基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备及方法与流程

1.本发明属于工程机械技术领域，具体涉及基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备及方法。


背景技术：

2.作为人类开发利用资源和进行基础建设的有力工具之一，采掘装载机在能源开发，交通建设，设施修建，抢险救灾等方面一直发挥着极其重要的作用。但采掘装载机的作业环境比较恶劣，如存在有害毒气体、瓦斯、高温、易崩塌等情况，操作人员的安全和健康都受到严重的威胁。因此，长期以来，人们一直在谋求更省力、更高效，智能化和实现精确轨迹控制的采掘作业模式，实现工程机械的智能控制和无人化运行。目前国际工程机械的发展正逐步向机、电、液一体化及信息化的方向发展。机器人化的采掘装载机即采掘装备将是替代人在繁重、危险、恶劣环境下作业必不可少的工具。
3.立体视觉技术的开创性工作是从六十年代中期开始的。美国mit的robert完成的三维景物分析工作，把过去的二维图形分析推广到了三维景物，这标志着立体视觉技术的诞生，并在随后的二十年中迅速发展成为一门新的学科。特别是七十年代末，marr创立的视觉计算理论对立体视觉的发展产生了巨大影响，现已形成了从图像获取到最终的景物可视表面重建的完整体系。经过二十多年的研究，立体视觉技术在机器人视觉、航空测绘、军事应用、医学诊断及工业检测中的应用越来越广泛，研究方法从早期的以统计理论为基础的相关匹配，发展到具有很强生理学背景的特征匹配，从串行到并行，从直接依赖于传输信号的低层次处理到依赖于特征、结构、关系和知识的高层次处理，性能不断提高，其理论正处于不断发展与完善之中。但我国的立体视觉技术发展较晚，与国外相比，尤其是智能装备制造方面存在不小的差距。
4.申请号为cn201310071638.x的中国专利公开了一种采掘装备截割机构辅助高压水射流多点密封装置，包括导水壳体和导水套，所述导水套和导水壳体依次套设在采掘装备截割机构的截割轴与截割箱体之间；在导水壳体、导水套和截割轴上沿径向贯通设置有进水道，所述进水道分别连通截割箱体的进水口和截割轴的主流道，在进水道两侧分别设有o形密封圈一、齿形组合密封和o形密封圈二，在导水壳体上设置有泄流槽，在截割箱体上设置有与所述泄流槽连通的漏水道。该发明的多点密封装置解决了采掘装备截割机构辅助高压水射流密封问题，可以有效密封压力小于50mpa的高压水，且密封时间长，密封效果好，提高了高压水射流辅助截割效率。
5.申请号为cn201811282790.1的中国专利公开了一种采掘机械的控制系统及其控制方法，包括：语音接收模块，用于接收语音命令；命令识别模块，用于判断预存的指令集中是否存在与语音命令相符的操作指令；指令发送模块，用于发送所述相符的操作指令；指令接收模块，用于接收相符的操作指令；指令转换模块，用于根据预存的指令
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信号转换规则将操作指令转换成与该操作指令对应的控利信号；机械控制模块，用于控制采掘机械进行与所述控制信号相对应的作业。该发明采用语音控制代替原有的机械控制形式，大大方便
了操作人员的操作，最大程度上解放了操作人员的双手，方便灵活且智能化地管理、操作采掘机械。
6.然而，以上现有技术中的采掘设备在进行采掘作业时，对采掘物的要求较高，限制了其使用的范围，尤其是采掘物体积和硬度都较大时，必须经过破碎机初次破碎后才能对目标物就行作业，直接使用时容易造成采掘物对设备的卡死情况，严重时会造成液压机构损害，给附近人员安全带来隐患。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供了基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备，用以解决现有采掘设备在进行采掘作业时，对采掘物的要求较高，限制了其使用的范围，尤其是采掘物体积和硬度都较大时，必须经过破碎机初次破碎后才能对目标物就行作业，直接使用时容易造成采掘物对设备的卡死情况，严重时会造成液压机构损害，给附近人员安全带来隐患的问题。
8.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
9.基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备，包括驾驶舱体、行进组件、输送机构、作业部和视觉识别系统，所述作业部与行进组件的上端连接，所述视觉识别系统设置于驾驶舱体的外侧，所述作业部的前端连接采掘臂、采掘轮体，所述采掘轮体与采掘臂活动连接，所述采掘轮体转动将采掘物收集在其内部，所述采掘轮体的上设有挤压组件，所述挤压组件将所述采掘物压碎，所述采掘臂控制采掘轮体转动并将收集的采掘物转运至输送机构上。
10.进一步，所述挤压组件包括填料部、推料部和用于将所述填料部、推料部相互靠近或远离的滑动部。
11.进一步，所述采掘轮体为两个，两个所述采掘轮体的中心线上设有滑动横轴，所述填料部、推料部通过滑动横轴分别与两个采掘轮体连接，所述填料部上开设有多个凹槽，所述推料部上开设有与凹槽相匹配的多个凸起。
12.进一步，所述滑动部包括滑动架体、与所述滑动架体连接的驱动电机、螺杆，所述螺杆的外周套设有滑动块，所述驱动电机驱动螺杆转动，从而控制滑动块在滑动架体上来回移动，所述滑动块上设有拨杆，所述拨杆的另一端与推料部连接。
13.进一步，所述填料部的内部还设有切削组件，所述切削组件设置于多个凹槽的内侧。
14.进一步，所述切削组件包括从下至上连接的底座、出料引导盘、研磨盘体、切削盘。
15.进一步，还包括弹簧，所述弹簧设置于研磨盘体与切削盘之间。
16.进一步，所述切削组件与多个凹槽之间还设有打散架。
17.进一步，所述视觉识别系统包括图像处理系统、前置摄像机和后置摄像机，所述前置摄像机安装在采掘臂的前部，所述后置摄像机安装在输送机构上，所述图像处理系统通过前置摄像机和后置摄像机对现场图像的实时拍摄，并分别通过数据接口与外部控制系统连接，利用立体成像技术对后置摄像机拍摄的图像进行立体建模。
18.上述的基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备的使用方法，包括以下步骤：
19.s1：三维场景建模，前置摄像机和后置摄像机从不同的角度同时获取同一景物的两幅图像，根据同一景物在两个摄像机上成像视差恢复出景物的状态，得到了空间中物体特征点的坐标与图像平面的坐标之间的关系，通过计算空间点在两幅图像中的视差来获取其三维坐标值构建三维场景；
20.s2：采掘物的收集，采掘臂带动采掘轮体转动，通过采掘轮体外侧的设置的多个挖掘指将采掘物挖起，当挖掘指随采掘轮体转动到达采掘轮体最高点时，挖掘指在采掘轮体上转动，采掘物在重力的作用下掉落到采掘轮体的内部，达到收集采掘物的目的；
21.s3：采掘臂对采掘轮体驱动，后置摄像机判断物输送机构是否有相同形态的采掘物移动，如判断无采掘物，外部控制系统控制滑动部启动，将填料部、推料部靠近，把采掘轮体内的采掘物挤压成小块。
22.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
23.1.本发明采用在采掘轮体上设置挤压组件，利用视觉识别技术，可对采掘物就行预判断，根据设置好的物体参数，对体积较大的物体就行挤压，使之破碎成较小的块体，然后再就行收集，避免了在特定采掘环境下，面对较大物体时，采掘轮体无法收集的情况，通过前置摄像机对现场物体就行图像收集及上传到视觉识别系统中分析，再对采掘臂就行各角度调节，将挤压组件放置到采掘的外周进行加压成小块；
24.2.具体在挤压采掘物时，控制挤压组件中的推料部，使其与填料部靠近或远离，其中的多个凹槽、凸起相配合，将物体压碎，填料部、推料部与两个轮体采用同心设计，在压碎的同时，不影响挖掘指对原本较小物体的收集，两者独立，其中压碎后的物体掉落后，改变采掘轮体的位置后即可连续不间断采掘作业；
25.3.本发明采用在采掘轮体增加切削组件，让填料部、推料部保持靠近，可将压碎后的小体积的采掘物先不下落，而让切削组件对其作用，其中，切削盘转动，可对硬度较大的物体产生切削，避免在挤压组件无法对硬度较大的物体破碎的情况之下，造成凸起的损坏，其中研磨盘体对已破碎后的采掘物研磨，可根据实际需要对其中的物体加工，减轻后续经输送机构转运后的深加工阶段的负担，其中弹簧可让研磨盘体、切削盘保持相对的距离，根据采掘物的大小自适应两者的位置，其中打散架将物体就行打散，避免堆积的情况。
附图说明
26.图1为本发明基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备实施例的主视结构示意图；
27.图2为本发明基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备实施例中采掘轮体的立体结构示意图；
28.图3为本发明基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备实施例中采掘轮体与滑动部的主视结构示意图；
29.图4为本发明基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备实施例中填料部的主视结构示意图；
30.图5为本发明基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备实施例中切削组件的俯视结构示意图；
31.图6为图5中a
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a的剖视结构示意图；
32.说明书附图中的附图标记包括：
33.驾驶舱体1、行进组件2、输送机构3、作业部4、采掘臂41、采掘轮体42、挖掘指420、滑动横轴421、挤压组件43、填料部44、凹槽441、推料部45、凸起451、滑动部46、驱动电机461、滑动架体462、螺杆463、滑动块464、拨杆465、切削组件47、连接底座471、出料引导盘472、研磨盘体473、切削盘474、弹簧475、打散架48；
34.前置摄像机y1、后置摄像机y2。
具体实施方式
35.为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
36.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
37.实施例一：
38.如图1
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6所示，本发明的基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备，包括驾驶舱体 1、行进组件2、输送机构3、作业部4和视觉识别系统，作业部4与行进组件2的上端连接，视觉识别系统设置于驾驶舱体1的外侧，作业部4的前端连接采掘臂41、采掘轮体42，采掘轮体42与采掘臂41活动连接，采掘轮体42转动将采掘物收集在其内部，采掘轮体42的上设有挤压组件43，挤压组件43将采掘物压碎，采掘臂41控制采掘轮体42转动并将收集的采掘物转运至输送机构3上。
39.本发明采用在采掘轮体42上设置挤压组件43，利用视觉识别技术，可对采掘物就行预判断，根据设置好的物体参数，对体积较大的物体就行挤压，使之破碎成较小的块体，然后再就行收集，避免了在特定采掘环境下，面对较大物体时，采掘轮体无法收集的情况，通过前置摄像机y1对现场物体就行图像收集及上传到视觉识别系统中分析，再对采掘臂41就行各角度调节，将挤压组件43放置到采掘的外周进行加压成小块。
40.挤压组件43包括填料部44、推料部45和用于将填料部44、推料部45相互靠近或远离的滑动部46。
41.采掘轮体42为两个，两个采掘轮体42的中心线上设有滑动横轴421，填料部44、推料部45通过滑动横轴421分别与两个采掘轮体42的连接，填料部44上开设有多个凹槽441，推料部45上开设有与凹槽441相匹配的多个凸起451。
42.控制挤压组件43中的推料部45，使其与填料部44靠近或远远离，其中的多个凹槽441、凸起451相配合，将物体压碎，填料部44、推料部45与两个轮体42采用同心设计，在压碎的同时，不影响挖掘指420对原本较小物体的收集，两者独立，其中压碎后的物体掉落后，改变采掘轮体42的位置后即可连续不间断采掘作业。
43.滑动部46包括滑动架体462、与滑动架体462连接的驱动电机461、螺杆463，螺杆463 的外周套设有滑动块464，驱动电机461驱动螺杆463转动，从而控制滑动块464在滑动架体462上来回移动，滑动块464上设有拨杆465，拨杆465的另一端与推料部45连接。
44.实施例二：
45.本实施例作为上一实施例的进一步改进，如图1
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6所示，本发明的基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备，包括驾驶舱体1、行进组件2、输送机构3、作业部4和视觉识别系统，作业部4与行进组件2的上端连接，视觉识别系统设置于驾驶舱体1的外侧，作业部 4的前端连接采掘臂41、采掘轮体42，采掘轮体42与采掘臂41活动连接，采掘轮体42转动将采掘物收集在其内部，采掘轮体42的上设有挤压组件43，挤压组件43将采掘物压碎，采掘臂41控制采掘轮体42转动并将收集的采掘物转运至输送机构3上。
46.本发明采用在采掘轮体42上设置挤压组件43，利用视觉识别技术，可对采掘物就行预判断，根据设置好的物体参数，对体积较大的物体就行挤压，使之破碎成较小的块体，然后再就行收集，避免了在特定采掘环境下，面对较大物体时，采掘轮体无法收集的情况，通过前置摄像机y1对现场物体就行图像收集及上传到视觉识别系统中分析，再对采掘臂41就行各角度调节，将挤压组件43放置到采掘的外周进行加压成小块。
47.挤压组件43包括填料部44、推料部45和用于将填料部44、推料部45相互靠近或远离的滑动部46。
48.采掘轮体42为两个，两个采掘轮体42的中心线上设有滑动横轴421，填料部44、推料部45通过滑动横轴421分别与两个采掘轮体42的连接，填料部44上开设有多个凹槽441，推料部45上开设有与凹槽441相匹配的多个凸起451。
49.控制挤压组件43中的推料部45，使其与填料部44靠近或远远离，其中的多个凹槽441、凸起451相配合，将物体压碎，填料部44、推料部45与两个轮体42采用同心设计，在压碎的同时，不影响挖掘指420对原本较小物体的收集，两者独立，其中压碎后的物体掉落后，改变采掘轮体42的位置后即可连续不间断采掘作业。
50.滑动部46包括滑动架体462、与滑动架体462连接的驱动电机461、螺杆463，螺杆463 的外周套设有滑动块464，驱动电机461驱动螺杆463转动，从而控制滑动块464在滑动架体462上来回移动，滑动块464上设有拨杆465，拨杆465的另一端与推料部45连接。
51.填料部44的内部还设有切削组件47，切削组件47设置于多个凹槽441的内侧。
52.在采掘轮体42增加切削组件47，让填料部44、推料部45保持靠近，可将压碎后的小体积的采掘物先不下落，而让切削组件47对其作用。
53.切削组件47包括从下至上依次连接的底座471、出料引导盘472、研磨盘体473、切削盘474。
54.切削盘474转动，可对硬度较大的物体产生切削，避免在挤压组件43无法对硬度较大的物体破碎的情况之下，造成凸起451的损坏。研磨盘体473对已破碎后的采掘物研磨，可根据实际需要对其中的物体加工，减轻后续经输送机构3转运后的深加工阶段的负担。
55.还包括弹簧475，弹簧475设置于研磨盘体473与切削盘474之间。
56.弹簧475可让研磨盘体473、切削盘474保持相对的距离，根据采掘物的大小自适应两者的位置。
57.切削组件47与多个凹槽441之间还设有打散架48。
58.打散架48将物体就行打散，避免堆积的情况。
59.视觉识别系统包括图像处理系统、前置摄像机y1和后置摄像机y2，前置摄像机y1安装在采掘臂41的前部，后置摄像机y2安装在输送机构3上，图像处理系统通过前置摄像机y1 和后置摄像机y2对现场图像的实时拍摄，并分别通过数据接口与外部控制系统连接，利
用立体成像技术对后置摄像机y2拍摄的图像进行立体建模。
60.上述的基于视觉识别技术的多功能无人操作采掘装备的使用方法，包括以下步骤：
61.s1：三维场景建模，前置摄像机y1和后置摄像机y2从不同的角度同时获取同一景物的两幅图像，根据同一景物在两个摄像机上成像视差恢复出景物的状态，得到了空间中物体特征点的坐标与图像平面的坐标之间的关系，通过计算空间点在两幅图像中的视差来获取其三维坐标值构建三维场景；
62.s2：采掘物的收集，采掘臂41带动采掘轮体42转动，通过采掘轮体42外侧的设置的多个挖掘指420将采掘物挖起，当挖掘指420随采掘轮体42转动到达采掘轮体42最高点时，挖掘指420在采掘轮体42上转动，采掘物在重力的作用下掉落到采掘轮体42的内部，达到收集采掘物的目的；
63.s3：采掘臂41对采掘轮体42驱动，后置摄像机y2判断物输送机构3是否有相同形态的采掘物移动，如判断无采掘物，外部控制系统控制滑动部46启动，将填料部44、推料部靠近，把采掘轮体42内的采掘物挤压成小块。
64.以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
65.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
66.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。