[发明专利]基于结构光的挖掘机挖斗土方体积实时测量方法及测量装置

权利要求书

1.一种基于结构光的挖掘机挖斗土方体积实时测量方法，其特征是包括以下步骤：

由结构光发射投影仪将含有编码信息的虚拟光栅投射于待测土方表面，通过相机捕捉经待测物体表面高度调制变形后的光栅，此时待测土方表面的深度点云信息已经包含于变形后的光栅条纹中，然后对相机捕捉到的光栅图像通过解码程序进行解码，计算出像素点坐标，得出土方表面的三维点云图；

利用canny方法对预处理后的三维点云图进行边缘提取，然后求出挖斗上截面边缘轮廓的大小，并筛选出最大的挖斗上截面轮廓，当提取出来的挖斗上截面边缘轮廓最大时，根据此计算出的体积与实际土方体积最为接近；

在体积计算时，首先判断挖斗内有效区域中间范围的点云数据高度是否高于挖斗边缘高度，高时则为装满土方状态，反之则为未装满土方状态，针对两种不同状态用两种不同的体积分割计算方法计算实际土方体积；

最后将土方体积数据进行存储，方便工程人员提取数据；

其中具体的筛选流程如下：

（1）将挖掘机的工作过程视为多段，每一段为一个循环，一个循环中包含挖土倒土过程，一个循环的时间记为t；

（2）在时间t内相机连续捕捉到多张点云图，则将获取到的挖斗上截面轮廓最大的点云图输出，进行后续处理及体积计算；

（3）倘若一段或连续多段时间内获取的点云图中的挖斗上截面轮廓都是接近于实际中的挖斗上截面边缘轮廓，说明挖斗上截面与结构光发射投影仪镜头平面处于平行或接近于平行状态，因此任取一张图片进行后续处理及体积计算；

（4）倘若一段或连续多段时间内获取的点云图中的挖斗上截面轮廓与实际中的挖斗边缘轮廓相差甚远，说明挖斗上截面与结构光发射投影仪镜头平面处于非平行状态，则不进行图片提取及体积计算，直到下一次最大值出现；

（5）倘若某段时间内有两次挖斗上截面轮廓峰值出现，则将对应的两张点云图都提取，并进行后续处理及体积计算。

2.如权利要求1所述的一种基于结构光的挖掘机挖斗土方体积实时测量方法，其特征是在进行土方体积计算时，针对两种不同状态用两种不同的体积分割计算方法计算实际土方体积：

状态一：装满土方，凸体积通过相机捕捉到的土方表面点云数据进行计算，挖斗体积根据不同挖掘机型号匹配其各自标准的装载体积，最终将两部分体积相加得到土方总体积；

状态二：未装满土方，凹体积通过相机捕捉到的土方表面点云数据进行计算，挖斗体积根据挖掘机型号不同匹配其标准的装载体积，最终用挖斗装载体积减去凹体积得到土方总体积。

3.如权利要求2所述的一种基于结构光的挖掘机挖斗土方体积实时测量方法，其特征是利用微分法数学原理将凹、凸体积看为整体，将挖斗上截面微分为n个相等面积的正方形，以此正方形为滑移窗口在挖斗上截面上逐步滑移，从底面的一角开始进行弓形滑移直至最后一角，根据每一个正方形所对应的土方深度信息计算出每一棱柱的体积，凹、凸总体积等于所有棱柱体积之和。

4.一种基于结构光的挖掘机挖斗土方体积实时测量装置，其特征是包括结构光发射投影仪（4）、相机（5）、多自由度连接部件（1）、电源（6）以及工控机（7），所述多自由度连接部件（1）包括主底板（13），在主底板（13）的上方设有两个对称的连接带（2），连接带（2）的上端设有松紧螺栓（3），在主底板（13）的下方依次设有两个对称的第一层滑轨滑块（10）、第二层滑轨滑块（11）和第三层球轴承（12），在第三层球轴承（12）下端分别固定有结构光发射投影仪安装底板（8）和相机安装底板（9），分别安装结构光发射投影仪（4）和相机（5），主底板（13）下方中部位置（14）是电源（6）和工控机（7）的安装位置。

5.如权利要求4所述的基于结构光的挖掘机挖斗土方体积实时测量装置，其特征是将多自由度连接部件（1）与挖掘机运动大臂通过连接带（2）进行固连，其次将结构光发射投影仪（4）、相机（5）、电源（6）、工控机（7）安装在多自由度连接部件（1）相应的位置上，并标定好各部件的位置及角度；多自由度连接部件（1）应保证实现结构光发射投影仪（4）和相机（5）在坐标轴X、Y上的水平位置可调，以及绕坐标轴X、Y转动；电源（6）及工控机（7）只需固定即可，无自由度运动要求；电源安装位置只要保证正常供电且与挖掘机运动臂无干涉即可。