基于攝影測量的多瓣液壓抓斗運動監測系統設計及應用分析

王一鳴 張衛東 馮海盈

（河南省計量測試科學研究院，河南 鄭州 450000）

0 引言

多瓣液壓抓斗是通過液壓動力源提供動力，驅動多個顎板的開合抓取和卸出散狀物料的一種裝卸或挖掘工作裝置，是散貨起重設備和挖掘設備的核心附加屬具，也是一種用途廣泛的液壓類專用設備［1］。

目前國內對多瓣液壓抓斗的研究主要是基于虛擬樣機技術進行抓斗的設計參數分析、運動軌跡仿真模擬和顎板的參數設計，但缺少在實際工況下對多瓣液壓抓斗運動過程的監測。考慮到多瓣液壓抓斗主要針對礦石、煤炭、水泥、生活垃圾等散貨物料，其實際工作現場環境通常比較惡劣［2-8］。為了保證抓斗運行的平穩可靠，避免因設備故障導致的停機事故，提高抓取效率，需要對液壓抓斗運動過程進行在線監測［9］。

因此，本研究設計了一種基于攝影測量的多瓣液壓抓斗運動監測系統，運用雙目視覺測量原理，對液壓六瓣式起重機抓斗中液壓缸與六瓣抓斗的位移和轉角進行在線監測。

1 系統組成與工作原理

基于攝影測量的多瓣液壓抓斗運動監測系統以2 臺高精度實時攝影測量相機為主傳感器，并包含長度基準尺、反光標志點等輔助部件，如圖1 所示。單個相機的有效視場角為65°，在距離4 m 內的空間測量精度優于0.085 mm，軟件系統能夠以10 幀/s 的速度對采集到的圖像進行實時處理。

圖1 監測抓斗運動狀態的攝影測量裝置

通過軟件控制實時采集被測抓斗的2 幅測量圖像，經雙像前方交會得到工件特征點的三維坐標。使用不同位置的相機對同一物體進行拍攝，獲取被測目標的2 張不同角度的圖像，從而可得到被測物體的多個立體像對，構成多目立體模型。在雙相機測量系統中，對于每個物方點可列出2 個共線方程，根據最小二乘原理，將其聯立求解可以得到被測工件上特征點的三維坐標。

本方案采用的是單、雙相機聯合的測量方法，單相機測量的數據作為抓斗初始狀態的參考值，雙相機系統實時測量的結果作為測量值，整個測量流程如圖2所示。

圖2 測量流程

2 現場試驗

2.1 布置監測點

被測對象為工程六瓣液壓抓斗，額定抓取量為3 m3，自重為3.2 t，主要應用于垃圾處理廠進行生活垃圾的裝卸。抓斗張開時最大寬度為4.5 m，抓緊時最大高度為3.1 m。

測試前在起重機固定圓筒表面粘貼足夠數量的編碼點，如圖3 所示，要求編碼點布設的位置在起重機固定圓筒上面均勻分布，在起重機液壓桿與基座的鉸接處及液壓桿與抓瓣的鉸接處粘貼標志點，用于檢測液壓缸兩端移動量。為保證得到標志點的準確位置，在其旁邊粘貼編碼點。同時，在抓瓣外表面粘貼編碼點用于抓瓣運動軌跡的監測。

圖3 已粘貼標志點的六瓣液壓抓斗

2.2 單相機系統標定

為保證測量結果的量值準確可靠，首先使用800 mm 基準尺對攝影測量系統進行標定，如圖4所示，該基準尺的長度可溯源至中國計量科學研究院。

圖4 用于系統標定的800 mm基準尺

在抓斗靜止時進行標定，如圖5 所示，將基準尺放置在抓斗的適當位置，使相機能夠在一幅圖像中同時拍攝到抓斗和基準尺，確保標準尺上的標志點不被遮擋。使用單相機在不同位置和方向獲取被測工件多幅數字圖像，經圖像預處理、標志識別與定位、圖像匹配、空間三角交會及光束法平差后得到待測點的三維坐標。對三維坐標進行分析得到液壓缸和顎瓣在靜止狀態下的坐標和相對距離，如圖6 所示，以此作為動態監測的參考基準。

圖5 使用基準尺進行系統標定

圖6 靜止狀態下標志點坐標的獲取

2.3 雙相機實時監測

在測量前，利用400 mm 定向靶對相機進行定向，如圖7 所示，以確定兩相機之間的位置和姿態。同樣地，該定向靶的長度已進行了計量溯源。

圖7 用于雙相機位姿標定的400 mm定向靶

在保證兩個相機相對位置不變的情況下，根據三角交會測量原理，由像點坐標計算得到標志點的三維坐標。在距離抓斗約3 m，高度2 m 處穩定固置雙相機，雙相機間基線長度為2.5 m 左右，如圖8 所示，采用雙相機對液壓抓斗的運動狀態進行實時監測。

圖8 雙相機系統在抓斗運行時進行實時監測

3 數據處理與分析

對抓瓣的運動狀態進行監測，最直接的方式是采集并計算抓瓣表面所粘貼的標志點的坐標。但在實際工況下，為保證抓斗的抓滿率，需要使抓瓣切入料堆內部達到一定深度，在這種情況下抓瓣表面的標志點容易被物料遮擋，造成測量不連續。

由于抓瓣在抓取過程中形變較小，可近似認為是剛體結構，因此可以通過對其他關聯結構運動狀態的監測，并基于抓斗結構的幾何關系，計算出抓瓣的運動位置信息，如圖9 所示。本研究同時采集液壓桿伸出量和鉸接點坐標，以保證對抓斗的運動狀態的連續監測。

圖9 抓斗幾何結構示意

3.1 基于液壓桿伸出量的運動狀態監測

需要在液壓缸缸體和柱塞表面分別粘貼標志點，通過兩者相對距離的變化來測量液壓桿的伸出量，從而計算出液壓桿長度和抓瓣轉角，如圖10 和圖11所示。

圖10 液壓桿長度（基于液壓缸伸出量）

圖11 抓瓣轉角（基于液壓缸伸出量）

從圖中可以看出，抓斗的運行過程并非勻速運動，這是由于在抓取過程中，隨著抓斗顎瓣切入料堆的深度不同，物料對抓瓣阻力的大小和方向也在發生變化。與此同時，抓取阻力也與物料特性密切相關，包括粒度、形狀、容重、內摩擦角等。本研究所用物料為切削鐵屑，其抓取過程比較明顯地分為3 個快速階段和2個慢速階段。

3.2 基于鉸接點坐標的運動狀態監測

同樣地，在液壓桿和抓瓣鉸接點周圍也粘貼了一圈標志點，并通過圓形擬合計算圓心的方式得到鉸點的準確位置。基于鉸點坐標所計算出的液壓桿長度和抓瓣轉角如圖12和圖13所示。

圖12 液壓桿長度（基于鉸接點坐標）

圖13 抓瓣轉角（基于鉸接點坐標）

通過對比可以看出，基于液壓缸伸出量和基于鉸接點坐標所計算出的液壓桿長度和抓瓣轉角表現出較大的一致性，最大相對誤差約為0.2%，如圖14所示。

圖14 基于不同標志點測量的相對誤差

4 結語

本研究設計并完成了一種基于攝影測量的多瓣液壓抓斗運動監測系統，該系統基于雙目視覺測量原理，通過對抓斗上特征點實時位置的測量，實現對抓斗運動軌跡的跟蹤和運動狀態的在線監測。試驗結果顯示，針對不同特征點測量所計算出的運動狀態參數具有較大的一致性，部分標志點被遮擋時能夠保證測量過程不中斷，滿足復雜工況下的現場應用需求。