基于三维实景重构的挖掘机动态模拟试验系统研究
本文选题：预处理 + 相机标定 ； 参考：《吉林大学》2017年硕士论文
【摘要】：在我国现代化建设发展迅速的背景下,工程机械得到了广泛的应用。其中,占比30%的便是液压挖掘机。然而,我国液压挖掘机研发基础还相对薄弱,主要动力部件依赖进口,部分核心技术开发“受制于人”。为自主研发出性能更优的液压挖掘机,我国各大挖掘机厂商投入了大量研究。可是,若对液压挖掘机的设计与优化全部采用实车试验的方式,可能会造成研发周期长、成本高和效率低等问题。基于液压加载实验台搭建的挖掘机动态模拟试验系统可承担部分实车试验的工作,将部分研发工作引入到实验室内进行,减少实车试验的风险与成本,并避免实车试验的部分局限性,有效提高研发的效率,缩短研发周期。本文将虚拟现实技术应用到液压挖掘机的研发实践中,开发了基于“虚实融合”的挖掘机作业过程的动态模拟系统。其中的“虚实融合”主要包括虚拟场景与真实现场作业环境的融合;操作者面向虚拟环境完成挖掘作业循环时,先导手柄的操纵与工作装置各油缸压力数据同步播放的融合。为保证能够真实复现挖掘机的作业过程,论文在采集挖掘机现场作业时动臂大腔和小腔、斗杆大腔和小腔、铲斗大腔和小腔、液压泵及各先导阀等的压力数据的同时,基于RGBD传感器,通过点云的获取、下采样、滤波、配准拼接以及三维重构,完成了基于挖掘机实际作业现场环境的三维重建。同时,为了保证模拟系统中挖掘机现场实测压力数据的正常加载,论文采用对各项压力数据的特征进行分析的方法,将挖掘机的作业过程分为下放、挖掘土壤、提升铲斗及回转、卸载土壤和返回五个阶段,通过虚拟环境中挖掘机的运动信息提示,实现了先导操纵与工作载荷播放的匹配。论文主要完成以下工作:1.采用RGBD传感器Kinect 2.0对液压挖掘机实车作业时的三维场景信息进行采集,并以点云数据格式进行存储。设计了三面标定靶标,对Kinect相机进行了外标定处理;2.针对Kinect获取的点云数据存在冗余及噪声信息,采用体素网格滤波器对点云进行下采样,并利用平均距离法以及近邻传播法对点云中存在的离群点及离群点簇分别进行滤波处理。另外,采用改进的双边滤波算法对混在真实点云中的噪点进行“保边去噪”处理;3.通过曲率、欧氏距离以及夹角特征等约束选取基于多视角的多幅点云的初始配准匹配点对,采用四元素法对其进行求解,完成了点云的初始配准。通过修改ICP算法中最近点的求取方式,定义两个点云之间的距离,并对其设定相应的阈值,改进了传统的ICP算法,完成了基于多视角的点云的精确配准拼接;4.对基于传统的逐点插入法进行Delaunay三角剖分的曲面重建算法中比较耗时的点定位问题及非Delaunay三角形的确定问题提出了优化的解决方案,对拼接完成的点云进行曲面重建,完成了基于液压挖掘机真实作业环境的虚拟场景建模;5.通过对由挖掘机实车作业实验采集到的各压力信号数据的特征进行分析,反向判别了挖掘机作业的各个阶段,分析并得出了挖掘机作业的先导控制时序图;建立了挖掘机工作装置的运动学模型,并基于粒子系统对虚拟场景中作业区域的地面进行了物理建模,实现了虚拟场景中挖方和倒土的真实效果;最后,通过在虚拟场景中设置直观的操纵提示,操作手在试验台操纵先导手柄成功完成了挖掘机工作装置一个作业循环的压力加载。
[Abstract]:A dynamic simulation system based on " virtual reality fusion " is developed in this paper . By modifying the nearest point in the ICP algorithm , the distance between two point clouds is defined , and the corresponding threshold value is set , and the virtual scene modeling based on the real working environment of the hydraulic excavator is completed .
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU621;TP391.9
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，本文编号：1906079
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