一种大型工程机械的位姿实时显示系统及方法技术方案

一种大型工程机械的位姿实时显示系统及方法，包括多传感器信息采集系统，数据处理中心和位姿显示系统。采用多个姿态测量单元实时采集各个活动部件的线加速度、角加速度信息，并初步融合得到活动部件的姿态角信息，将融合后的姿态信息发送到数据处理中心；数据处理中心将不同部位的姿态信息进一步融合处理，并根据工程机械的3D模型文件重构其不同部件的空间坐标关系，将其发送到位姿显示系统进一步对其位姿信息进行3D重建显示，从而实现大型工程机械的实时位姿显示。本发明专利技术依靠低成本、易安装的测量装置，对大型工程机械的位姿信息进行实时的监控和显示，能满足恶劣环境下的要求，大大提高大型工程机械的安全性能和人机交互性能。

A real-time display system and method for position and posture of large construction machinery

A real-time display system and method for position and posture of large construction machinery, including multi-sensor information acquisition system, data processing center and posture display system. The information of the linear acceleration and angular acceleration of each active component is collected in real time by multiple attitude measurement units, and the attitude information of the active components is fused initially. The attitude information after the fusion is sent to the data processing center. The data processing center will further fuse the attitude information of different parts and according to the project. The mechanical 3D model file reconstructs the spatial coordinates of the different parts, and sends it into the position and display system to further display the position and posture information of its 3D, so as to realize the real-time pose display of the large engineering machinery. The invention relies on the low cost and easy installation of measuring device to monitor and display the position and posture information of large engineering machinery in real time. It can meet the requirements under the bad environment and greatly improve the safety performance and human-computer interaction performance of large engineering machinery.

【技术实现步骤摘要】
一种大型工程机械的位姿实时显示系统及方法
本专利技术涉及传感器技术、机械动力学、工程车辆、虚拟现实、人机交互领域，特别是一种大型工程机械的位姿实时显示系统及方法。
技术介绍
大型工程机械广泛应用在建筑工地、抢险救灾等场所。它具有变结构、变载荷、质心位置变动随机、行驶于非结构地形等特点，因而容易出现事故。针对大型工程机械的位姿实时显示对于增强其人车交互性、远程操控性能有着重要的研究意义和实际应用意义。目前，姿态捕捉、重构技术已经广泛应用在人体姿态的重构与分析、动画制作等重要的研究领域。人们使用机器视觉、光学标记点或者惯性传感器等方式对观察目标的位姿进行跟踪定位，最终实现对观察目标运动参数的观察、理解以及应用。但是基于机器视觉、光学标记点或者惯性传感器的方式在针对大型工程机械的位姿捕捉与重构上有着很大的局限性，这些方式对于环境条件有着很高的要求，或者是价格昂贵、方案复杂以及难以安装。因此，基于多传感器的针对大型工程机械的位姿实时捕捉以及3D虚拟模型显示，有着重要的作用。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种大型工程机械的位姿实时显示系统及方法,采用无线通信，能够在不影响工程机械的正常工作的前提下对其动作姿态信息进行提取和重构，使其能以一种更加直观的方式进行呈现，极大地增强了人车交互性。本专利技术采用如下技术方案：一种大型工程机械的位姿实时显示系统，其特征在于：包括多传感器信息采集装置、数据处理中心和位姿显示装置；该多传感器信息采集装置包括多个姿态测量单元、数据处理单元和数据传输单元，该多个姿态测量单元分别安装于大型工程机械的各个活动部件中心位置上以采集姿态信息，该数据处理单元与姿态测量单元相连以将各个活动部件的姿态信息整合成整车姿态信息，该数据传输单元与数据处理单元相连以将整车姿态信息上传至局域网；该数据处理中心用于获取整车姿态信息并结合3D模型的数据信息进行实时融合以重构3D模型在空间中的坐标位置；姿态显示装置与数据处理中心相连以获取坐标位置并进行3D显示。所述姿态测量单元包括九轴惯性传感器和嵌入式微控制器，该九轴惯性传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁计以分别采集角加速度、加速度和地磁强度信息；该微控制器通过IC2总线与九轴惯性传感器相连以将角加速度、加速度和地磁强度信息进行初步融合处理得到所述姿态信息。所述姿态测量单元的数量与所述大型工程机械的活动部件数量相同。一种基于多传感器的姿态状态重构方法，其特征在于：采用上述的任意一种大型工程机械的位姿实时显示系统实现，并包括如下步骤：1)所述多个姿态测量单元实时采集姿态信息；2)所述数据处理单元轮流向所述多个姿态测量单元发送指令，若所述姿态测量单元收到指令，则向所述数据处理单元发送当前姿态信息，所述数据处理单元进行储存，直至遍历当前所有的姿态测量单元；3)所述数据处理单元将储存的所述信息进行融合得到整车姿态信息，并将整车姿态信息发至所述数据传输单元。4)所述数据传输单元将所述整车姿态信息上传至局域网；5)所述数据处理中心读取所述整车姿态信息，并结合3D模型的数据信息进行实时融合以重构3D模型在空间中的坐标位置，将坐标位置发送至所述位姿显示装置进行3D显示。所述整车姿态信息包括整车加速度信息、整车姿态角信息、各个活动部件的空间位置、各个活动部件的加速度和各个活动部件的姿态角信息。在步骤1)中，所述多个姿态测量单元先采集角加速度、加速度和地磁强度信息进行初步融合处理得到所述姿态信息。在步骤3)中，所述数据处理单元判断所述整车姿态信息是否发送成功，若是，则清空缓存，若否则重复步骤3)。一种多传感器的近似同步方法，其特征在于：采用上述的任意一种大型工程机械的位姿实时显示系统实现，包括如下步骤：1)设置所述数据处理中心的采样周期；2)判断是否设置成功，若否，则回到1)，若是，则进入3)；3)所述数据处理单元依次读取所述姿态测量单元的姿态信息，所述数据传输单元向所述数据处理中心发送所述整车姿态信息；4)所述数据处理中心判断是否到达下一个采样时间点，若是则返回3)，否则进入5)；5)等待至采样时间点，返回3)。由上述对本专利技术的描述可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术针对大型工程机械的结构特性，采用多个姿态测量单元获取整机的位姿信息。利用三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴地磁计的信号，采集各个活动部件的姿态信息，再通过信息融合计算得到整机在空间中的姿态参数，并采用无线传输的方式上传到局域网，由数据处理中心从局域网中读取数据，并建立虚拟大型工程机械模型并进行实时显示分析。(2)本专利技术的数据传输采用IC2总线和无线通信相结合的方式，极大增加了数据的传输效率以及保证了数据传输的实时性。(3)本专利技术的环境适用性较强，相对于光学捕捉和机器视觉的方法，本专利技术可适用于相对恶劣的工作环境，无须考虑外部环境即可快速获取姿态信息并建立模型。(4)本专利技术的可扩展性好。数据处理单元分多层次进行来保证模块的高效运算，最大限度减少了数据处理中心的负荷，对数据处理中心要求较低。可根据需求增加或者减少姿态测量单元。(5)本专利技术易安装、低成本、可靠性好。不同的姿态测量单元只需与大型工程机械的不同活动部位相对固定安装即可。附图说明图1为本专利技术系统的原理图；图2为本专利技术多传感器信息采集装置的模块图图3为本专利技术多传感器的近似同步方法的流程图。具体实施方式以下通过具体实施方式对本专利技术作进一步的描述。参照图1、图2，一种大型工程机械的位姿实时显示系统，包括多传感器信息采集装置201、数据处理中心103和位姿显示装置104。该多传感器信息采集装置201用于实时获取大型工程机械的整车位姿信息，该整车位姿信息包括整车加速度信息、整车姿态角信息、各个活动部件的空间位置、各个活动部件的加速度和各个活动部件的姿态角信息等。该多传感器信息采集装置201包括多个姿态测量单元101、数据处理单元203和数据传输单元204等。该姿态测量单元101包括九轴惯性传感器206和嵌入式微控制器205。该九轴惯性传感器206包括三轴陀螺仪209、三轴加速度计207和三轴地磁计208，分别用于采集角加速度、加速度和地磁强度信息。该微控制器通过IC2总线与九轴惯性传感器206连接通信，用于将角加速度、加速度和地磁强度信息进行初步融合处理得到姿态信息，即姿态角信息。姿态测量单元101是封装起来的，多个姿态测量单元101依靠相应的固定件与大型工程机械的不同活动部件连接在一起。为了完成大型工程机械的整车姿态重构，依据刚体动力学与实际机械结构的约束关系，将多个姿态测量单元101分别安装在大型工程机械的不同活动部件的中心位置上，安装时，要保持大型工程机械处于初始位置。姿态测量单元101的数量与大型工程机械可运动部位的数量相同。另外多传感器信息采集装置201的姿态测量单元101可根据实际需要增加或者减少。该数据处理单元203与姿态测量单元101相连，用于将各个活动部件的姿态信息整合成整车姿态信息息。该数据处理单元203是一个单独的微控制器，用来收集并综合处理多个姿态测量单元101所计算出的姿态信息并将其整合为整车姿态信息，并根据采集到的信息实时更新保存最近更新的一组信。整车姿态信息包括整车加速度信息本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型工程机械的位姿实时显示系统，其特征在于：包括多传感器信息采集装置、数据处理中心和位姿显示装置；该多传感器信息采集装置包括多个姿态测量单元、数据处理单元和数据传输单元，该多个姿态测量单元分别安装于大型工程机械的各个活动部件中心位置上以采集姿态信息，该数据处理单元与姿态测量单元相连以将各个活动部件的姿态信息整合成整车姿态信息，该数据传输单元与数据处理单元相连以将整车姿态信息上传至局域网；该数据处理中心用于获取整车姿态信息并结合3D模型的数据信息进行实时融合以重构3D模型在空间中的坐标位置；姿态显示装置与数据处理中心相连以获取坐标位置并进行3D显示。

【技术特征摘要】
1.一种大型工程机械的位姿实时显示系统，其特征在于：包括多传感器信息采集装置、数据处理中心和位姿显示装置；该多传感器信息采集装置包括多个姿态测量单元、数据处理单元和数据传输单元，该多个姿态测量单元分别安装于大型工程机械的各个活动部件中心位置上以采集姿态信息，该数据处理单元与姿态测量单元相连以将各个活动部件的姿态信息整合成整车姿态信息，该数据传输单元与数据处理单元相连以将整车姿态信息上传至局域网；该数据处理中心用于获取整车姿态信息并结合3D模型的数据信息进行实时融合以重构3D模型在空间中的坐标位置；姿态显示装置与数据处理中心相连以获取坐标位置并进行3D显示。2.如权利要求1所述的一种大型工程机械的位姿实时显示系统，其特征在于：所述姿态测量单元包括九轴惯性传感器和嵌入式微控制器，该九轴惯性传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁计以分别采集角加速度、加速度和地磁强度信息；该微控制器通过IC2总线与九轴惯性传感器相连以将角加速度、加速度和地磁强度信息进行初步融合处理得到所述姿态信息。3.如权利要求1所述的一种大型工程机械的位姿实时显示系统，其特征在于：所述姿态测量单元的数量与所述大型工程机械的活动部件数量相同。4.一种基于多传感器的姿态状态重构方法，其特征在于：采用权利要求1至3所述的任意一种大型工程机械的位姿实时显示系统实现，并包括如下步骤：1)所述多个姿态测量单元实时采集姿态信息；2)所述数据处理单元轮流向所述多个姿态测量单元发送指令，若所述姿态测量单元收到指令，则向所述数据处理单元发送当前姿态信息，所述数据处理单...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝青园，肖春晟，侯亮，卜祥建，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35