下：
[0076]采集:所述雙目攝像機14、15對包含標志點的發(fā)動機側面與變速箱側面進行圖像 獲取，以采集包含標志點圖像信息的發(fā)動機12與變速箱11側面的雙目數(shù)字圖像信息Iak和 Ibk;
[0077] 處理：首先對雙目圖像信息Iak和Ibk進行預處理，得到清晰的圖像后進行邊緣分 害J、特征提取、立體匹配處理，得到標志點空間坐標P在兩幅數(shù)字圖像中對應的像素點坐標 對，其中（Xa，Ya，Za)和(Xb，Yb，Zb)分別為空間點P在左攝像機14和右攝像機15坐標系中的坐 標，然后根據(jù)下式采用最小二乘法求解得到空間點P在攝像機坐標系（以左攝像機坐標系為 攝像機坐標系）中的三維坐標(X，Y，Z) I cam:
[0081] 和?％(^ = 1，2,3,4)分別為空間投影矩陣?#帆第1行第」列元素;通過上述 算法解析即可得到發(fā)動機側面標志點19和變速箱側面標志點18在攝像機坐標系下的空間 坐標信息。
[0082] 步驟四：解算出特型多自由度運動平臺的運動參數(shù)
[0083]通過步驟三可以得到變速箱側面標志點18在左攝像機坐標系下的坐標表示為PL (XLk，YLk，ZLk) (k= 1，2，3)，發(fā)云力機側面標志點19在左攝像機坐標系下的坐標表示為PR(XRk， ￥&，2&)仏=1，2,3)。在得到相應坐標后，由坐標之間的對應關系經計算可解算出多自由度 運動平臺所需要的運動參數(shù)(θ，φ，Φ，1^，〖\，1: 2)。方法如下：
[0084] (1)解算出多自由度運動平臺的旋轉參數(shù)(θ，φ，φ )
[0085] 變速箱11要與發(fā)動機12實現(xiàn)精確對接，其旋轉參數(shù)可以用矢量/|κ和矢量之間 的參數(shù)變換得到，即在攝像機坐標系下：
[0086] 矢量戶可表不為：
[0087]
[0088]
[0089]
[0090]
[0091]
[0092]
[0093] R =
[0094] 故可由上式得到對接系統(tǒng)所需要的旋轉參數(shù)(θ，φ，φ ).
[0095] (2)解算出多自由度運動平臺的平移參數(shù)(tx，ty，t z)
[0096] ①初次使用該特型多自由度自動對接系統(tǒng)時，經步驟二將標志點貼于變速箱11和 發(fā)動機12側面相應位置后，為得到對接完成后各標志點在攝像機坐標系下的對應坐標值， 還需要人工將變速箱11和發(fā)動機12進行對接，對接完成后通過步驟三可以得到變速箱側面 標志點18與發(fā)動機側面標志點19在攝像機坐標系下的坐標，從而得到對接完成狀態(tài)下對應 標志點間的對應位置關系
[0097] ( Δ tx=XRk-XLk，A ty = YRk-YLk，A tz = ZRk-ZLk) ·
[0098] 【注:再次對接時不需要進行此步，可直接進行自動對接?！?br>[0099] ②經（1)中多自由度運動平臺得到旋轉參數(shù)后，由雙目視覺系統(tǒng)可得出變速箱側 面標志點18的實時坐標M XLk，Yu，Zu)(k = 1，2，3 )，發(fā)動機側面標志點19的實時坐標Pr (XRk，YRk，ZRk) (k= 1，2，3)。由此可得到多自由度運動平臺所需要的實時給定平移參數(shù)
[0100] tx = XRk-XLk- A tx,ty = YRk-YRk- A ty,tz = ZRk-ZLk- A tz) O
[0101] 由此經上述步驟即得到了對接所需要的多自由度運動平臺的旋轉參數(shù)和平移參 Φ ，tx，ty，tz)〇
[0102] 步驟五：圖像處理系統(tǒng)16將所得到的特型多自由度運動平臺運動參數(shù)（Θ，Φ，φ， tx，ty，tz)傳送給控制系統(tǒng)10，由控制系統(tǒng)10控制特型多自由度運動平臺作垂直方向的升降 運動和旋轉運動，直到發(fā)動機上標志點和對應變速箱上相應標志點處于一個水平方向上， 此時發(fā)動機12和變速箱11處于同一個水平軸上。
[0103] 步驟六:重復步驟三四五，由控制系統(tǒng)10控制特型多自由度運動平臺作水平方向 的運動，直到發(fā)動機12與變速箱11的齒輪擬合，然后將發(fā)動機12與變速箱11外殼的法蘭盤 連接在一起，完成對接。
[0104]步驟七:完成對接后，控制系統(tǒng)10自動控制特型多自由度運動平臺恢復到初始狀 態(tài)，同時放入第二支架20，將變速箱11放置在該支架上。
[0105]綜上所述，本發(fā)明的目的是為了解決軍用裝甲車發(fā)動機和變速箱的裝配問題，提 出一種特型多自由度自動對接裝置及其工作方法。所述用于發(fā)動機與變速箱對接的特型多 自由度自動對接裝置在進行發(fā)動機與變速箱齒輪對接時，能夠通過雙目視覺系統(tǒng)自動檢測 貼有標志點的發(fā)動機和變速箱的側面圖像信息，并解算出發(fā)動機和變速箱之間的相對位置 關系，進而通過一定的算法反解得到特型多自由度運動平臺所需要的運動參數(shù)并傳送給控 制系統(tǒng)，從而由控制系統(tǒng)控制調整運動平臺的姿態(tài)使變速箱與發(fā)動機實現(xiàn)自動對接，智能 高效，避免了傳統(tǒng)對接中人工手推式對接所產生的工作量，減少工人勞動強度;所述特型多 自由度自動對接裝置其運動機構具有六個運動自由度，可以任意調節(jié)其姿態(tài)，所以其運動 過程更加靈活，可以快速、準確地實現(xiàn)對接，操作方便靈活;所述特型多自由度自動對接裝 置主體結構與傳統(tǒng)六自由度搖擺臺相比，運動平臺由三對不同型號的缸所組成，以適應對 接過程中運動平臺的運動作用于每組缸上不同的負載能力和位移需要，精度高，可靠性好。
【主權項】
1. 一種特型多自由度自動對接裝置，其特征在于:包括特型多自由度運動平臺、控制系 統(tǒng)和雙目視覺系統(tǒng);所述的特型多自由度運動平臺由Ξ對不同類型的缸、上平臺和下平臺 及虎克較組成;所述的雙目視覺系統(tǒng)由左右攝像機和圖像處理系統(tǒng)組成;連接關系為:六根 缸分別通過上端虎克較和下端虎克較與上平臺和下平臺連接，控制系統(tǒng)放置在控制箱里， 控制箱放置在下平臺的中屯、位置，控制箱通過電纜與六根缸連接，雙目視覺系統(tǒng)放置在特 型多自由度運動平臺旁邊的支架上，由左右攝像機和圖像處理系統(tǒng)構成，左右攝像機分別 通過網線與圖像處理系統(tǒng)連接，圖像處理系統(tǒng)通過網線與控制系統(tǒng)連接。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種特型多自由度自動對接裝置，其特征在于:所述的特型多 自由度運動平臺由Ξ對不同類型的缸、上平臺和下平臺及虎克較組成，主要用于實現(xiàn)六個 自由度運動；由于對接過程中變速箱前后的位移量很大，所W與傳統(tǒng)的Stewart平臺不同， 六根缸中的后端兩根缸行程較長，前端兩根缸較短，桿徑較大，承載力較強；中間兩根缸行 程和桿徑皆介于前后兩對缸的指標之間;六根缸通過虎克較分別與上平臺和下平臺連接在 一起。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種特型多自由度自動對接裝置，其特征在于:所述的控制系 統(tǒng)由控制器、驅動器及其他外圍電路板組成，放置在一個控制箱里面，主要用來接收圖像處 理系統(tǒng)傳來的參數(shù)，完成特型多自由度運動平臺的反解運算，采用相應的控制算法實現(xiàn)六 根缸的控制。4. 一種特型多自由度自動對接裝置的工作方法，其特征在于:包括步驟如下 步驟一:雙目視覺系統(tǒng)標定 所述雙目視覺系統(tǒng)安裝于特型多自由度自動對接系統(tǒng)后需要對所述左右攝像機進行 標定，分別獲得所述左右攝像機的內外參數(shù)： 對左右攝像機單獨標定，分別得到左攝像機A和右攝像機B的有效焦距f、圖像主點坐標 (uO，vO)、尺度因子fx和fy等內參數(shù)，W及其各自正交旋轉矩陣R和平移向量T等外參數(shù)，并 通過外參數(shù)計算得到攝像機A和B之間的相對位置關系； 步驟二:在發(fā)動機和變速箱側面相應位置貼標志點 裝配人員通過吊車將發(fā)動機放置在第一支架上，將變速箱放置于特型多自由度運動平 臺上，并分別于發(fā)動機側面和變速箱側面相應位置處各貼Ξ個特征明顯的標志點； 步驟Ξ:雙目視覺系統(tǒng)信息采集與處理 由雙目攝像機對包含標志點信息的所需對接變速箱與固定位置發(fā)動機側面進行信息 采集，并將所采集圖像信息傳送給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)對所采集的圖像信息進行 預處理，采用目標檢測算法獲得標志點信息，經過特征點匹配、Ξ維測量等計算機視覺算法 運算得到特征點的空間位置信息，進而得到特型多自由度運動平臺所需要的位移量，旋轉 角度等運動參數(shù)； 所述雙目視覺系統(tǒng)的信息采集與處理方法如下： 采集:所述雙目攝像機AB對包含標志點圖像信息的所需對接的發(fā)動機與變速箱側面進 行圖像獲取，W采集包含標志點圖像信息的發(fā)動機與變速箱側面的雙目數(shù)字圖像信息； 處理：首先對雙目圖像信息進行濾波、去噪等預處理，得到清晰的圖像后進行邊緣分 害d、特征提取、立體匹配處理，得到空間點Ρ(Χ，Υ，Ζ)在兩幅數(shù)字圖像中對應的像素點坐標 對，其中（Χα，Υα，Ζα)和怖，Υβ，Zb )分別為空間點Ρ在攝像機A和攝像機Β坐標系中的坐標，然后 根據(jù)下式采用最小二乘法求解得到空間點P在攝像機坐標系（W左攝像機坐標系為攝像機 坐標系）中的Ξ維坐標(Χ，Υ，Ζ) I cam:PAIJ和?61如，^' = 1，2,3,4)分別為空間投影矩陣?4和?8第南第巧阮素； 通過上述算法解析即可得到Ξ對標志點對應的空間位置坐標信息； 步驟四：解算出特型多自由度運動平臺的運動參數(shù) 通過步驟Ξ可W得到變速箱側面標志點在左攝像機坐標系下的坐標表示為化(XLk，化k， ZLkKk = 1，2，3)，發(fā)動機側面標志點在左攝像機坐標系下的坐標表示為Pr(XRk，YRk，ZRkKk = 1，2,3);在得到相應坐標后，由坐標之間的對應關系經計算可解算出多自由度運動平臺所 需要的運動參數(shù)(Θ，Φ，Φ，tx，ty，tz)，方法如下： (1)解算出多自由度運動平臺的旋轉參數(shù)(Θ，Φ，Φ ) 變速箱要與發(fā)動機實現(xiàn)精確對接，其旋轉參數(shù)可W用矢量和矢量之間的參數(shù)變換 得到，即在攝像機坐標系下： 矢量可表示為：故可由上式得到對接系統(tǒng)所需要的旋轉參數(shù)(θ，φ，φ).; (2)解算出多自由度運動平臺的平移參數(shù)(tx，ty，tz) ① 初次使用該特型多自由度自動對接系統(tǒng)時，經步驟二將標志點貼于變速箱和發(fā)動機 側面相應位置后，為得到對接完成后各標志點在攝像機坐標系下的對應坐標值，還需要人 工將變速箱和發(fā)動機進行對接，對接完成后通過步驟Ξ可W得到對接完成狀態(tài)下發(fā)動機側 面標志點與變速箱側面標志點的坐標，從而得到對接完成狀態(tài)下對應標志點間的對應位置 關系 (Δ tx = XRk-XLk, Δ ty 二 YRk-YLk, Δ tz 二 ZRk-ZUi). 其中:再次對接時不需要進行此步操作，可直接進行自動對接； ② 經（1)中得到多自由度運動平臺旋轉參數(shù)后，由雙目視覺系統(tǒng)可得到當變速箱側面 標志點的實時坐標化(XLk，YLk，ZLk) (k = 1，2，3)，發(fā)動機側面標志點的實時塵標Pr(XRk，化k， ZRkKk=l，2,3)，由此可得到多自由度運動平臺所需要的實時給定平移參數(shù) tx 二 XRk-XlIc- Δ tx, ty 二 YRk-YlIc- Δ ty , tz 二 ZRk-ZlIc- Δ tz ); 由此經上述步驟即得到了對接所需要的多自由度運動平臺的旋轉參數(shù)和平移參數(shù)(9， Φ , Φ , tx , ty , tz ); 步驟五：圖像處理系統(tǒng)將所得到的特型多自由度運動平臺運動參數(shù)(Θ，Φ，Φ，tx，ty，tz) 傳送給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制特型多自由度運動平臺作垂直方向的升降運動和旋轉運 動，直到發(fā)動機上標志點和對應變速箱上相應標志點處于一個水平方向上，此時發(fā)動機和 變速箱處于同一個水平軸上； 步驟六:重復步驟Ξ四五，由控制系統(tǒng)控制特型多自由度運動平臺作水平方向的運動， 直到發(fā)動機與變速箱的齒輪擬合，然后將發(fā)動機與變速箱外殼的法蘭盤連接在一起，完成 對接； 步驟屯:完成對接后，控制系統(tǒng)自動控制特型多自由度運動平臺恢復到初始狀態(tài)，同時 放入第二支架，將變速箱放置在該支架上。
【文檔編號】G05B19/19GK105843166SQ201610343822
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】李靜, 宋曉寧, 王軍政, 汪首坤, 趙江波, 沈偉, 馬立玲
【申請人】北京理工大學