韓寶虎 趙亮 韓希君

摘 要：針對(duì)以往使用的GPS、電渦流法、超聲波法移動(dòng)軌線自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)受到噪聲干擾，而導(dǎo)致識(shí)別精度低的問題，提出了基于深度八叉樹的露天礦粘接機(jī)器人移動(dòng)軌線自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用充電樁對(duì)電池進(jìn)行充電，保證系統(tǒng)持續(xù)供電8 h以上。利用IMX179型照相機(jī)，從后方和側(cè)面角度拍攝了露天礦粘接機(jī)器人的移動(dòng)畫面。利用搖把開關(guān)控制avt31 HD視頻跟蹤器，跟蹤機(jī)器人的移動(dòng)軌跡。采用深度八叉樹將識(shí)別數(shù)據(jù)繪制到三維實(shí)體中，避免了繁瑣的數(shù)據(jù)查找過程，方便了三維子體的定位。采用白平衡技術(shù)消除外界光線干擾，獲得清晰的視頻圖像。構(gòu)造深度八叉樹存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行迭代處理，得到單通道亮度圖像，即：軌道線。利用三階貝茲曲線對(duì)其進(jìn)行擬合，確定機(jī)器人的工作軌線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)軌線長(zhǎng)度200 m，識(shí)別精準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：深度八叉樹;露天礦;粘接機(jī)器人;移動(dòng)軌線;自動(dòng)識(shí)別

中圖分類號(hào)：TN958?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1001-5922（2022）03-0172-05

Design of automatic recognition system for moving

trajectory of bonding robot based on depth octree

HAN Baohu，ZHAO Liang，HAN Xijun

（Storage Center of Hiller Energy Co.，Ltd. Hulun Buir 021000，Inner Mongolia China）

Abstract：

Aiming at the problem that the GPS， eddy current method and ultrasonic method mobile trajectory automatic identification system used in the past is interfered by noise， which leads to the problem of low identification accuracy， an automatic identification system design for the mobile trajectory of the bonding robot in open-pit mine based on the depth octree is proposed. Use the charging pile to charge the battery to ensure that the system can continue to supply power for more than 8 hours. Using the IMX179 camera， the moving pictures of the open-pit mine bonding robot were taken from the rear and side angles. Use the rocker switch to control the avt31 HD video tracker to track the movement of the robot. The recognition data is drawn into the three-dimensional entity by using the depth octree， which avoids the tedious data search process and facilitates the positioning of the three-dimensional sub-body. White balance technology is used to eliminate external light interference and obtain clear video images. Construct a deep octree storage structure， and iteratively process it to obtain a single-channel luminance image， that is， a track line. The third-order Bezier curve is used to fit it to determine the working trajectory of the robot. It can be seen from the experimental results that the trajectory length of the system is 200 m， which is consistent with the ideal situation and has accurate identification results.

Key words：

deep octree; open pit mine; bonding robot; moving trajectory; automatic identification

目前，露天礦帶式輸送機(jī)與天然氣管道之間工作環(huán)境溫度一般為-45～40 ℃，作業(yè)環(huán)境溫差較大，溫度偏高[1]。由于環(huán)境溫差較大導(dǎo)致輸送機(jī)傳送皮帶壽命減少，局部容易開裂，造成傳送故障。在實(shí)現(xiàn)裂縫實(shí)時(shí)，有效的粘接修復(fù)前，必須對(duì)粘接機(jī)器人的移動(dòng)軌跡進(jìn)行有效的識(shí)別[2]。采用人工檢測(cè)的方法，在這種特殊的工作環(huán)境下，人工勞動(dòng)強(qiáng)度增大，同時(shí)也存在著檢測(cè)效率低、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)[3]。UAV飛行式 GPS移動(dòng)軌道自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的使用，也會(huì)受到自身、信號(hào)傳輸和地面接收設(shè)備等因素的影響，從而引起 GPS定位信息的誤差[4]。此外，露天礦粘接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)信息比較稀疏，無法對(duì)局部目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

現(xiàn)有的方法多采用電渦流軌線自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)或超聲波軌線自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，其中渦流軌道識(shí)別系統(tǒng)是利用軌道探傷儀產(chǎn)生的感應(yīng)電流來識(shí)別運(yùn)動(dòng)軌跡。但是，識(shí)別系統(tǒng)中高頻激勵(lì)信號(hào)的存在，使識(shí)別信號(hào)的處理和識(shí)別速度變慢。超聲波自動(dòng)識(shí)別軌道系統(tǒng)雖然是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的技術(shù)，但其探傷探頭在被連續(xù)超聲波脈沖發(fā)射到軌道上檢測(cè)運(yùn)動(dòng)軌道時(shí)也會(huì)受到干擾，從而影響識(shí)別精度。因此，根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)了一種基于深度八叉樹的露天礦山粘接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)露天礦實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了基于深度八叉樹的露天礦粘接機(jī)器人移動(dòng)軌線自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

由圖1可知，系統(tǒng)是通過將充電樁和充電探頭連接在一起，從而為鋰電池充電，并使用DC降壓模塊和逆變器為箱內(nèi)設(shè)備供電[5-7]。無線通信主機(jī)1、2由識(shí)別箱側(cè)的開關(guān)傳送到監(jiān)控屏幕;識(shí)別箱側(cè)曲柄式跟蹤箱發(fā)送的露天礦粘接機(jī)器人移動(dòng)跟蹤信號(hào)由無線通信主機(jī)2到達(dá);1號(hào)識(shí)別箱側(cè)及身體上的運(yùn)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤器內(nèi)有運(yùn)動(dòng)跟蹤程序，用于跟蹤粘接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，可進(jìn)行前進(jìn)、后退、停止、粘接、復(fù)位、充電等各種作業(yè)[8-10]。

1.1 充電樁

根據(jù)充電樁在戶外安裝的實(shí)際工作情況，需要考慮其防水絕緣問題，避免接通電源后發(fā)生火災(zāi)事故[11]。所以自制的阻燃有機(jī)玻璃充電樁，在電機(jī)內(nèi)部使用高碳鋼電刷充電探頭，保證了充電探頭與接觸點(diǎn)的銅片接觸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生火花或電弧，且導(dǎo)電性能好、耐磨、消弧性能好，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，充電樁內(nèi)置高強(qiáng)度壓縮彈簧，電動(dòng)制動(dòng)充電探針。通過對(duì)壓縮彈簧的壓力，使帶電探針與銅板充分接觸，保證充放電接觸面良好，不受外界環(huán)境影響。針對(duì)每臺(tái)設(shè)備的功耗，在供電方面采用48 V、80 AH鋰聚合物電池組供電給系統(tǒng)充電探頭，可保證整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)供電8 h以上[12]。鋰電池充電器連接著充電探頭，并連接到可充電的鋰電池銅片上[13]。本機(jī)配有鋰電池組和充電器，電池過充保護(hù)電路，充電后能自動(dòng)停止充電，對(duì)鋰電池組起到保護(hù)作用;同時(shí)能有效延長(zhǎng)其使用壽命，節(jié)省成本。

1.2 高清球機(jī)

采用高速攝像機(jī)對(duì)露天礦粘接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行拍攝時(shí)，可以通過多臺(tái)高速攝像機(jī)同時(shí)拍攝，實(shí)現(xiàn)多角度觀測(cè)。選取采樣角時(shí)，應(yīng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)模型建立原理，將相機(jī)置于目標(biāo)物的背面及側(cè)面，進(jìn)行后角及側(cè)角的拍攝[14]。依據(jù)視頻逐幀播放分析運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡和運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)所建立的模型和標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行路徑跟蹤。采用IMX179攝像機(jī)拍攝作物工業(yè)級(jí)光學(xué)全波鏡頭，可任意角度選擇，成像清晰，并增加了補(bǔ)光夜視功能[15]。根據(jù)對(duì)模型和標(biāo)點(diǎn)的路徑跟蹤，即插即用USB2.0的標(biāo)準(zhǔn)速度可以達(dá)到60 MB/s;同時(shí)還可以使用 UVC驅(qū)動(dòng)程序。

1.3 移動(dòng)跟蹤器

利用avt31 HD標(biāo)取差器的設(shè)計(jì)思想，將捕獲和自跟蹤兩種模式下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)速，使跟蹤更可靠、更平滑、更全面。avt31型 HD視頻跟蹤器，跟蹤性能平穩(wěn)可靠，通用性好，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的跟蹤與預(yù)測(cè)[16]。該跟蹤器具有多核 DSP和 FPGA作為主芯片，具有24位的 RGB格式視頻輸入接口;在VGA接口的 RGB部分，疊加了同步信號(hào)和 RGB部分，可實(shí)現(xiàn)隔行逐行處理。該視頻接口實(shí)現(xiàn)了數(shù)字模擬 HD視頻，可支持高達(dá)1 080 p 60 Hz的逐行視頻，像素頻率可達(dá)165 MHz，可進(jìn)行S232通信和控制接口。

1.4 搖柄開關(guān)盒

在搖桿開關(guān)盒上設(shè)置有跟蹤手柄，跟蹤中心的操作人員在從顯示器上遠(yuǎn)程識(shí)別場(chǎng)景后，僅需在搖桿開關(guān)盒上設(shè)置跟蹤手柄，即可對(duì)粘接箱的移動(dòng)和停止進(jìn)行檢查和控制。操作者只需坐在室內(nèi)進(jìn)行跟蹤，通過觀察屏幕就能自動(dòng)識(shí)別出運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)完成自動(dòng)識(shí)別工作。本實(shí)用新型還具有一鍵識(shí)別、一鍵復(fù)位充電功能，能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)軌線智能識(shí)別與控制。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 基于深度八叉樹三維體識(shí)別數(shù)據(jù)繪制

在面對(duì)大量復(fù)雜、繁瑣的三維數(shù)據(jù)時(shí)，三維數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)繪制是一個(gè)非常困難的問題，計(jì)算和繪制速度都很慢。當(dāng)前即使是最高端的繪圖工作站，也不能達(dá)到高逼真度的三維視覺效果，不能滿足實(shí)時(shí)繪制的要求。因此，需要使用深度八叉樹來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模三維數(shù)據(jù)體繪制的要求。

三維數(shù)據(jù)域具有不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要有3種形式：方格網(wǎng)格、矩形網(wǎng)格和不規(guī)則網(wǎng)格。由于規(guī)則排列的網(wǎng)格并不局限于每個(gè)網(wǎng)格，只需要在網(wǎng)格點(diǎn)的屬性值之外，

記錄初始點(diǎn)的位置坐標(biāo)和網(wǎng)格間距，存儲(chǔ)容量小，僅適用于大規(guī)模使用和管理。網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一種具有規(guī)則間隔的網(wǎng)格陣列，它可以將原始數(shù)據(jù)卷分割成大小相等的子塊。如果數(shù)據(jù)塊過大或過小時(shí)，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的軟硬件條件，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)調(diào)度過度，影響機(jī)器的處理能力。為此，提出一種基于深度八叉樹的算法，三維數(shù)據(jù)處理過程主要以三維數(shù)據(jù)體的細(xì)化為基礎(chǔ)，對(duì)三維軸的各個(gè)方向進(jìn)行細(xì)化處理。

數(shù)據(jù)三維體字節(jié)數(shù)量的計(jì)算公式是：

N=log8VV0

式中：V表示識(shí)別數(shù)據(jù)三維體字節(jié)數(shù)量;V0表示載入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)三維數(shù)據(jù)體從粗略到詳細(xì)的全局觀測(cè)，并支持全局體繪制，需要對(duì)其進(jìn)行編碼，以建立子實(shí)體間的空間關(guān)系。大型三維數(shù)據(jù)體可以是多個(gè)不同尺寸粒度的子體，而且每個(gè)子體都具有單獨(dú)繪制處理的能力。子實(shí)體之間的空間關(guān)系主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，它主要表現(xiàn)為一個(gè)粗壯子實(shí)體與若干弱細(xì)子實(shí)體之間的細(xì)節(jié)層次關(guān)系;另一方面，它又表現(xiàn)為子實(shí)體之間的鄰接關(guān)系，即同一層的位置。采用此代碼是為了方便子體定位和避免復(fù)雜的搜索過程。

2.2 基于深度八叉樹自動(dòng)識(shí)別流程設(shè)計(jì)

基于深度八叉樹露天礦粘接機(jī)器人移動(dòng)軌線特點(diǎn)，進(jìn)行如下流程設(shè)計(jì)。

步驟1：由無人機(jī)攝取軌道視頻圖像，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，使用白平衡處理方法來消除環(huán)境光的影響。首先根據(jù)預(yù)先的識(shí)別結(jié)果提取相關(guān)區(qū)域，然后將相關(guān)區(qū)域轉(zhuǎn)換成單通道亮度圖像。詳細(xì)內(nèi)容為：采用灰度世界法消除環(huán)境光的影響，使 R、G、B圖像經(jīng)過變換后，其平均灰度值趨于同一水平;通過對(duì)單道亮度圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將 BGR模式圖像轉(zhuǎn)換為 HLS模式，并以L分量表示亮度信息，通過4次量化亮度值得到最終的單通道亮度圖像。

步驟2：利用深度八叉樹算法實(shí)現(xiàn)了視頻圖像的軌跡識(shí)別。依據(jù)深度八叉樹識(shí)別原理，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)磁盤文件。

圖1顯示了深度八叉樹的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

由圖3可知，該存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括（8n-1）/7個(gè)文件。其中，n表示八叉樹深度，在進(jìn)行稀疏處理之后，完成了所有文件處理。

根據(jù)深度八叉樹型邏輯結(jié)構(gòu)，將露天礦粘接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理。每個(gè)子段被分成8個(gè)子段，也就是說，每個(gè)子段被分成8個(gè)子段，每個(gè)子段對(duì)應(yīng)一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，子體8等分如圖4所示。

如圖4所示，等分后得到完整的八叉樹，且八叉樹節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)大小相同，對(duì)應(yīng)于露天礦粘接機(jī)器人的軌跡數(shù)據(jù)。從葉節(jié)點(diǎn)開始，各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的露天礦粘接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡可識(shí)別如下。

每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)具有1/8的數(shù)據(jù)大小，通過兩次稀釋值（即點(diǎn)之間的時(shí)間間隔），將8個(gè)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)合并成1/8的子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)大小，得到所有非葉子節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。對(duì)合并后的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)稀釋，經(jīng)迭代處理，可以得到單通道亮度圖像。比較單通道和動(dòng)態(tài)門限的亮度值，作為新的識(shí)別節(jié)點(diǎn)，最終獲得亮度較大的二值圖像。判別二值化圖像的熵是否大于閾值，或者迭代處理次數(shù)是否大于10次。滿足此要求時(shí)，處理過程將停止，否則將繼續(xù)迭代處理。對(duì)二值圖的連通域處理，選擇區(qū)

域最大的兩個(gè)連通域?qū)υ朦c(diǎn)進(jìn)行消噪，從而得到軌道線。

步驟3：利用3次貝茲曲線進(jìn)行擬合，可獲得軌跡線的直線或分段。然后，按照縱坐標(biāo)對(duì)擬合點(diǎn)進(jìn)行排序，確定起點(diǎn)和終點(diǎn)，計(jì)算貝茲曲線的跟蹤點(diǎn)坐標(biāo)，得到擬合結(jié)果。

設(shè)軌道線路所在的直線段或曲線段上的某點(diǎn)為Q（t），表達(dá)公式為：

Q（t）=T（t）MP=[t3 t2 t 1]

P0

P1

P2

P3

式中：T表示兩點(diǎn)歐氏距離;M表示權(quán)重矩陣;P表示起點(diǎn)P0、終點(diǎn)P1和跟蹤點(diǎn)P3矩陣。

以縱坐標(biāo)為基準(zhǔn)，縱坐標(biāo)上的最小點(diǎn)為起點(diǎn)，縱坐標(biāo)上的最大點(diǎn)為終點(diǎn)，對(duì)所得輪廓點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。將乘法計(jì)算轉(zhuǎn)化為大量的加法計(jì)算，并進(jìn)行參數(shù)值擬合。通過對(duì)前后幀的左右距離進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)前后幀之間的距離判斷識(shí)別結(jié)果是否正確。當(dāng)兩點(diǎn)歐氏距離大于設(shè)定閾值像素時(shí)，在一定的移動(dòng)范圍內(nèi)，識(shí)別結(jié)果將被判定為干擾軌線;否則，識(shí)別結(jié)果將被判定為真實(shí)移動(dòng)軌線。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以露天煤礦為背景，對(duì)基于深度八叉樹的露天礦粘接機(jī)器人移動(dòng)軌線自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 模擬跟蹤

將露天礦粘接機(jī)器人在搭建的模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行跟蹤實(shí)驗(yàn)，設(shè)置起點(diǎn)與終點(diǎn)之間距離為100 m，粘接機(jī)器人由起點(diǎn)運(yùn)行到終點(diǎn)后，再返回到起點(diǎn)，模擬跟蹤路線主要有3條，如圖5所示。

在圖5所示路線下，得到的模擬跟蹤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，為了節(jié)省時(shí)間，避免繁瑣布置，選擇了線路3作為模擬跟蹤線路。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用GPS、電渦流法、超聲波法和基于深度八叉樹移動(dòng)軌線自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)露天礦粘接機(jī)器人移動(dòng)軌跡識(shí)別，識(shí)別結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，使用GPS法、電渦流法、超聲波法軌線識(shí)別結(jié)果與理想情況不符。其中，GPS法移動(dòng)軌跡長(zhǎng)度282 m，電渦流法移動(dòng)軌跡長(zhǎng)度223 m，超聲波法移動(dòng)軌跡長(zhǎng)度222 m，深度八叉樹法移動(dòng)軌跡長(zhǎng)度200 m。由此可知，使用深度八叉樹法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果更加精準(zhǔn)。

4 結(jié)語

通過對(duì)露天礦粘接機(jī)器人在實(shí)時(shí)移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的問題，提出了三維大尺度數(shù)據(jù)場(chǎng)深度八叉樹的概念，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了分析。該系統(tǒng)采用深度八叉樹方法，實(shí)時(shí)采集礦山粘接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過三維數(shù)據(jù)場(chǎng)繪制，精確自動(dòng)識(shí)別出粘接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，可廣泛應(yīng)用于露天礦山日常巡視工作中，大大提高了工程管理效率。

在未來，將深度八叉樹這一先進(jìn)的理念運(yùn)用到電廠、大型企業(yè)車間檢查與維修中，使得露天礦粘接機(jī)器人能適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

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