校正作业支援系统转让专利
申请号 : CN202080004790.4
文献号 : CN112639226B
文献日 : 2022-03-15
发明人 : 中城健太 , 金成靖彦 , 泉枝穗
申请人 : 日立建机株式会社
摘要 :
权利要求 :
1.一种校正作业支援系统,其对安装在作业机械所具备的作业装置上的惯性计测装置的校正作业进行支援,其特征在于,具有:用于输入机械信息的输入装置,该机械信息包括所述作业机械的车辆类别信息和所述作业装置的规格信息;
控制装置,其基于从所述输入装置输入的所述机械信息和预先决定的目标姿势信息来生成目标姿势图像,该目标姿势信息是作为对所述惯性计测装置进行校正时的所述作业装置的目标计测姿势而预先决定的,该目标姿势图像是从规定的视点位置以规定的视线方向对采取了所述目标计测姿势的所述作业装置进行观察的情况下的图像;和显示装置,其显示由所述控制装置生成的所述目标姿势图像,所述显示装置构成为,能够使所述目标姿势图像与从所述规定的视点位置以所述规定的视线方向观察到的现实中的所述作业装置重叠。
2.根据权利要求1所述的校正作业支援系统,其特征在于,所述显示装置是配置在搭乘于所述作业机械的驾驶者的前方的透视型显示器,所述规定的视点位置以及所述规定的视线方向是所述驾驶者的视点位置以及视线方向,
所述校正作业支援系统还具有计测所述驾驶者的视点位置以及视线方向的计测装置,所述控制装置基于从所述输入装置输入的所述机械信息、所述目标姿势信息、和由所述计测装置计测出的所述驾驶者的视点位置以及视线方向,生成以所述驾驶者的视点位置以及视线方向对采取了所述目标计测姿势的所述作业装置进行观察时的目标姿势图像来作为所述目标姿势图像。
3.根据权利要求2所述的校正作业支援系统,其特征在于,所述显示装置是供搭乘于所述作业机械的驾驶者佩戴的透视型的头戴式显示器,所述计测装置是搭载于所述头戴式显示器的摄像头,且是对设置于所述作业机械的驾驶室的前方的二维标识进行拍摄的摄像头,所述控制装置基于所述摄像头的内部参数、和所述摄像头的拍摄图像中的所述二维标识的形状来运算所述驾驶者的视点位置以及视线方向。
4.根据权利要求1所述的校正作业支援系统,其特征在于,所述规定的视点位置以及所述规定的视线方向是安装于所述作业机械的摄像头的安装位置以及光轴方向,
所述控制装置基于从所述输入装置输入的所述机械信息、所述目标姿势信息、和所述摄像头的安装位置以及光轴方向,生成由所述摄像头对采取了所述目标计测姿势的所述作业装置进行观察时的目标姿势图像来作为所述目标姿势图像,所述显示装置是配置在搭乘于所述作业机械的驾驶者的前方的显示器,将由所述摄像头拍摄到的所述现实中的作业装置与所述目标姿势图像重叠显示。
说明书 :
校正作业支援系统
技术领域
背景技术
统而具有机械导引(Machine Guidance)。为了实现正确的机械导引,而需要正确检测前作
业机的姿势。
点的重设传感器,该重设基准点是将由行程传感器执行的行程距离的计测值重设的基准
点;检测液压缸的行程结束位置的行程结束检测处理部;在检测到重设基准点及/或行程结
束位置的情况下对行程距离的计测值进行校正(修正)的校正处理部;在进行液压缸的前期
校正作业的情况下进行搭载有液压缸的作业机械整体的显示的监视器;和对用于使校正对
象的液压缸驱动的可动部进行突出显示并且显示驱动方向的突出显示处理部。
发明内容
两种传感器组合来实现高精度且高应答的姿势计测。IMU设置于液压挖掘机的车身以及前
作业机的各部位(动臂、斗杆、铲斗等)的表面,事前校正IMU的安装位置以及安装角度,由此
计测前作业机的姿势。也就是说,在校正作业未实施的情况下,无法向驾驶者提示前作业机
的姿势信息。
停止,由全站仪等的高精度的测量设备来计测此时的IMU的计测值、和各部位的转动部(动
臂销、斗杆销、铲斗连杆销等)的位置坐标,使机械导引控制器学习这两个计测值。此时,为
了提高校正作业的精度,在多个姿势中实施计测值的学习。另外,为了抑制每个量产机的精
度偏差,由作业工序说明书等规定了校正作业中的计测姿势以及计测次数。
的姿势信息,所以可知难以从驾驶者的视点(从驾驶室观察到的前作业机的样子)掌握前作
业机的姿势。因此,以往,从驾驶室外直接视觉观察前作业机的姿势,来确认是否处于正确
姿势。由此,产生了与校正作业无直接关系的、从驾驶室外确认姿势的多余作业,由此作业
性不高。
束处的检测装置来检测行程的动作,报告校正作业的完成。在使用行程传感器的情况下,通
过使用专利文献1的发明,即使不是熟练者也能够高效实施校正作业。
内置于液压缸,所以虽然预先确定了传感器的安装姿势,但IMU的安装姿势不明,需要在校
正作业内进行安装姿势的校正。由此,无法如专利文献1那样地检测液压缸的行程结束来判
断校正作业的结束。另外,在IMU的校正作业中,需要采取若干个计测姿势,在专利文献1的
支援信息(可动部和其驱动方向)中,驾驶者无法判断前作业机是否处于正确的计测姿势。
校正作业支援系统具有:用于输入机械信息的输入装置,该机械信息包括所述作业机械的
车辆类别信息和所述作业装置的规格信息;控制装置,其基于从所述输入装置输入的所述
机械信息和预先决定的目标姿势信息来生成目标姿势图像,该目标姿势信息是作为对所述
惯性计测装置进行校正时的所述作业装置的目标计测姿势而预先决定的,该目标姿势图像
是从规定的视点位置以规定的视线方向对采取了所述目标计测姿势的所述作业装置进行
观察的情况下的图像;和显示装置,其显示由所述控制装置生成的所述目标姿势图像,所述
显示装置构成为,能够使所述目标姿势图像与从所述规定的视点位置以所述规定的视线方
向观察到的现实中的所述作业装置重叠。
附图说明
具体实施方式
够在姿势检测中利用IMU的作业装置的作业机械,也能够适用于液压挖掘机以外的作业机
械。
图所示,液压挖掘机(作业机械)1具有下部行驶体1e、和在该下部行驶体1e的上侧能够旋转
地安装的上部旋转体1B。
配置于旋转车架10后方的配重6;和设置在前作业机1A与配重6间的发动机舱1d。
地支承。在动臂1a的顶端经由斗杆销能够转动地连结有斗杆1b的基端,在斗杆1b的顶端经
由铲斗销能够转动地连结有铲斗1c的基端。动臂1a由动臂液压缸3a驱动,斗杆1b由斗杆液
压缸3b驱动,铲斗1c由铲斗液压缸3c驱动。
者M落座的驾驶席7A、和作为操作装置的四根操作杆7a1~7a4,该操作装置对包括各液压执
行机构3a~3c的动作的车身动作进行指示。
缸3c(铲斗1c)。另外,操作杆7a3(左行驶杆)用于操作下部行驶体1e(左行驶液压马达(未图
示)),操作杆7a4(右行驶杆)用于操作下部行驶体1e(右行驶液压马达(未图示))。
来看,在右侧的支柱16上安装有触摸面板式的输入装置15。在输入装置15中,能够输入液压
挖掘机1的车辆类别信息、前作业机1A的规格信息、用于确定校正作业的对象的作业项目信
息、和用于由各前侧部件1a、1b、1c的旋转角确定目标计测姿势的作业工序信息(也称为目
标姿势信息)。此外,输入装置15也可以兼做显示装置。
援图像)的显示控制装置17B,该目标姿势图像是从驾驶者M的视点位置在驾驶者M的视线方
向上对采取了目标计测姿势的前作业机1A进行观察的情况下的图像;输出由显示控制装置
17B生成的目标姿势图像的投影仪17E;将从投影仪17E输出的目标姿势图像放大缩小的镜
头17F;和供从镜头17F通过的目标姿势图像投影的作为透视型显示器的半透镜17G。半透镜
17G作为显示目标姿势图像的显示装置发挥功能,另一方面构成为,通过其透视性而能够使
目标姿势图像与在驾驶者M的视点位置以及视线方向上观察到的现实中的前作业机1A重
叠。
的构造,由此驾驶者M能够同时视觉确认投影于半透镜17G上的目标姿势图像和前方的现实
景象(也包括现实中的前作业机1A)。显示控制装置17B具有运算装置17C(例如CPU)、记忆装
置17D(例如ROM、RAM等半导体存储器)、通信接口(I/F)17H和输入输出I/F17J。在记忆装置
17D中,针对每个前侧部件,与后述的机械信息建立对应关系地预先记忆有成为目标姿势图
像的基准的前作业机1A的模型数据,在此基础上,还记忆有摄像头17A的内部参数和二维标
识7b的图案文件。另外,HMD17经由通信I/F17H与网络连接,能够与输入装置15进行数据通
信。
面板15B的输入控制装置15G。输入控制装置15G与显示控制装置17B同样地,具有运算装置
15C(例如CPU)、记忆装置15D(例如ROM、RAM等半导体存储器)、通信I/F15H、和输入输出I/
F15J。
和作业信息(参照图7)),由运算装置17C执行记忆装置17D内所记忆的程序,由此作为图5所
示的各部分发挥功能。
标准动臂、两节式动臂、高扬程动臂等)在内的“机械信息”的输入。图7的例构成为,车辆类
别信息和各部分的规格信息供驾驶者M从下拉菜单选择。
输入画面(b)的作业信息输入部15b中输出有“作业信息”中的作业项目的信息(“作业项目
信息”是规定将安装有惯性计测装置的多个前侧部件(动臂、斗杆、附件(铲斗))中的哪个前
侧部件设为姿势计测的对象、即校正作业的对象的信息),作业工序输入画面(c)作业信息
输入部15b中输入有“作业信息”中的作业工序的信息(“作业工序信息”是当对由作业项目
选择的前侧部件上的惯性计测装置进行校正时作为前作业机1A的目标计测姿势而预先决
定的信息)。图7的例中,作业项目的信息(成为姿势计测的对象的前侧部件)以供驾驶者M从
下拉菜单选择的方式构成。作业工序的信息可以按预先决定的工序自动显示预先设定的多
个计测姿势,也可以由驾驶者M手动输入各前侧部件的角度来采取多个目标计测姿势。
入装置15输入的机械信息以及作业信息、和记忆在标识位置信息记忆部17j内的标识7b的
安装位置信息来转换模型数据的坐标的模型坐标转换部17b;基于从输入装置15输入的机
械信息以及作业信息(作业信息中包括目标计测姿势)、和根据摄像头17A的姿势算出的驾
驶者M的视点位置以及视线方向来生成从驾驶者M对采取了目标计测姿势的前作业机1A进
行观察的情况下的图像(目标姿势图像)的目标姿势图像生成部17c;将由目标姿势图像生
成部17c生成的目标姿势图像向半透镜17G投影的显示控制部17d;基于从标识信息记忆部
17h读取的包括标识7b的形状和大小的信息而从摄像头17A的拍摄图像中检测标识7b的标
识检测部17e;基于标识检测部17e检测到的标识7b的形状及大小、和记忆在内部参数记忆
部17i内的摄像头17A的内部参数来计算摄像头17A的位置和姿势(摄像头17A的外部参数)
的摄像头姿势推定部17f;记忆有与车辆类别和规格匹配的多个前作业机1A的模型数据的
模型数据记忆部17g;记忆有包括标识7b的形状和大小的信息的标识信息记忆部17h;记忆
有摄像头17A的内部参数(例如焦点距离和光学中心)的内部参数记忆部17i;和记忆有驾驶
室7内的标识7b的安装位置信息(例如以动臂1a的根部销(动臂销)的位置为基准的位置)的
标识位置信息记忆部17j。
自驾驶者M的校正作业的开始指示的输入为触发而执行图6的流程并将目标姿势图像向半
透镜17G投影。
置15的机械信息输入部15a输入的信息作为S101的机械信息而输入至输入显示控制装置
17B。在机械信息中包括成为校正作业的对象的机械(以下称对象机械)的车辆类别、和构成
前作业机1A的各前侧部件(动臂1a、斗杆1b、铲斗1c)的规格。与机械信息同样地,驾驶者M向
输入装置15的作业信息输入部15b输入的信息作为S102的作业信息而输入至显示控制装置
17B。作业信息中包括校正作业的作业项目(校正对象的安装有惯性计测装置的前侧部件)、
和该作业项目的作业工序(为了对校正对象进行校正而前作业机1A应该采取的目标计测姿
势)。
数据记忆部17g。模型数据以前侧部件(部位)为单位而记忆有动臂1a、斗杆1b、铲斗1c等,对
应于标准动臂、两节式动臂等多种规格。也就是说,模型选择部17a读取与所输入的车辆类
别、规格对应的模型数据。
以及作业工序规定的恰当的目标计测姿势的前作业机1A整体的模型数据(以下,称为前模
型数据)。
各部位的长边方向为Z轴(前侧部件前方为正)的左手正交坐标系,则从部位模型数据(xm,
ym,zm)向目标计测姿势的前模型数据(xf,yf,zf)的转换能够使用如下的式子(参照数式1)来
进行。此外,θ是与作业信息输入部15b获取的作业信息建立了对应关联的各部位的旋转角
度,(Tx,Ty,Tz)表示每个部位的平移向量。
TB、斗杆1b的平移向量TS、铲斗1c的平移向量TA分别由如下式子(参照数式2)表示。在此,LB
表示动臂长度,LS表示斗杆长度,LA表示铲斗长度,θB表示动臂旋转角度,θS表示斗杆旋转角
度。
动臂1a的基端侧的旋转轴为基准的前模型坐标系向标识坐标系的坐标转换(S106)。由此使
实际中的前作业机1A的动臂1a根部销位置与前模型数据的动臂根部销位置一致。
方向为Z轴(车身前方为正)的左手正交坐标系,则使用从实际中的液压挖掘机1的动臂销的
中心位置到标识安装中心位置为止的距离向量(tx,ty,tz),向标识坐标系的转换后的前模
型数据的坐标(xr,yr,zr)由如下式子表示。此外,标识7b的安装位置信息预先记忆在标识位
置信息记忆部17j,标识7b与动臂根部销平行地设置。
记忆部17h读取包括标识的形状和大小的信息(S108),并基于该信息来检测拍摄图像内所
拍到的标识7b(S109)。
理,由此将拍摄图像向二值化图像转换。接着,为了检测标识7b的轮廓,进行边缘检测处理。
将明度差大的像素设为边缘。边缘检测例如使用索贝尔滤波器(Sobel filter)而对二值化
图像进行索贝尔滤波器的核函数的卷积运算,由此检测水平方向和垂直方向的边缘。而且,
相对于检测到的边缘进行直线近似。在直线近似中使用最小二乘法和霍夫变换。通过直线
近似,获取近似的直线的交点坐标来作为标识矩形的顶点。而且,标识检测部17e检测由从
图像处理后的拍摄图像中获取的标识矩形的四个顶点而规定的四边形区域(也就是说拍摄
到标识7b的区域),对该四边形区域的形状、和在标识信息记忆部17h作为向量形式的参数
数据预先记忆的标识7b的形状(模板图案)进行图案匹配。并且,标识检测部17e在双方的匹
配率超过规定阈值的情况下,判断为在拍摄图像内检测到的四边形区域相当于标识7b,在
摄像头17A的拍摄图像中拍到了标识7b。
像头17A的外部参数(摄像头17A的姿势和位置)(S111)。摄像头17A的姿势和位置能够改称
为摄像头17A的光轴方向和安装位置。能够根据摄像头17A的姿势和位置来运算驾驶者M的
视点位置和视线方向。内部参数是包括摄像头17A的失真的不依赖摄像头17A的位置和姿势
的变化的硬件固有的参数,预先记忆在记忆装置17D内所设的记忆区域、即内部参数记忆部
17i内。
换能够使用摄像头17A的内部参数来表示。在此,内部参数包括半透镜17G上设定的画面坐
标系的原点、摄像头17A的焦点距离、像素的标度因数、摄像头17A的半径方向以及圆周方向
上的失真。
是将能够忽视定数倍、和标识7b的顶点处于标识坐标系的同一平面上作为限制条件,未知
数成为7个。因此,若从摄像头17A的拍摄图像算出的摄像头坐标系中的标识7b的顶点坐标
与标识坐标系中的标识7b的顶点坐标之间的组合为4组,则能够解开方程式。也就是说,能
够根据标识检测部17e检测的摄像头坐标系中的标识7b的四个顶点坐标求出透视投影矩阵
的成分。
像头17A的位置、姿势。
中的前模型数据向半透镜17G上设定的画面坐标系转换(透视投影转换)。通过该透视投影
转换,前模型数据从三维的标识坐标系向二维的画面坐标系转换。这样地透视投影转换后
的前模型数据的图像是图8的右侧所示的、从驾驶者M观察到的对前作业机1A的目标计测姿
势进行表示的目标姿势图像24。显示控制部17d将由目标姿势图像生成部17c生成的目标姿
势图像24向投影仪17E输出,由此目标姿势图像24投影至半透镜17G(S113)。在图8的左侧表
示驾驶者M借助半透镜17G看到的现实中的前作业机1A和目标姿势图像24重叠的样子。也就
是说,本实施方式的HDM17(半透镜17G)作为如下显示装置实现功能,该显示装置构成为,能
够使目标姿势图像24与在驾驶者M的视点位置以及视线方向上观察到的现实中的前作业机
1A重叠。
用。
作业控制装置)20;和对将前作业机1A的前侧部件1a、1b、1c连结的各销p1~p6以及铲斗爪
尖p7(参照后述的图13)的三维位置坐标进行计测的销位置计测装置(例如全站仪)19。控制
器20能够搭载于液压挖掘机1,与输入装置15、惯性计测装置S1、S2、S2以及销位置计测装置
19以能够实现数据通信的方式连接。此外,控制器20可以通过对HMD17的显示控制装置和输
入装置15的输入控制装置安装程序而构成于HMD17和输入装置15内,也可以构成于与液压
挖掘机1独立的计算机内。
作为图11中所示的各部分发挥功能。控制器20作为计测指示接收部20a、计测指示发送部
20b、计测值获取部20c、输出信号获取部20d、以及安装角度计算部20e实现功能,在记忆装
置内的记忆区域内确保信息记忆部20f的构成。使用图12,与控制器20的各部分的说明一同
来说明由控制器20执行的处理的流程图。
始图12所示的流程图。当流程开始后,经由电气线缆等与输入装置15连接的控制器20的计
测指示接收部20a获取从输入装置15输出的计测指示信号(S114)。
置计测装置19例如是全站仪等能够高精度计测角度和距离的装置,以下说明销位置计测装
置19为全站仪的情况。如图13所示,对于将前作业机1A的各前侧部件1a、1b、1c连结的各销
p1~p6以及铲斗爪尖p7的轴向端面,预先设置有计测用标识。从控制器20接收到计测指示
信号的全站仪(销位置计测装置19)计测离各标识的距离以及角度。当计测结束之后,全站
仪(销位置计测装置19)将该计测值(离各标识的距离以及角度)向控制器20发送,由此控制
器20获取全站仪的计测值(S116)。此外,由于全站仪的构成以及工作是公知的,所以在此省
略说明。
~S3相对于前作业机1A的各前侧部件的安装角度(S118),并将其作为校正信息而记录至校
正信息记忆部20f(S119)。
标计测姿势))后,显示控制装置17B生成在驾驶者M的视点位置以及视线方向上对采取了目
标计测姿势的前作业机1A进行观察的情况下的图像(目标姿势图像24),并将该目标姿势图
像24投影至HMD17的半透镜17G。HMD17的半透镜17G具有透视性,由此,目标姿势图像24与此
时的在驾驶者M的视点位置以及视线方向上观察到的现实中的前作业机1A重叠(参照图8)。
与现实中的前作业机1A同样地,目标姿势图像24也是在驾驶者M的视点位置以及视线方向
上观察到的前作业机1A的姿态。因此,驾驶者M仅仅靠以使现实中的各前侧部件与半透镜
17G上的目标姿势图像中的各前侧部件重合的方式对操作杆7a1、7a1进行操作来使现实中
的前作业机1A动作,就能够身处驾驶室7内使前作业机1A采取对于校正作业所必要的目标
计测姿势。也就是说,惯性计测装置S1、S2、S2的校正作业中,驾驶者M无需离开驾驶室7从液
压挖掘机1的侧方通过视觉观察确认前作业机1A的姿势,不论驾驶者M的熟练度,都能够身
处驾驶室7内将前作业机1A操作为正确的目标计测姿势。该结果为,不需要从驾驶室7外通
过视觉观察进行确认的工序,提高校正作业整体的作业性。
此推定驾驶者M的头部姿势,控制半透镜17G上的目标姿势图像24的显示。
驶室7中的右侧的支柱13上的显示装置18。在显示装置18的壳体内收纳有显示控制装置
17B。
26与上述的实施方式相同地是基于输入装置9获取的机械信息和作业信息而生成的。在显
示器18的表面(图中左)显示有摄像头18A拍摄到的驾驶室前方的拍摄图像25、和从摄像头
18A的安装位置朝向摄像头18A的光轴方向观察采取了目标计测姿势的前作业机1A的模型
数据的情况下的图像(目标姿势图像)26,撮像图像25上的现实中的前作业机1A上重叠显示
有目标姿势图像26。此外,其他部分与之前的实施方式相同,省略说明。
向。显示控制装置17B基于从输入装置15输入的机械信息、目标姿势信息(作业信息)、和摄
像头18A的安装位置以及光轴方向,作为由摄像头18A对采取了目标计测姿势的前作业机1A
进行观察时的图像(目标姿势图像)26而生成图像。显示装置18是配置在落座于驾驶室7内
的驾驶席上的驾驶者M的前方的显示器,使由摄像头18A拍摄到的现实中的前作业机1A与目
标姿势图像26重叠显示。
像26。因此,驾驶者能够身处驾驶室7内容易地掌握目标姿势图像26与现在的前作业机1A的
姿势之间的差量。也就是说,不论驾驶者M的熟练度,都能够身处驾驶室7内将前作业机1A操
作为正确的目标计测姿势。该结果为,不需要从驾驶室7外通过视觉观察进行确认的工序,
提高校正作业整体的作业性。
的方案。另外,也能够将某一实施方式的一部分构成对其他实施方式的构成追加或置换。
目标姿势图像在共通的视点位置以及视线方向上重合的视点位置以及视线方向,也可以以
希望的视点位置以及视线方向为基准来生成目标姿势图像。
上设计执行各功能的逻辑等)实现其一部分或全部。另外,上述控制装置的构成也可以作为
通过由运算装置(例如CPU)进行读取和执行来实现该控制装置的构成的各功能的程序(软
件)。该程序的信息例如能够记忆在半导体存储器(闪存、SSD等)、磁性记忆装置(硬盘驱动
器等)以及记录介质(磁盘、光盘等)等。
为在现实中几乎全部构成是相互连接的。
15a…机械信息输入部,15b…作业信息输入部,16…支柱,17…头戴式显示器,17A…摄像
头,17B…显示控制装置,17C…运算装置,17D…记忆装置,17E…投影仪,17F…镜头,17G…
半透镜,17H…通信I/F,17a…模型选择部,17b…模型坐标转换部,17c…目标姿势图像生成
部,17d…显示控制部,17e…标识检测部,17f…摄像头姿势推定部,17g…模型数据记忆部,
17h…标识信息记忆部,17i…内部参数记忆部,17j…标识位置信息记忆部,18…显示装置,
18A…摄像头,24、26…目标姿势图像,25…前景图像。