[發明專利]基于雙目視覺的管片拼裝機的管片定位及抓取系統

有效

• 申請號: 201410252840.7
• 申請日: 2014-06-09
• 公開（公告）號: CN104018850A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 呂瑋東;王國強;趙海峰;何恩光;邊野;蘇麗達
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: E21D11/08
• 分類號: E21D11/08;E21D11/40
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術領域

本發明屬機械工程技術領域，具體涉及一種盾構管片拼裝機的雙目視覺定位及抓取系統。

背景技術

管片拼裝機是盾構機的重要子系統之一，當盾構掘進一個管片環的距離后，管片拼裝機將預制的混凝土管片拼裝成環，作為隧道的支護和盾構機前盾的支撐點。在拼裝過程中，首先管片拼裝機從盾構機后方的管片運輸車上抓取管片，然后通過軸向平移、周向旋轉和徑向伸縮將管片進行粗定位，再通過橫搖、俯仰和偏轉進行姿態調整以實現精確定位。目前我國的工程實際中，管片拼裝的整個過程都需要人工完成，這樣不僅效率低下、不能保證統一的拼裝質量，還容易產生危險。

由于目前的管片拼裝機多可視為一多自由度的機器人，因此可將管片拼裝作業簡單理解為對于工件(待裝管片)的定位、抓取、移動和放置過程。管片拼裝機的視覺系統是實現管片拼裝機自動工作的重要子系統之一。視覺系統使管片拼裝機獲取工作環境的圖像以便辨識管片，并確定其位置，據此通過控制系統實現管片抓取和拼裝等功能。如何借助機器視覺技術完成管片的定位工作是管片拼裝自動化的首要研究內容。

機器視覺可按照系統中攝像頭的數量分為單目視覺、雙目視覺和多目視覺。雙目視覺技術是通過分析多幅二維圖像以獲取物體的三維坐標，并且還能對三維物體進行識別。利用三角測量的原理，雙目視覺通過兩臺攝像機獲取及預處理環境和物體的數字圖像，并校正和匹配特征點，最后進行深度信息的獲取和三維重建。作為目前應用較為廣泛的機器視覺系統之一，雙目視覺系統利用兩個攝像頭即可完成目標物體的三維信息獲取。其工作一般包括圖像獲取、攝像機校準、特征提取、立體匹配和三維信息恢復。

經文獻查閱，目前國內外沒有應用雙目視覺相關技術的管片拼裝機視覺系統。申請號為“201210021637.X”的專利公開了一種基于圖像識別的管片拼裝質量的智能檢測系統及其檢測方法，用于檢測盾構隧道管片拼裝質量。該系統通過USB(通用串行總線)攝像頭搭建的智能檢測系統實現了對管片拼裝質量的檢驗，通過辨識管片和標識物的圖像建立并加載模型，以對管片內徑和錯臺量進行分析。但是此專利沒有涉及到管片拼裝時對管片的識別，無法實現管片拼裝的自動作業，也就無法實現管片拼裝機的自動化。

發明內容

本發明的目的是提供基于雙目視覺的管片拼裝機的管片定位及抓取系統，實現對待裝管片的定位和抓取的功能。

本發明的上述目的可以通過以下技術方案實現，結合附圖說明如下：

1、基于雙目視覺的管片拼裝機的管片定位及抓取系統，主要由圖像獲取系統A、圖像處理系統B組成，并與控制系統及執行機構C相連；其中，圖像獲取系統A由右CCD(電荷耦合元件)傳感器1、輔助光源2、支架3、左CCD傳感器6構成；圖像處理系統B由工業計算機8和兩個現場可編輯門陣列9組成；控制系統及執行機構C包括管片拼裝機控制系統18、管片拼裝機姿態調整機構19、管片拼裝機舉升機構20和管片拼裝機回轉機構21；所述的圖像獲取系統A的CCD傳感器1通過數據線和圖像處理系統B中的現場可編程門陣列9連接，圖像處理系統B的工業計算機8通過數據線和控制系統及執行機構C中管片拼裝機控制系統21的硬件連接。

2、所述的圖像獲取系統A中，右CCD傳感器1、左CCD傳感器6、輔助光源2安裝在支架3上；支架固定在舉升橫梁斜臂上，根據管片輸送車和管片拼裝機的初始位置調整CCD傳感器的角度；輔助光源2安裝在支架3側面，采用平行光源，低角度照射方式。

3、所述的圖像處理系統B中，兩個現場可編程門陣列7和9各自構成一樣的控制電路，分別連接在兩個CCD傳感器6和1上；其中，現場可編輯門陣列9的控制電路的PHY/LLC(物理層/邏輯鏈路控制)芯片4和右CCD傳感器1連接，并與RAM(隨機存取存儲器)10、FLASH(閃存)17和PCI(外設互聯標準)主控器11相連，控制程序和圖像處理程序保存在FLASH芯片中，PCI主控器和工業計算機的PCI總線連接，在工作中對右CCD傳感器1的圖像進行采集和處理；現場可編程門陣列7的硬件布置及連接方式與現場可編程門陣列9的相同，對左CCD傳感器6的圖像進行處理，且現場可編程門陣列7和9的FLASH芯片中的預設程序相同。

4、所述的圖像處理系統B中，對于已經獲取的圖像，管片的形心O′(X_d,Y_d,Z_d)的坐標可表示為：