基于机器视觉的工程机械行走速度测量系统研究

摘要

工程机械行走装置在产生牵引力时不可避免会发生滑转，造成工程机械行走速度的损失而形成滑转功率，引起工程机械作业效率降低，耗能增加。因此通过对行走速度的研究实从而现对滑转的控制、调节使工程机械处于最佳工作状态至关重要。但工程机械行走速度受地面附着性能、作业载荷、轮胎胎压等综合因素的影响，使得在工程机械运动中较难实现实时、准确的测量。因此实现工程机械实际行走速度及滑转率的高精度测量成为滑转控制亟待解决的问题。基于此，本文在分析现有速度测量技术的基础上，设计开发了基于机器视觉的工程机械行走速度测量系统，建立了行走速度与序列图像和单幅模糊图像的数学模型；通过工程机械自身的“眼睛”识别地面图像信息，研究了序列图像的相邻帧的全局运动矢量和单幅运动模糊图像的模糊尺度，结合系统的安装参数获得工程机械相对于地面的行走速度。在此基础上自主研发了基于机器视觉的滑转率测量试验平台，并进行了现场试验，验证了行走速度机器视觉测量算法的精度和稳定性，实现了滑转率的测量。
　　主要研究工作如下：
　　（1）设计开发了基于机器视觉的行走速度测量系统，依据系统的功能重点研究了机器视觉测量系统的运动机构、工业相机、镜头、光源、图像采集卡等硬件设备的性能及选型原则。同时进行了视觉测速系统软件的模块化设计。实现了运动机构的二维运动控制，图像的实时采集与处理功能，为后续进一步展开理论和试验研究提供了软硬件基础。
　　（2）研究了机器视觉系统标定对视觉测量的影响，明确了各坐标系统在标定中的重要性，分析了传统标定方法在实际应用中的难点。本文选用畸变小的光学镜头，采用相对标定法，以标准量块作为标定物，在不需要标定工业相机的内外参数的情况下，快速、简单地标定出工业相机的物面分辨率，标定误差为0.0046mm。
　　（3）依据光照不均对成像质量的影响，在研究了照度-反射模型的基础上，本文提出了基于函数逼近理论的基函数拟合算法，通过B样条基函数拟合图像中的背景照度偏差，利用除法运算对原图像进行拉伸，有效校正了光照不均产生的降质图像。与传统的同态滤波算法对比，本文算法处理后图像的信息熵增加了26.6％，突出了图像的细节信息，提高了图像的对比度，进而提高了序列图像相关曲线的匹配精度。
　　（4）研究了序列图像中相邻帧图像的相关性，建立了基于序列图像的速度测量模型，提出了基于序列图像的工程机械行走速度测量方法，利用同一地面场景在相邻帧图像中重叠区域位移量及帧间时间计算工程机械的行走速度。研究了图像位移的全局运动矢量估计算法，提出了多窗口灰度投影相关算法估计全局运动矢量，并在泥土和沙地两种典型地面中以不同速度进行了实验研究，结果表明在给定的速度范围内，速度相对误差在7％以内，相邻帧图像运算耗时约为15ms，验证了理论模型的正确性和算法的精度与实时性。
　　（5）研究了运动速度与曝光时间对运动模糊图像的影响，建立了运动模糊尺度与运动速度的数学模型，提出了基于运动模糊图像的工程机械行走速度测量方法。利用运动模糊图像在频谱图中出现的暗条纹的间距与方向特征，设计开发Radon算法估计运动模糊方向和运动模糊尺度，通过给定的安装参数计算出运动速度。实验结果表明在给定的速度范围内，速度相对误差在10％以内，单帧运动模糊图像运算速度耗时约30ms，验证了算法的精度和实时性。
　　（6）滑转率测量试验研究。针对工程机械的5种滑转现象，通过分析滑转率测量中行走速度和理论行走速度两个关键参数的测量方法，结合本文开发的机器视觉速度测量算法，设计开发了基于机器视觉的滑转率测量试验平台，利用该平台进行实际测量研究。验证了行走速度机器视觉测量算法的精度和实时性，实现了滑转率的测量，在给定地面条件及行走速度范围内基于序列图像的滑转率精度高于基于运动模糊图像的滑转率精度，与实际滑转率的误差控制在1.75％以内。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2工程机械行走速度测速技术的发展现状

1.3车辆速度的机器视觉测量技术研究现状

1.4论文的主要研究内容及各章节安排

第二章 工程机械行走速度机器视觉测量系统的总体设计

2.1工程机械行走速度机器视觉测量系统功能

2.2工程机械行走速度机器视觉测量系统总体设计

2.3系统的硬件设计

2.4系统的软件设计

2.5工程机械行走速度机器视觉测量系统的标定

2.6本章小结

第三章 行走速度的序列图像测量算法研究与实现

3.1序列图像的特点

3.2序列图像的全局运动估计模型

3.3基于序列图像的行走速度测量模型

3.4序列图像的全局运动矢量估计

3.5基于多窗口灰度投影匹配的全局运动矢量估计算法

3.6行走速度的序列图像测量算法的实现

3.7本章小结

第四章 行走速度的运动模糊图像测量算法研究与实现

4.1模糊图像模型

4.2运动模糊图像的运动信息与行走速度测量模型

4.3基于频谱特征的运动模糊图像参数估计

4.4行走速度的运动模糊图像测量算法的实现

4.5本章小结

第五章 基于机器视觉的工程机械滑转率试验研究

5.1轮式行走装置滑转现象分析

5.2试验条件

5.3滑转率测量试验

5.4本章小结

结论

本文研究内容及结论

本文的主要创新点

展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢