挖掘机机械臂运动标定方法、装置、电子设备及存储介质与流程

1.本技术涉及挖掘机控制技术领域，尤其涉及一种挖掘机机械臂运动标定方法、装置、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.现如今挖掘机自动化或半自动改造成为工程机械行业研发热点，其中为了实现挖掘机自动化挖掘、挖掘机远程操作或者挖掘机机械臂可视化辅助作业等任务，挖掘机机械臂的运动学建模是挖掘机机械臂自动化智能控制的首要前提。通常挖掘机机械臂建模需要大小臂精确的三维结构模型，这些三维模型的获得需要和挖掘机厂商建立紧密合作，然而，挖掘机加工和装备过程中可能会因为零部件组装原因引入数据误差，因此厂商提供的三维结构模型与实际的挖掘机结构也不一定完全吻合。其中，挖掘机的大臂通常为弯曲的(如图1所示)，从而导致测量三维模型比较麻烦，且容易引入建模误差。并且，因为挖掘机的多种多样，不同的挖掘机的机械臂也各有不同，这就导致一个标定模型无法适用于所有挖掘机，不同种类的挖掘机要开发不同的标定模型，则会导致研发成本的增加和应用过程中的不适配。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术的目的在于提出一种挖掘机机械臂运动标定方法、装置、电子设备及存储介质。
4.基于上述目的，本技术提供了一种挖掘机机械臂运动标定方法，包括：
5.获取初始挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息、第一臂位移信息和第二臂位移信息；
6.根据所述关节角度信息确定标定角度转换方程；
7.根据所述第一臂位移信息、所述第二臂位移信息和所述标定角度转换方程，确定机械臂标定方程；
8.确定目标挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息、第一臂位移信息，并根据所述目标挖掘机的关节角度信息和第一臂位移信息，通过所述机械臂标定模型对所述目标挖掘机进行标定；其中，所述标定角度转换方程和所述机械臂标定模型根据预设优化函数进行标定计算。
9.基于同一构思，本技术还提供了一种挖掘机机械臂运动标定装置，包括：
10.获取模块，被配置为获取初始挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息和第一臂位移信息；
11.第一确定模块，被配置为根据所述关节角度信息确定标定角度转换方程；
12.第二确定模块，被配置为根据所述第一臂位移信息和所述标定角度转换方程，确定机械臂标定方程；
13.标定模块，被配置为确定目标挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节
角度信息和第一臂位移信息，并根据所述目标挖掘机的关节角度信息和第一臂位移信息，通过所述机械臂标定模型对所述目标挖掘机进行标定；其中，所述机械臂标定模型根据预设优化函数进行标定计算。
14.基于同一构思，本技术还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上任一项所述的挖掘机机械臂运动标定方法。
15.基于同一构思，本技术还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机实现如上任一项所述的挖掘机机械臂运动标定方法。
16.由上述可知，本技术提供的挖掘机机械臂运动标定方案，首先确定挖掘机的挖掘机座舱、挖掘机的大臂和小臂的连接点以及小臂与挖斗的连接点，通过设置在不同关节上的倾角传感器进行测量，确定挖掘机各个部位的关节角度信息，根据关节角度信息与挖掘机的标定角度转换方程；进一步的，获取第一臂的末端的位移信息，再进一步，根据第一臂的位移信息和所述标定角度转换方程，确定机械臂标定方程；进而，通过机械臂标定方程对任意一个挖掘机进行标定时，可以在仅获取挖掘机的关节角度信息(即倾角传感器的测量角度)、第一臂位移信息的情况下对该挖掘机进行标定，从而确定挖掘机的转换参数以及挖掘机的大小臂的长度。本技术通过对挖掘机机械臂和夹角之间的关系进行确定的方式确定标定模型，使得标定模型适用于不同型号的挖掘机，且在使用标定模型对挖掘机的相关参数进行标定时不需要获取挖掘机手臂的精确的三维结构，同时还可以保证标定结果的准确性，因此，本技术有效解决了现有技术中标定模型依赖三维模型且实用性低的问题。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本技术实施例的挖掘机模型示意图。
19.图2为本技术实施例的挖掘机机械臂运动标定方法流程示意图。
20.图3为本技术实施例的挖掘机机械臂直杆化示意图。
21.图4为本技术实施例的挖掘机机械臂运动标定装置示意图。
22.图5为本技术实施例的激光测距仪安装位置示意图。
23.图6为本技术实施例的电子设备结构示意图。
具体实施方式
24.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本技术进一步详细说明。
25.需要说明的是，除非另外定义，本技术实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的
组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
26.如背景技术部分所述，挖掘机机械臂的运动学建模是挖掘机机械臂自动化智能控制的首要前提，通常挖掘机机械臂的运动学建模需要挖掘机大小臂精确的三维结构模型，然而，挖掘机大小臂的三维结构模型一般掌握在挖掘机厂商中，通常情况很难获取到。并且挖掘机的一般大臂为弯曲状(参考图1挖掘机模型)，测量三维模型比较麻烦，容易引入建模误差。并且，因为挖掘机的多种多样，不同的挖掘机的手臂机械臂也各有不同，这就导致一个标定模型无法适用于所有挖掘机，针对不同类型的挖掘机的不同机械臂需要开发不同的标定模型，多个标定模型的发开则可能会导致研发成本的增加以及应用过程中的不适配。
27.结合上述实际情况，本技术实施例提出了一种挖掘机机械臂运动标定方案，首先(如图2所示)确定挖掘机的挖掘机座舱、挖掘机的大臂和小臂的连接点以及小臂与挖斗的连接点，根据上述连接点对构建挖掘机的直杆模型，即将挖掘机的大臂和小臂均看作为直线，即大臂和小臂为如图3所示的oa和ab，在直杆模型下，通过设置在不同关节上的倾角传感器进行测量，确定挖掘机各个部位的关节角度信息，根据关节角度信息与挖掘机大臂、小臂的三角关系确定待标定角度(挖掘机各部位之间的夹角)的标定角度转换方程；进一步的，获取第一臂和第二臂的位移信息，进一步，根据第一臂和第二臂的位移信息和所述标定角度转换方程，确定机械臂标定方程；进而，根据标定角度转换方程和所述机械臂标定方程确定通用标定模型，确定通用标定模型后，通过通用标定模型对任意一个挖掘机进行标定时，可以在仅获取挖掘机的关节角度信息(即倾角传感器的测量角度)、第一臂位移信息和第二臂位移信息的情况下对该挖掘机进行标定，从而确定挖掘机的转换参数以及挖掘机的大小臂的长度。本技术通过对挖掘机机械臂进行直杆化的方式确定标定模型，使得标定模型适用于不同型号的挖掘机，且在使用标定模型对挖掘机的相关参数进行标定时不需要获取挖掘机手臂的精确的三维结构，同时还可以保证标定结果的准确性，因此，本技术有效解决了现有技术中标定模型依赖三维模型且实用性低的问题。
28.有鉴于此，本技术实施例提供了一种挖掘机机械臂运动标定方法、装置、电子设备及存储介质。
29.如图3所示，为本技术提出的一种挖掘机机械臂运动标定方法流程示意图，该方法具体包括：
30.步骤302、获取初始挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息和第一臂位移信息；
31.步骤304、根据所述关节角度信息确定标定角度转换方程；
32.步骤306、根据所述第一臂位移信息和所述标定角度转换方程，确定机械臂标定方程；
33.步骤308、确定目标挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息、第一臂位移信息，并根据所述目标挖掘机的关节角度信息和第一臂位移信息，通过所述机械臂标定模型对所述目标挖掘机进行标定；其中，所述标定角度转换方程和所述机械臂标
定模型根据预设优化函数进行标定计算。
34.图2示出了本技术实施例的确定通用标定模型的直杆化示意图。
35.针对于步骤302，挖掘机包括第一臂、第二臂、挖斗以及座舱。在获取挖掘机的关节角度信息、第一臂位移信息和第二臂位移信息之前首先对挖掘机进行如图2所示的直杆化，即将初始挖掘机的大臂和小臂均看做为直线，即大臂和小臂分别为如图2所示的oa和ab，初始挖掘机的挖斗与小臂为如图2所示的bh。进一步的，本步骤中的“初始挖掘机”指用于构建通用标定模型的挖掘机，其中，“初始”仅用于与步骤310中的“目标挖掘机”的“目标”进行区分，并没有任何实际意义，并不代表挖掘机的任何的状态改变，并且，初始挖掘机可以是任何挖掘机，也不指代任何一种特殊的挖掘机。
36.在步骤302中，关节角度信息为根据安装在挖掘机不同位置的倾角传感器测量到的角度信息，其中，每个倾角传感器用于测量该倾角传感器所安装部位所在的部分相对于水平面的倾斜角度，并且可以实现精确测量。进一步的，本步骤中的“三个互不相同的位姿”可以理解为挖掘机机械臂的不同状态或者挖掘机主体相对于水平面的倾斜角度，当然，不同状态也可以是挖掘机的座舱的不同状态或挖掘机挖斗的不同状态，均可以认为是不同的位姿。进一步的，第一臂位移信息为挖掘机小臂的位移的相关信息，第二臂位移信息为挖掘机大臂的位移的相关信息。当然，在一些实施方式中，第一臂可以是大臂，第二臂也可以是小臂，本技术中的第一臂和第二臂仅用于区分大臂和小臂，并不代表小臂一定是第一臂，大臂一定是第二臂或者大臂一定是第一臂，小臂一定是第二臂。
37.本步骤中，标定角度信息包括：第一标定角、第二标定角及第三标定角，具体的，第一标定角为初始挖掘机的大臂与座舱的夹角，即如图2中所示的角aoc；第二标定角为初始挖掘机的大臂与小臂的夹角，即如图2中所示的角oab；第三标定角为初始挖掘机的小臂与挖斗的夹角，即如图2中所示的角abh。
38.进一步的，步骤302中，第一臂位移信息可以是小臂与初始挖掘机挖斗连接点的坐标的位移信息，第二臂位移信息可以是大臂与小臂的连接点的坐标的位移信息，大小臂的任意一次变化都会产生位移。通过位移信息而不是位置信息使得测量设备不需要知道测量设备全局坐标系与座舱坐标系的转换关系，只需确定测量到的位置差值沿座舱坐标系x轴和z轴(即水平面和垂直面)即可。具体的，如图2中所示的b点到e点的虚线可以是初始挖掘机小臂的末端的位移信息，其中，当小臂的末端发生位移时，则大臂与小臂的连接点，即a点也相对发生位移。
39.在一些可选的实施方式中，在步骤302的获取初始挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息、第一臂位移信息和第二臂位移信息。其中，挖掘机的大臂、小臂、挖斗以及座舱均设置有倾角传感器，大臂、小臂、座舱的倾角传感器分别表示为t1、t2、t3、t4。
40.在一些可选的实施方式中，所述关节角度信息表示为t1、t2、t3、t4的测量信息，包括有：第一测量角度、第二测量角度、第三测量角度及第四测量角度。其中，为了便于计算，将第一测量角度、第二测量角度、第三测量角度及第四测量角度分别记为θ1、θ2、θ3、θ4。具体的，第一测量角度、第二测量角度、第三测量角度及第四测量角度分比为安装在挖掘机大臂的倾角传感器的测量值、安装在初始挖掘机的小臂的倾角传感器的测量值、安装在初始挖掘机的挖斗的所述倾角传感器的测量值以及安装在初始挖掘机的座舱的所述倾角传感器
的测量值。具体的，上述四个倾角传感器分别平行安装于初始挖掘机的大臂、小臂、挖斗以及座舱的表面。当然，也可以安装在其他任何合适的地方，例如挖掘机座舱的顶部。
41.在一些可选的实施方式中，倾角传感器刚性安装于初始挖掘机的大臂、小臂、挖斗以及座舱的表面。当然，在一些可选的实施方式中，也可以通过一些其他的固定方式将倾角传感器固定在挖掘机的待测部位，从而实现对该部位的测量。例如可以通过螺栓、螺母等可拆卸的形式进行固定。
42.在一些可选的实施方式中，可以通过以下步骤确定所述第一臂位移信息：首先，获取初始挖掘机在至少三个互不相同的位姿下初始挖掘机的小臂的高度、小臂的水平位置差值、小臂的高度位移差值以及小臂的水平位移差值；根据所述小臂的高度、小臂的水平位置差值、小臂的高度位移差值以及小臂的水平位移差值，确定所述小臂的位移信息。
43.在一些可选的实施方式中，可以通过以下步骤确定所述第二臂位移信息：获取初始挖掘机在至少三个互不相同的位姿下初始挖掘机的大臂的高度、大臂的水平位置差值、大臂的高度位移差值以及大臂的水平位移差值；根据所述大臂的高度、大臂的水平位置差值、大臂的高度位移差值以及大臂的水平位移差值，确定所述大臂的位移信息。
44.进一步的，标定角度转换方程，包括：第一标定角、第二标定角及第三标定角；根据关节角度信息确定标定角度信息，具体包括：(1)确定第一转换参数，根据设置在挖掘机大臂的倾角传感器的测量角度、设置在挖掘机座舱的倾角传感器的测量角度和第一转换参数，确定第一标定角；(2)确定第二转换参数，根据设置在挖掘机大臂的倾角传感器的测量角度、设置在挖掘机小臂的倾角传感器的测量角度和第二转换参数，确定第二标定角；(3)确定第三转换参数，根据设置在挖掘机小臂的倾角传感器的测量角度、设置在挖掘机挖斗的倾角传感器的测量角度和第三转换参数，确定第三标定角；根据第一标定角、第二标定角和第三标定角，确定标定角度转换方程。
45.具体的，步骤304中的第一转换参数和所述第二转换参数可以通过以下步骤确定：获取第一位姿下初始挖掘机的所述第一测量角度、所述第二测量角度、所述第四测量角度、第一臂的关节点对应的横轴坐标和竖轴坐标，并根据初始挖掘机的第一测量角度、所述第二测量角度、所述第四测量角度、第一臂的关节点对应的所述横轴坐标和所述竖轴坐标确定第一残差项；获取第二位姿下初始挖掘机的第一测量角度、第二测量角度、第四测量角度、第二臂的关节点对应的横轴坐标和竖轴坐标，并根据初始挖掘机的第一标定角、第二标定角、第四测量角度、第二臂的关节点对应的横轴坐标和竖轴坐标确定第二残差项；根据所述第一残差项和所述第二残差项，确定优化目标函数；根据所述优化目标函数确定所述第一转换参数和所述第二转换参数。其中，在一些实施方式中，第一测量角度、第二测量角度、第三测量角度以及第四测量角度也可以不是安装在第二臂、第一臂、挖斗以及座舱的倾角传感器的测量值，也可以是分别安装在挖斗、座舱、第一臂、第二臂上的倾角传感器的测量值，第一、第二仅用于区分大臂和小臂，并无实际意义。
46.在一些可选的实施方式中，根据如上所述方法及如图2所示，可以通过如下三角函数的转换关系确定第一标定角、所述第二标定角和所述第三标定角。如图2所示，挖掘机大臂与挖掘机座舱的连接点为o，挖掘机大臂与挖掘机小臂的连接点为a，挖掘机小臂与挖掘机挖斗的连接点为b，根据通过移动初始挖掘机大小臂可以确定的位移信息构建如图2所示的直臂模型，从而确定挖掘机大臂与挖掘机座舱的夹角为即第一标定角，为了便于计
算也可以将夹角记为α；挖掘机大臂与挖掘机小臂的夹角为即第二标定角，为了便于计算也可以将夹角记为β；挖掘机小臂与挖掘机挖斗的夹角为即第三标定角，为了便于计算也可以将夹角记为γ。
47.进一步的，可以通过以下方式确定第一标定角α、第二标定角β和第三标定角γ，根据第一标定角α、第二标定角β和第三标定角γ与挖掘机的大臂和小臂的三角关系作出如图2虚线部分所示的辅助线，则根据三角函数关系可以得到：第一标定角由于t1刚性安装在大臂上，所以角为定值。第二标定角二标定角由于t2刚性安装在小臂上，所以角为定值。第三标定角值。第三标定角由于t3刚性安装在初始挖掘机的挖斗上，所以角为定值。通过合并上述式子中的常数项得到如下所示的关节角度信息与倾角传感器读数转换方程，从而根据如下所示的转换方程确定标定角度信息：
[0048][0049]
其中，k，m，n为需要建立的角度转换方程参数；α、β、γ分别为第一标定角、第二标定角、第三标定角；θ1、θ2、θ3、θ4分别为第一测量角度、第二测量角度、第三测量角度、第四测量角度。
[0050]
在一些可选的实施方式中，当确定第一标定角、第二标定角、第三标定角后，可以根据第一标定角、第二标定角、第三标定角以及小臂末端即图3中的b点的位移确定出大臂、小臂的标定长度。其中，标定长度为通过标定模型确定的大臂、小臂的长度。其中，b点的位移可以通过如图5所示的，通过在挖掘机的某一部分上设置激光测距仪的方式确定。当然，b点的位移也可以通过其他可以测量位移的仪器确定，并不一定是激光测距仪，也可以是rtk(real-time kinematic，实时动态载波相位差分技术)；测距仪器也可以安装在任何需要的地方，并不一定是图5所示的挖斗上。在一些可选的实施方式中，横轴坐标为x，竖轴坐标为z，根据所述横轴坐标和所述竖轴坐标，通过如下所示公式，确定所述第一臂标定长度和所述第二臂标定长度。在计算过程中，可以设第一标定角为α，第二标定角为β，根据夹角与其他夹角或边的三角函数关系确定如下所示的与末端位置有关的机械臂标定方程。横轴坐标x与其他相关边的关系式为：x与其他相关边的关系式为：竖轴坐标z与其他相关边的关系式为竖轴坐标z与其他相关边的关系式为根据横轴坐标x和竖轴坐标z，以及
[0051]
第一标定角、第二标定角之间函数关系构建如下所示计算方程：
[0052][0053]
其中，a为所述第二臂标定长度，即小臂标定长度，b为所述第一臂标定长度，即大
臂标定长度，α为所述第一标定角，β为所述第二标定角；x为横轴坐标，z为竖轴坐标。在一些可选的实施方式中，当确定标定角度转换方程和机械臂标定方程后，确定至少两个位姿下的第一测量角度、第二测量角度、第四测量角度以及所述横轴坐标和所述竖轴坐标，根据第一测量角度、第二测量角度、第四测量角度、所述横轴坐标、所述竖轴坐标以及标定角度转换方程和机械臂标定方程进行如下计算，确定第一残差项和第二残差项。进而，根据第一残差项r
x
和第二残差项rz确定优化目标函数；进一步根据优化目标函数确定第一转换参数和第二转换参数。具体计算如下所示：
[0054]
α1＝θ
1-θ
4-k,
[0055]
α2＝θ
′
1-θ
′
4-k,
[0056]
β1＝-θ1+θ2+m,
[0057]
β2＝-θ
′1+θ
′2+m,
[0058]
δx＝b*cosα
1-a*cos(β1+α1)-b*cosα2+a*cos(β2+α2),
[0059]
δz＝b*sinα
1-a*sin(β1+α1)-b*sinα2+a*sin(β2+α2),
[0060]rx
＝‖δx
′‑
δx‖2[0061]rz
＝‖δz
′‑
δz‖2[0062][0063]
其中，a为所述第二臂标定长度，即小臂标定长度，b为所述第一臂标定长度，即大臂标定长度，α1为第一位姿下的所述第一标定角，即大臂与水平面的夹角，β1为第一位姿下的所述第二标定角，即小臂与水平面的夹角，α2为第二位姿下的所述第一标定角，即大臂与水平面的夹角，β2为第二位姿下的所述第二标定角，即小臂与水平面的夹角，x1为第一位姿下的x轴位移量，z1为第一位姿下的z轴位移量，x2为第一位姿下的x轴位移量，z2为第一位姿下的z轴位移量；δx
′
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的横轴位移量；δz
′
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的纵轴位移量；r
x
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的横轴位移量的残差项；rz为小臂在第一位姿与第二位姿之间的纵轴位移量的残差项；i为位姿，r
x
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的横轴位移量的残差项，rz为小臂在第一位姿与第二位姿之间的纵轴位移量的残差项。
[0064]
在一些可选的实施方式中，用于进行优化计算，以减少计算过程中的误差。进一步的，当确定任意两个不同位姿下的残差项，即第一位姿下的残差项和第二位姿下的残差项后(当然也可以是多个位姿下的残差项，即多组残差项，其中，此处的多组指大于两组)，通过如下所示的非线性优化函数进行优化，从而使得确定的目标挖掘机的第一臂标定长度、第二臂标定长度、第一转换参数以及第二转换参数的数值更加精准。
[0065]
在一些可选的实施方式中，通过本技术的标定方法，使得当确定标定角度转换方程和机械臂标定方程后，根据读取到的任何一个待标定的挖掘机(即本技术中的目标挖掘机)的第一测量角度、第二测量角度、第三测量角度、第四测量角度以及标定角度转换方程和机械臂标定方程，即可确定任何一个待标定的挖掘机的关节角度和大、小臂长度。
[0066]
在一些可选的实施方式中，为了验证本技术的标定方法的准确性，申请人还通过a、b两种类型的挖掘机进行了验证试验，其中，通过本技术标定方法确定的a挖掘机的大臂
的标定长度为5.746m，实际尺寸为5.7m，标定长度与实际尺寸相差0.046m，即4.6cm；a挖掘机的小臂的标定长度为2.938m，实际尺寸为2.925m，标定长度与实际尺寸相差0.013m，即1.3cm。通过本技术标定方法确定的b挖掘机的大臂的标定长度与实际尺寸相差0.02m，即2cm；b挖掘机的小臂的标定长度与实际尺寸相差0.002m，即0.2cm，关节角度相差小于1度。
[0067]
由上述可知，本技术提供的挖掘机机械臂运动标定方案，首先(如图2所示)确定挖掘机的挖掘机座舱、挖掘机的大臂和小臂的连接点以及小臂与挖斗的连接点，根据上述连接点对构建挖掘机的直杆模型，即将挖掘机的大臂和小臂均看做为直线，即大臂和小臂为如图2所示的oa和ab，在直杆模型下，通过设置在不同关节上的倾角传感器进行测量，确定挖掘机各个部位的关节角度信息，根据关节角度信息与挖掘机大臂、小臂的三角关系确定待标定角度(挖掘机各部位之间的夹角)的标定角度转换方程；进一步的，获取第一臂和第二臂的位移信息，进一步，根据第一臂和第二臂的位移信息和所述标定角度转换方程，确定机械臂标定方程；进而，根据标定角度转换方程和所述机械臂标定方程确定通用标定模型，确定通用标定模型后，通过通用标定模型对任意一个挖掘机进行标定时，可以在仅获取挖掘机的关节角度信息(即倾角传感器的测量角度)、第一臂位移信息和第二臂位移信息的情况下对该挖掘机进行标定，从而确定挖掘机的转换参数以及挖掘机的大小臂的长度。本技术通过对挖掘机机械臂进行直杆化的方式确定标定模型，使得标定模型适用于不同型号的挖掘机，且在使用标定模型对挖掘机的相关参数进行标定时不需要获取挖掘机手臂的精确的三维结构，同时还可以保证标定结果的准确性，因此，本技术有效解决了现有技术中标定模型依赖三维模型且实用性低的问题。
[0068]
需要说明的是，本技术实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本技术实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。
[0069]
需要说明的是，上述对本技术的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0070]
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本技术还提供了一种挖掘机机械臂运动标定装置。
[0071]
参考图4，所述挖掘机机械臂运动标定装置，包括：
[0072]
获取模块402，被配置为获取初始挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息和第一臂位移信息；
[0073]
第一确定模块404，被配置为根据所述关节角度信息确定标定角度转换方程；
[0074]
第二确定模块406，被配置为根据所述第一臂位移信息和所述标定角度转换方程，确定机械臂标定方程；
[0075]
标定模块408，被配置为确定目标挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息和第一臂位移信息，并根据所述目标挖掘机的关节角度信息和第一臂位移信息，通过所述机械臂标定模型对所述目标挖掘机进行标定；其中，所述机械臂标定模型根据
预设优化函数进行标定计算。
[0076]
在一些可选的实施方式中，上述获取模块402，所述关节角度信息，包括：第一测量角度、第二测量角度、第三测量角度及第四测量角度；
[0077]
所述获取所述初始挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息，包括：
[0078]
根据设置在所述初始挖掘机各个关节处的倾角传感器得到所述关节角度信息；其中，所述关节角度信息为所述倾角传感器所设置的关节与水平面的夹角。
[0079]
在一些可选的实施方式中，上述获取模块402，包括：第一臂、第二臂、挖斗以及座舱；
[0080]
所述方法，包括：
[0081]
所述第一测量角度，通过设置在所述挖掘机的第一臂的所述倾角传感器确定；
[0082]
所述第二测量角度，通过设置在所述挖掘机的第二臂的所述倾角传感器确定；
[0083]
所述第三测量角度，通过设置在所述挖掘机的挖斗的所述倾角传感器确定；
[0084]
所述第四测量角度，通过设置在所述挖掘机的座舱的所述倾角传感器确定。
[0085]
在一些可选的实施方式中，上述获取模块402，所述第一臂为所述挖掘机的小臂，所述第二臂为所述挖掘机的大臂。
[0086]
在一些可选的实施方式中，上述获取模块402，所述第一臂位移信息，包括：所述初始挖掘机的小臂末端的位移信息。
[0087]
在一些可选的实施方式中，上述第一确定模块404，所述标定角度转换方程，包括：第一标定角方程、第二标定角方程以及第三标定角方程；
[0088]
根据所述关节角度信息确定标定角度转换方程，包括：
[0089]
确定第一转换参数，根据所述第一测量角度、所述第四测量角度和所述第一转换参数，确定所述第一标定角方程；
[0090]
确定第二转换参数，根据所述第一测量角度、所述第二测量角度和第二转换参数，确定所述第二标定角方程；
[0091]
确定第三转换参数，根据所述第二测量角度、所述第三测量角度和所述第三转换参数，确定所述第三标定角方程；
[0092]
根据所述第一标定角方程、所述第二标定角方程和所述第三标定角方程，确定所述标定角度转换方程；其中，根据所述第一标定角方程、所述第二标定角方程以及所述第三标定角方程，确定第一标定角、第二标定角以及第三标定角。
[0093]
在一些可选的实施方式中，上述第一确定模块404，所述根据所述第一臂位移信息和所述标定角度转换方程，确定机械臂标定方程，包括：
[0094]
根据所述第一臂位移信息、所述第一标定角和所述第二标定角，确定位置转换方程；
[0095]
根据所述位置转换方程和所述标定角度转换方程，确定所述机械臂标定方程。
[0096]
在一些可选的实施方式中，上述第二确定模块406，包括根据任一位姿下所述初始挖掘机的所述第一臂位移信息和所述标定角度转换方程，确定如下所示的所述机械臂标定方程；
[0097]
α1＝θ
1-θ
4-k,
[0098]
α2＝θ
′
1-θ
′
4-k,
[0099]
β1＝-θ1+θ2+m,
[0100]
β2＝-θ
′1+θ
′2+m,
[0101]
δx＝b*cosα
1-a*cos(β1+α1)-b*cosα2+a*cos(β2+α2),
[0102]
δz＝b*sinα
1-a*sin(β1+α1)-b*sinα2+a*sin(β2+α2),
[0103]rx
＝‖δx
′‑
δx‖2[0104]rz
＝‖δz
′‑
δz‖2[0105][0106]
其中，a为所述第二臂标定长度，即小臂标定长度，b为所述第一臂标定长度，即大臂标定长度，α1为第一位姿下的所述第一标定角，即大臂与水平面的夹角，β1为第一位姿下的所述第二标定角，即小臂与水平面的夹角，α2为第二位姿下的所述第一标定角，即大臂与水平面的夹角，β2为第二位姿下的所述第二标定角，即小臂与水平面的夹角，x1为第一位姿下的x轴位移量，z1为第一位姿下的z轴位移量，x2为第一位姿下的x轴位移量，z2为第一位姿下的z轴位移量；δx
′
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的横轴位移量；δz
′
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的纵轴位移量；r
x
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的横轴位移量的残差项；rz为小臂在第一位姿与第二位姿之间的纵轴位移量的残差项；i为位姿，r
x
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的横轴位移量的残差项，rz为小臂在第一位姿与第二位姿之间的纵轴位移量的残差项。
[0107]
在一些可选的实施方式中，上述标定模块408，包括：
[0108]
根据所述目标挖掘机的关节角度信息和第一臂位移信息，通过所述标定角度转换方程，确定所述目标挖掘机的标定角度；
[0109]
根据所述目标挖掘机的标定角度和第一臂位移信息，通过所述机械臂标定方程，确定所述目标挖掘机的第一臂标定长度和、第二臂标定长度、第一转换参数以及第二转换参数。
[0110]
在一些可选的实施方式中，上述标定模块408，还包括第三转换参数；
[0111]
通过以下方式确定所述第三转换参数，包括：
[0112]
获取所述目标挖掘机的挖斗至指定位姿对应的挖斗关节角度；
[0113]
根据所述挖斗关节角度确定所述第三转换参数。
[0114]
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本技术时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
[0115]
上述实施例的装置用于实现前述任一实施例中相应的挖掘机机械臂运动标定方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0116]
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本技术还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上任意一实施例所述的挖掘机机械臂运动标定方法。
[0117]
图6示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间
在设备内部的通信连接。
[0118]
处理器1010可以采用通用的cpu(central processing unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。
[0119]
存储器1020可以采用rom(read only memory，只读存储器)、ram(random access memory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。
[0120]
输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。
[0121]
通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如usb、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、wifi、蓝牙等)实现通信。
[0122]
总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。
[0123]
需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。
[0124]
上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应的挖掘机机械臂运动标定方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0125]
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本技术还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的挖掘机机械臂运动标定方法。
[0126]
本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
[0127]
上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的挖掘机机械臂运动标定方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0128]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本技术的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本技术的思路下，以上实施例
或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本技术实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0129]
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本技术实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本技术实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本技术实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本技术的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本技术实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
[0130]
尽管已经结合了本技术的具体实施例对本技术进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。
[0131]
本技术实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本技术实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种挖掘机机械臂运动标定方法，其特征在于，包括：获取初始挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息和第一臂位移信息；根据所述关节角度信息确定标定角度转换方程；根据所述第一臂位移信息和所述标定角度转换方程，确定机械臂标定方程；确定目标挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息和第一臂位移信息，并根据所述目标挖掘机的关节角度信息和第一臂位移信息，通过所述机械臂标定模型对所述目标挖掘机进行标定；其中，所述标定角度转换方程和所述机械臂标定模型根据预设优化函数进行标定计算。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关节角度信息，包括：第一测量角度、第二测量角度、第三测量角度及第四测量角度；所述获取所述初始挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息，包括：根据设置在所述初始挖掘机各个关节处的倾角传感器得到所述关节角度信息；其中，所述关节角度信息为所述倾角传感器所设置的关节与水平面的夹角。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述挖掘机包括：第一臂、第二臂、挖斗以及座舱；所述方法，包括：所述第一测量角度，通过设置在所述挖掘机的第一臂的所述倾角传感器确定；所述第二测量角度，通过设置在所述挖掘机的第二臂的所述倾角传感器确定；所述第三测量角度，通过设置在所述挖掘机的挖斗的所述倾角传感器确定；所述第四测量角度，通过设置在所述挖掘机的座舱的所述倾角传感器确定。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一臂为所述挖掘机的小臂，所述第二臂为所述挖掘机的大臂。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一臂位移信息，包括：所述初始挖掘机的小臂末端的位移信息。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述标定角度转换方程，包括：第一标定角方程、第二标定角方程以及第三标定角方程；根据所述关节角度信息确定标定角度转换方程，包括：确定第一转换参数，根据所述第一测量角度、所述第四测量角度和所述第一转换参数，确定所述第一标定角方程；确定第二转换参数，根据所述第一测量角度、所述第二测量角度和第二转换参数，确定所述第二标定角方程；确定第三转换参数，根据所述第二测量角度、所述第三测量角度和所述第三转换参数，确定所述第三标定角方程；根据所述第一标定角方程、所述第二标定角方程和所述第三标定角方程，确定所述标定角度转换方程；其中，根据所述第一标定角方程、所述第二标定角方程以及所述第三标定角方程，确定第一标定角、第二标定角以及第三标定角。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一臂位移信息和所述标定
角度转换方程，确定机械臂标定方程，包括：根据所述第一臂位移信息、所述第一标定角和所述第二标定角，确定位置转换方程；根据所述位置转换方程和所述标定角度转换方程，确定所述机械臂标定方程。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一臂位移信息和所述标定角度转换方程，确定所述机械臂标定方程，包括：根据任一位姿下所述初始挖掘机的所述第一臂位移信息和所述标定角度转换方程，确定如下所示的所述机械臂标定方程；α1＝θ
1-θ
4-k，α2＝θ
′
1-θ
′
4-k，β1＝-θ1+θ2+m，β2＝-θ
′1+θ
′2+m，δx＝b*cosα
1-a*cos(β1+α1)-b*cosα2+a*cos(β2+α2)，δz＝b*sinα
1-a*sin(β1+α1)-b*sinα2+a*sin(β2+α2)，r
x
＝||δx
′‑
δx||2r
z
＝||δz
′‑
δz||2其中，a为所述第二臂标定长度，即小臂标定长度，b为所述第一臂标定长度，即大臂标定长度，α1为第一位姿下的所述第一标定角，即大臂与水平面的夹角，β1为第一位姿下的所述第二标定角，即小臂与水平面的夹角，α2为第二位姿下的所述第一标定角，即大臂与水平面的夹角，β2为第二位姿下的所述第二标定角，即小臂与水平面的夹角，x1为第一位姿下的x轴位移量，z1为第一位姿下的z轴位移量，x2为第一位姿下的x轴位移量，z2为第一位姿下的z轴位移量；δx
′
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的横轴位移量；δz
′
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的纵轴位移量；r
x
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的横轴位移量的残差项；r
z
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的纵轴位移量的残差项；i为位姿，r
x
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的横轴位移量的残差项，r
z
为小臂在第一位姿与第二位姿之间的纵轴位移量的残差项。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定目标挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息和第一臂位移信息，并根据所述目标挖掘机的关节角度信息和第一臂位移信息，通过所述机械臂标定模型对所述目标挖掘机进行标定，包括：根据所述目标挖掘机的关节角度信息和第一臂位移信息，通过所述标定角度转换方程，确定所述目标挖掘机的标定角度；根据所述目标挖掘机的标定角度和第一臂位移信息，通过所述机械臂标定方程，确定所述目标挖掘机的第一臂标定长度、第二臂标定长度、第一转换参数以及第二转换参数。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括第三转换参数；通过以下方式确定所述第三转换参数，包括：获取所述目标挖掘机的挖斗至指定位姿对应的挖斗关节角度；根据所述挖斗关节角度确定所述第三转换参数。11.一种挖掘机机械臂运动标定装置，其特征在于，包括：
获取模块，被配置为获取初始挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息和第一臂位移信息；第一确定模块，被配置为根据所述关节角度信息确定标定角度转换方程；第二确定模块，被配置为根据所述第一臂位移信息和所述标定角度转换方程，确定机械臂标定方程；标定模块，被配置为确定目标挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息和第一臂位移信息，并根据所述目标挖掘机的关节角度信息和第一臂位移信息，通过所述机械臂标定模型对所述目标挖掘机进行标定；其中，所述机械臂标定模型根据预设优化函数进行标定计算。12.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现根据权利要求1至10中任意一项所述的方法。13.一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行根据权利要求1至10中任意一项所述的方法。

技术总结
本申请提供一种挖掘机机械臂运动标定方法、装置、电子设备及存储介质。其中，所述挖掘机机械臂运动标定方法，包括：获取初始挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息和第一臂位移信息；根据关节角度信息确定标定角度转换方程；根据第一臂位移信息和所述标定角度转换方程，确定机械臂标定方程；根据所述标定角度转换方程和所述机械臂标定方程确定通用标定模型；确定目标挖掘机在至少三个互不相同的位姿下的对应的关节角度信息和第一臂位移信息，并根据所述目标挖掘机的关节角度信息和第一臂位移信息，通过通用标定模型对目标挖掘机进行标定；其中，所述标定角度转换方程和所述机械臂标定模型根据预设优化函数进行标定计算。数进行标定计算。数进行标定计算。


技术研发人员：陈广大 干英豪 陈赢峰 范长杰 胡志鹏
受保护的技术使用者：网易（杭州）网络有限公司
技术研发日：2022.09.27
技术公布日：2023/1/6