[發明專利]一種基于視覺的管口空間位置定位方法

有效

• 申請號: 200810143231.2
• 申請日: 2008-09-17
• 公開（公告）號: CN101359400A
• 公開（公告）日: 2009-02-04
• 發明（設計）人: 王耀南;許海霞;朱江;余洪山;袁小芳;寧偉;陳維;孫程鵬;楊民生
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06K9/00;G01C11/00
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明屬于圖像處理和模式識別領域，涉及一種基于視覺的管口空間位置定位方法。

背景技術

目前，從大型機械設備加工的焊縫自動跟蹤，精密裝配作業，食品罐裝、醫藥灌裝的自動化生產線，高樓大廈窗戶的自動擦洗，再到惡劣環境下的清洗工作等自動化的各種應用領域中，機器人對物體的定位是機器人作業過程中的關鍵技術之一。

使用激光傳感器、視覺傳感器等在機器人系統中已得到成功應用，但是還不能夠提供一種通用的滿足現代社會高效的、自動化的解決方案。要提高機器人的作業能力、自動化程度及環境的適應性，需針對具體情況、問題設計相應的方案。

本發明主要涉及精密裝配、大型廠礦企業的惡劣環境下的作業，機器人利用視覺傳感器對工件或工作面自動定位，計算工作場景與機器人的相對位置，輔助機器人自動完成作業，提高機器人的自動化程度及作業性能。

本發明主要針對大型電廠的水下環境作業，智能機器人需在線完成對冷凝器的清洗工作。大型冷凝器由數以萬計的小孔徑冷凝管組成，流經冷凝管的冷卻水冷卻用水都是直接取自江、河、湖、海等自然水源，水源不潔凈、同時熱交換時發生化學反應，造成冷凝器積聚污垢，甚至堵塞。通常的清洗方法多采用膠球、噴丸清洗，人工、機械方式清洗。研究大型冷凝器清洗的自動化關鍵技術、水下在線智能化清洗裝備，以保障安全生產、實現節能降耗，解決人工清洗效率低、工作強度大、環境惡劣等問題，減小機組停機造成的經濟損失，具有十分重大的經濟社會意義。

目前的冷凝器智能清洗設備大多采用高壓水射流清洗，智能機器人啟動射流清洗首要解決的問題就是如何將清洗設備的高壓噴水槍對準冷凝管管口。管口直徑大約3CM左右，冷凝管一般以正方形直列、正方形錯列、正三角形錯列等幾種分布方式嵌于管板上，但由于水流、使用時間久、安裝等原因會一定變形，管口空間位置坐標分布并不是完全均勻的、規律的，需確切地分析計算其位置。

智能清洗機器人對管口定位是否準確，以及能否自動尋找到管口是提高機器人自動化程度和作業性能的關鍵。傳統方法大多是人工計算管口位置再控制機器人移動，機器人執行效率低，易帶來誤差，自動化程度低。

發明內容

本發明主要解決的技術問題：智能機器人在水下環境作業，如何將高壓噴水槍自動對準冷凝管管口，提高機器人作業性能和效率。實際水下環境的管口會受到污垢、水下懸浮的沼澤物、水的流動等的干擾，采用視覺傳感器獲取的管口圖像，檢測不到清晰的、完整的管口圖像，這是管口中心定位的一個難點。由管口中心像點到管口實際位置的轉換涉及多坐標系標定與轉換，這是另一個需解決的問題。

本發明提供一種基于視覺的管口空間位置定位方法，可以實現冷凝管管口的精確定位，為清洗機器人的清洗工作提供必要的支持。

本發明的技術解決方案如下：

一種基于視覺的管口空間位置定位方法，采用裝配了攝像機的機器人對需要清洗的冷凝管管口進行定位，其特征在于，包括以下步驟：

3)離線標定機器人手眼關系R、t和攝像機內參數K；其中R為旋轉關系，t為平移關系；

4)通過攝像機獲取管口圖像，從圖像中分離出管口并經擬合獲取第i個管口中心像點坐標m_i；其中i＝1～n，n為總的管口數；

3)根據機器人手眼關系R、t和攝像機內參數K以及管口中心像點坐標m_i求得第i個管口的空間位置(X_i，Y_i)；

所述步驟1)中標定機器人手眼關系R、t的步驟為：

A)精確控制機器人的機械手末端執行器做2次以上運動，機械手平臺運動量記為Me，Me從光電編碼器讀出；

B)機器人的攝像機運動量記為Mc，Mc的確定如下：攝像機對場景中具有直線的景物進行成像，空間景物直線Lc，及對應的像直線l，透視中心O位于同一平面π，取像直線方向及像直線的垂線作為平面π內的正交矢量基；空間景物直線Lc在平面π內的正交分解：以四元數表示線矩γ，β是正交分解的系數；P是空間景物直線Lc上的點；

平臺從位置A移動到B，移動前后分別提取圖像中對應的直線l_a，l_b，其垂線分別為l_a⊥，l_b⊥，攝像機的運動量滿足：

是攝像機運動量Mc的雙四元數表示；

D)平臺運動量Me與攝像機運動量Mc之間手眼關系滿足：為平臺運動量Me的雙四元數表示；

其中，雙四元數手眼關系包含了旋轉關系R和平移關系t，將上式化簡整理為矩陣形式，最小二乘法求解雙四元數手眼關系分解出旋轉關系R和平移關系t；