基于环境识别平台的挖掘机智能作业试验系统研制

发布时间：2017-04-29 09:12

  本文关键词：基于环境识别平台的挖掘机智能作业试验系统研制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着市场对挖掘机等工程机械的需求不断扩大,以及技术的不断发展,人们对液压系统的控制性能和能耗控制提出了越来越高的要求。另外,在实际工况中,高代价培养的作业人员往往面临着劳动强度大,工作环境恶劣,甚至带有危险的工作环境。在这些技术及应用需求之下,本论文设计了一个能识别现场情况的环境识别平台；同时,设计了一个挖掘机智能作业平台的基础,使之在加入新的液压系统之后,能与环境识别平台形成闭环控制,为今后智能工程机械的发展提供了技术支持。本论文采用了激光雷达和网络摄像头的信息融合技术进行实际环境的联合环境识别；并在一台日立ZAXIS120挖掘机上建立了智能作业系统,在沿用其原有的油缸、液压马达的基础上,对液压系统进行了重新设计,采用并联的基本油路结构,为新引入的两套可编程液压系统提供接口,并且使挖掘机能在所有三套液压系统中实现快速切换,为实时对比三套液压系统的挖掘效果和整机性能提供技术支持。本论文的主要内容如下：第一章论述了开发现场环境识别平台,以及挖掘机智能作业试验系统的意义,介绍了工程机械中挖掘机智能作业系统的研究现状,并结合本论文的研究目标,最后提出了本论文的研究内容和研究难点。第二章主要介绍了环境识别平台中的虚拟标记方案的理论依据。从介绍摄像机和激光雷达的工作原理入手,分析及证明了单独使用单个摄像机,或者单独使用激光雷达的方案是不能满足挖掘机的工况的,并创新提出了屏幕虚拟标记的概念,从而介绍了虚拟标记的原理和理论依据,证明了该方案是可行的。第三章主要介绍了环境识别的方案设计和挖掘机试验系统的系统设计。首先分析了环境识别平台方面的硬件构成,主要是元件的性能介绍,再介绍了该部分的方案设计：通过网络摄像机识别环境的色彩信息,并通过激光雷达识别环境的深度信息,采用了网络摄像头和激光雷达进行虚拟标记和实体标记通用的环境识别方案；最后叙述了挖掘机试验系统的方案设计,包括液压系统的设计方案,元件分布等。第四章主要介绍了环境识别平台和挖掘机试验系统的研制开发。本章首先主要介绍了环境识别平台的设计和研制,主要涉及关键参数选取、相关元件选型以及整个环境识别平台的数据链路构成；接着着重介绍了识别平台的开发,主要包括激光雷达从以太网的数据获取开始到点云成像的开发,网络摄像头依靠SDK二次开发包的视频流获取并基于OpenCV进行视频显示及环境特征提取,以及两者的标定以及信息融合；最后介绍了挖掘机试验系统的研制,包括动力元件模块的构建,执行元件模块的构建和挖掘机机体方面的构建。第五章主要介绍了环境识别平台和挖掘机智能作业试验系统的实验设计流程和结果,首先介绍了对激光雷达与环境识别平台之间内部参数的方案和实验,实验结果良好；然后介绍了对摄像机内部参数的方案和实验,结果可靠；接着分两种方法介绍了环境识别平台联合标定的方案和实验,获得了较好的数据；然后展示环境识别平台对三维环境的建模能力与效果；最后介绍了挖掘机智能作业平台的初步性能检验,可以认为基础部分研制成功。第六章概括了全文的主要研究内容,总结了研究成果,分别是开发了对应的环境识别平台,并研制了挖掘机智能作业系统的基础。最后提出了在本论文基础上进一步开发智能型工程机械的思路与想法。
【关键词】：激光雷达 网络摄像头 环境识别平台 挖掘机智能作业系统
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU621
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 绪论13-24
• 1.1 课题研究背景及意义13-15
• 1.2 工程机械中智能作业系统的研究现状15-21
• 1.2.1 卡耐基梅隆大学的自动挖掘装载系统15-16
• 1.2.2 澳大利亚机器人中心ACFR的自主挖掘研究16-17
• 1.2.3 本筑波大学的自主液压挖掘机17-18
• 1.2.4 韩国汉阳大学的自主挖掘系统18-19
• 1.2.5 芬兰奥卢大学的六自由度挖掘机系统19-20
• 1.2.6 浙江大学的挖掘机机器人20
• 1.2.7 东北大学的智能挖掘机视觉系统20-21
• 1.3 课题研究内容和研究难点21-22
• 1.3.1 课题研究内容21-22
• 1.3.2 课题研究难点22
• 1.4 本章小结22-24
• 2 环境识别虚拟标记的理论依据24-33
• 2.1 网络摄像机的空间映射与图形采集原理24-28
• 2.2 激光雷达的深度信息扫描及最终回波原理28-31
• 2.3 虚拟标记方案的理论依据31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 3 挖掘机智能作业试验系统设计33-44
• 3.1 环境识别平台硬件构成及方案设计33-37
• 3.1.1 环境识别平台的硬件构成33-35
• 3.1.2 环境识别平台的方案设计35-37
• 3.2 挖掘机系统的硬件构成及方案设计37-43
• 3.2.1 挖掘机试验系统的硬件构成37-41
• 3.2.2 挖掘机试验系统的方案设计41-43
• 3.3 本章小结43-44
• 4 挖掘机智能作业试验系统研制44-58
• 4.1 境识别平台的设计44-47
• 4.2 境识别平台的研发47-52
• 4.2.1 激光雷达模块的功能开发48-51
• 4.2.2 网络摄像机模块的功能开发51-52
• 4.3 挖掘机试验系统的研制52-57
• 4.4 本章小结57-58
• 5 挖掘机智能作业系统的实验研究58-72
• 5.1 激光雷达距离获取的实验设计与研究58-62
• 5.1.1 激光雷达的实验设计58-61
• 5.1.2 激光雷达的实验研究61-62
• 5.2 网络摄像机色彩获取的实验设计与研究62-64
• 5.2.1 网络摄像头的实验设计62-63
• 5.2.2 网络摄像头的实验研究63-64
• 5.3 环境识别平台联合识别的实验设计与研究64-70
• 5.3.1 基于平面向量法的标定原理与设计64-66
• 5.3.2 基于平面向量法的标定结果66-68
• 5.3.3 基于深度图法的标定原理与设计68
• 5.3.4 基于深度图法的标定结果68-69
• 5.3.5 境识别平台识别信号融合的原理69
• 5.3.6 境识别平台识别信号融合的实验研究69-70
• 5.4 挖掘机智能作业平台的初步性能检验70
• 5.5 本章小结70-72
• 6 总结与展望72-75
• 6.1 论文总结72-73
• 6.2 工作展望73-74
• 6.3 本章小结74-75
• 参考文献75-85
• 作者简介及攻读硕士期间科研成果85

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本文编号：334598