用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光电测量技术领域，尤其涉及一种用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置和方法。

背景技术

目前，在进行大型构件的吊装转载过程中，至少需要一名吊机操作手和2-3名地面观察人员配合进行作业，观察人员需反复围绕运输车观察大型构件与运输车相对位姿关系，向吊机操作手发出吊装指令，吊机操作手在地面观察人员的指挥下，首先控制吊臂将吊具和大型构件组合体转移到运输车上方，然后缓缓将大型构件底部的定位销与运输车上对应的限位机构在水平方向对准，最后控制吊具释放大型构件高度使大型构件底部的定位销嵌入到运输车上对应的限位机构中，完成吊装转载，但此方法的吊装效率较低。

中国科学院长春光机所的李勤文在其博士论文《基于视觉反馈的自动对准系统关键技术研究》中提出一种应用于自动对准系统的相对位置测量方案，该方案由两台相机、两支激光测距仪、一支倾角仪、两个激光靶标组成。通过激光测距仪测量吊具与运输车之间高度Z方向的距离，通过倾角仪测量吊具的俯仰角度β和滚转角度γ，通过相机测量吊具与运输车之间横向偏移距离X、纵向偏移距离Y和相对的方位角度α。但此方案在适用条件和测量准确性方面存在一定的技术缺陷。首先，激光测距仪在测量过程中需要运输车表面相应测量范围内具有较好的基准平面，平面的大小决定了整套设备的测量范围，运输车结构复杂，很难提供理想的测量基准平面，因此方案的实用性受到应用环境的限制；其次，激光测距仪的测量精度受到环境影响较大，由于大型运输车一年四季在室外作业，温度变化、光干扰等都会影响测量数据的准确性。

发明内容

本发明为解决现有技术中采用人工配合的大型构件的吊装转载方法的吊装效率较低，而应用于自动对准系统的相对位置测量方案在适用条件和测量准确性均存在技术缺陷等问题，提供一种用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置和方法，通过计算大型构件与运输车之间的六维位姿关系，从而自动规划出吊臂和吊具的运动路径，控制吊臂的各个关节的运动，实现大型构件的自动吊装转载。

本发明提出的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置，包括：设置在同一直线上的第一光学测量模块、第二光学测量模块和处理模块，设置在同一直线上的第一合作靶标和第二合作靶标，其中，

第一合作靶标与第二合作靶标沿运输车的车厢厢体的上表面的对称轴对称设置在车厢厢体的上表面，第一合作靶标与第二合作靶标均用于形成两个光斑；

第一光学测量模块和第二光学测量模块相对于第一合作靶标与第二合作靶标的安装位置通过专用支架对应安装在吊具上，第一光学测量模块用于对第一合作靶标形成的两个光斑进行成像，并输出两个光斑通过第一光学测量模块所生成的第一像点和第二像点的坐标，第二光学测量模块用于对第二合作靶标形成的两个光斑进行成像，并输出两个光斑通过第二光学测量模块所生成的第三像点和第四像点的坐标；

第一光学测量模块和第二光学测量模块均与处理模块相连接，处理模块安装在吊具的中轴线上，且处理模块与第一光学测量模块和第二光学测量模块的距离均相等，处理模块用于测量吊具相对于水平面的俯仰角和横滚角，并根据处理模块、第一光学测量模块和第二光学测量模块的测得数据，解算并输出位姿数据。

优选地，第一合作靶标与第二合作靶标均包含电源连接器、开关、驱动电路和两个激光器，电源连接器用于外接电源，开关用于控制第一合作靶标或第二合作靶标的开启和关闭，驱动电路用于同时驱动两个激光器发光，两个激光器用于将发出的光均对应照射在第一合作靶标或第二合作靶标的两个窗口玻璃上，形成两个光斑。

优选地，第一光学测量模块和第二光学测量模块均包括镜头、感光元件和图像处理电路，镜头用于采集第一合作靶标或第二合作靶标形成的两个光斑，感光元件用于对镜头采集的第一合作靶标或第二合作靶标的两个光斑进行成像，图像处理电路用于计算第一光学测量模块或第二光学测量模块的感光元件所成的像点的坐标。

优选地，处理模块包括倾角仪、数字信号处理器和通信接口，倾角仪用于测量吊具的水平姿态，并输出吊具相对于水平面的俯仰角和横滚角，数字信号处理器用于通过对倾角仪、第一光学测量模块和第二光学测量模块的测得数据进行解算，获得吊具相对于运输车的位姿数据，通信接口用于将位姿数据输出至吊机控制系统，通过吊机控制系统实现对吊具的控制。

优选地，两个激光器可替换为两个LED灯。

本发明提出的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量方法，利用用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置实现，具体包括如下步骤：

S1：搭建用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置。

S2：第一合作靶标和第二合作靶标分别通过自身的驱动电路驱动自身的两个激光器发光，使第一合作靶标与第二合作靶标的两个窗口玻璃上均形成两个光斑。

S3：第一光学测量模块通过对第一合作靶标形成的两个光斑进行处理获得第一像点和第二像点的坐标，第二光学测量模块通过对第二合作靶标形成的两个光斑进行处理获得第三像点和第四像点的坐标。

S4：处理模块根据倾角仪输出的吊具相对于水平面的俯仰角和横滚角，并结合第一像点、第二像点、第三像点和第四像点的坐标计算并输出吊具相对于运输车的位姿数据。

S5：吊机控制系统根据位姿数据对吊具进行调整，完成对大型构件的吊装转载。

优选地，步骤S4具体包括如下步骤：

S41：以第一合作靶标与第二合作靶标所在的车厢厢体的上表面的中心点为原点，建立靶标空间直角坐标系O-XYZ，其中，Y轴的正方向为运输车的车头方向，第一光斑B

S42：将吊具的中心作为原点，建立吊具空间直角坐标系O

S43：将第一光学测量模块的镜头的光节点作为原点，建立第一空间直角坐标系O

S44：根据倾角仪输出的俯仰角和横滚角，并结合第一光斑、第二光斑、第三光斑和第四光斑的坐标计算吊具空间直角坐标系相对于靶标空间直角坐标系的旋转方位角α：

其中，

k

k

m

S45：根据步骤S44的计算结果通过下式计算吊具空间直角坐标系相对于靶标空间直角坐标系沿X轴的平移量ΔX、沿Y轴平移量为ΔY，沿Z轴平移量为ΔZ：

其中，m

S46：结合步骤S44-S45的计算结果输出吊具相对于运输车的位姿数据。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

(1)本发明提出的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置采用全自动测量方式，对于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量的测量精度可达毫米级，为大型构件的自动吊装转载提供技术支持，能大幅提高吊机的吊装效率和安全性，节省人力成本，具有较高的实用价值。

(2)本发明中的第一合作靶标和第二合作靶标采用具有良好的单色性且能量集中的激光器照亮第一合作靶标和第二合作靶标的窗口玻璃，第一合作靶标和第二合作靶标形成的光斑与第一光学测量模块、第二光学测量模块的成像波段相匹配后，能够使本发明提出的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置既可以在低照度环境下工作，也能够抗强光干扰，实现全天候及恶劣天气环境下的正常工作。

(3)本发明提出的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置上电即可自动工作，能够对大型构件的位姿进行实时测量，无需人为操作，便于普及。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置的逻辑结构示意图；

图3是根据本发明实施例提供的第一合作靶标和第二合作靶标的结构示意图；

图4是根据本发明实施例提供的吊具相对于运输车的坐标图；

图5是根据本发明实施例提供的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量方法的流程示意图。

附图标记：运输车1、吊具2、第一合作靶标3、窗口玻璃3-1、开关3-2、电源控制器3-3、第二合作靶标4、第一光学测量模块5、第二光学测量模块6、处理模块7、倾角仪7-1、数字信号处理器7-2和通信接口7-3。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置的结构；图2示出了根据本发明实施例提供的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置的逻辑结构。

如图1-图2所示，本发明提出的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置，包括：设置在同一直线上的第一光学测量模块5、第二光学测量模块6和处理模块7，设置在同一直线上的第一合作靶标3和第二合作靶标4，其中，

第一合作靶标3与第二合作靶标4沿运输车1的车厢厢体的上表面的对称轴对称设置在车厢厢体的上表面，第一合作靶标3与第二合作靶标4均用于形成两个光斑。

第一光学测量模块5和第二光学测量模块6相对于第一合作靶标3与第二合作靶标4的安装位置通过专用支架对应安装在吊具2上，第一光学测量模块5用于对第一合作靶标3形成的两个光斑进行成像，并输出两个光斑通过第一光学测量模块5所生成的第一像点和第二像点的坐标，第二光学测量模块6用于对第二合作靶标4形成的两个光斑进行成像，并输出两个光斑通过第二光学测量模块6所生成的第三像点和第四像点的坐标。

第一光学测量模块5和第二光学测量模块6均与处理模块7相连接，处理模块7安装在吊具2的中轴线上，且处理模块7与第一光学测量模块5和第二光学测量模块6的距离均相等，处理模块7用于测量吊具2相对于水平面的俯仰角和横滚角，并根据处理模块7、第一光学测量模块5和第二光学测量模块6的测得数据，解算并输出位姿数据。

图3示出了根据本发明实施例提供的第一合作靶标和第二合作靶标的结构。

第一合作靶标3与第二合作靶标4均包含开关3-2、电源连接器3-3、驱动电路和两个激光器，第一合作靶标3与第二合作靶标4的结构相同，下面以第一合作靶标3为例：开关3-2用于控制第一合作靶标3的开启和关闭，电源连接器3-3用于外接电源，驱动电路同时驱动两个激光器发光，两个激光器发出的光均照射在第一合作靶标3的两个窗口玻璃3-1上，形成两个均匀且明亮的光斑。

本发明的第一合作靶标3与第二合作靶标4不局限于将激光作为光源，在某些无需抗强光干扰的工作环境下，可以采用LED灯作为光源，即两个激光器可替换为两个LED灯。

第一光学测量模块5和第二光学测量模块6均包括镜头、感光元件和图像处理电路，镜头用于采集第一合作靶标3或第二合作靶标4形成的两个光斑，感光元件用于对第一合作靶标3或第二合作靶标4的镜头采集的两个光斑进行成像，图像处理电路用于计算第一光学测量模块5或第二光学测量模块6的感光元件所成的像点的坐标。

处理模块7包括倾角仪7-1、数字信号处理器7-2和通信接口7-3，倾角仪7-1用于测量吊具2的水平姿态，并输出吊具2相对于水平面的俯仰角和横滚角，数字信号处理器7-2用于通过对倾角仪7-1、第一光学测量模块5和第二光学测量模块6的测得数据进行计算，获得吊具2相对于运输车1的位姿数据，通信接口7-3用于将位姿数据输出至吊机控制系统，通过吊机控制系统实现对吊具2的控制。

图4示出了根据本发明实施例提供的吊具相对于运输车的坐标，图5示出了根据本发明实施例提供的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量方法的流程。

如图4-图5所示，本发明提出的用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量方法，利用用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置实现，具体包括如下步骤：

S1：搭建用于大型构件吊装转载的六维相对位姿测量装置。

S2：第一合作靶标3和第二合作靶标4分别通过自身的驱动电路驱动自身的两个激光器发光，使第一合作靶标3与第二合作靶标4的两个窗口玻璃上均形成两个光斑。

S3：第一光学测量模块5通过对第一合作靶标3形成的两个光斑进行处理获得第一像点和第二像点的坐标，第二光学测量模块6通过对第二合作靶标4形成的两个光斑进行处理获得第三像点和第四像点的坐标。

S4：处理模块7根据倾角仪7-1输出的吊具2相对于水平面的俯仰角和横滚角，并结合第一像点、第二像点、第三像点和第四像点的坐标计算并输出吊具2相对于运输车1的位姿数据。

吊具2相对于运输车1的位姿数据包括倾角仪7-1输出的俯仰角和横滚角、吊具空间直角坐标系相对于靶标空间直角坐标系的旋转方位角α、吊具空间直角坐标系相对于靶标空间直角坐标系沿X轴的平移量ΔX、沿Y轴平移量为ΔY，沿Z轴平移量为ΔZ。

步骤S4具体包括如下步骤：

S41：以第一合作靶标3与第二合作靶标4所在的车厢厢体的上表面的中心点为原点，建立靶标空间直角坐标系O-XYZ，其中，Y轴的正方向为运输车1的车头方向，第一光斑B

S42：将吊具2的中心作为原点，建立吊具空间直角坐标系O

S43：将第一光学测量模块5的镜头的光节点作为原点，建立第一空间直角坐标系O

S44：根据倾角仪7-1输出的俯仰角和横滚角，并结合第一光斑、第二光斑、第三光斑和第四光斑的坐标计算吊具空间直角坐标系相对于靶标空间直角坐标系的旋转方位角α：

其中，

k

k

m

S45：根据步骤S44的计算结果通过下式计算吊具空间直角坐标系相对于靶标空间直角坐标系沿X轴的平移量ΔX、沿Y轴平移量为ΔY，沿Z轴平移量为ΔZ：

其中，m

S46：结合步骤S44-S45的计算结果输出吊具2相对于运输车1的位姿数据。

S5：吊机控制系统根据位姿数据对吊具2进行调整，完成对大型构件的吊装转载。

吊具2与吊臂相连接，通过吊臂的各个关节的配合实现对吊具2的调整。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。