基于單目視覺的工業(yè)機器人定位系統(tǒng)的設(shè)計

李星云，李眾立，廖曉波

(西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽621010)

0 前言

視覺定位技術(shù)是機器人領(lǐng)域的一個重要研究方向［1］，它綜合運用了機械學、電子學、光學、圖像處理等學科，將其應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，可以對目標尺寸和位姿進行測量，具有非接觸、速度快、柔性好等優(yōu)點，在現(xiàn)代制造行業(yè)中具有非常廣泛的應(yīng)用前景。G PENG［2］介紹了視覺技術(shù)的關(guān)鍵問題，實現(xiàn)了對目標的定位。但該方法的缺點是利用單個特征點進行測量，容錯率較低;沈慧杰［3］建立了單目視覺測距的模型，但是要通過設(shè)置在場地上特征點與攝像機之間構(gòu)成三角關(guān)系后求出坐標，加大了運算量。周娜［4］建立了基于平面模板的攝像機定位方法，但為了獲得圖像間以及模板與圖像之間對應(yīng)點的匹配，需要人為干預(yù)，不能實現(xiàn)實時定位。

單目視覺定位在理論上有很多的研究，但圖像處理主要是在計算機上進行，所以集成性較低，成本較高。論文從實際生產(chǎn)情況出發(fā)，提出了一種在嵌入式平臺上的單目視覺定位方法，選用S3C2440 微處理器和OV3640 圖像傳感器，以工件為目標，設(shè)計出一套集成高，計算快，測量準確的單目定位系統(tǒng)。

1 單目視覺定位系統(tǒng)的組成

1.1 靜態(tài)圖像采集平臺

圖1 靜態(tài)圖像采集平臺結(jié)構(gòu)

為了保證目標的空間位置和姿態(tài)準確測量，測量模塊要固定在目標的正上方，并且鏡頭的光軸與地面垂直［5］。定位系統(tǒng)的靜態(tài)圖像采集平臺結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中f 為攝像機焦距，r 為視場角，c 為測量模塊，1 為光源。

1.2 測量模塊

為了提高測量精度和計算速度，應(yīng)選擇計算速度快的微處理器以及像素高的圖像傳感器［6］

(1)微處理器的選擇

微處理器選擇的是三星公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗、體積小的S3C2440［7］處理芯片。由于該處理芯片有一個專用的Camera-Interface (CAMIF)接口，該接口支持YCrCb8 位的數(shù)字視頻接口標準，并且無需接口轉(zhuǎn)換電路，便可以和圖像傳感器直接連接使用。

(2)圖像傳感器的選擇

圖像傳感器選擇的是OV 公司生產(chǎn)的300W 像素的CMOS 傳感器OV3640［8］。該芯片在QXGA (2 048×1 536)格式下，處理速度高達15 幀/s，可輸出YCb-Cr422、RGB565 等多種格式，并可通過設(shè)置其內(nèi)部寄存器來控制其曝光時間、白平衡、飽和度、增益等參數(shù)。

(3)光學鏡頭的選擇

光學鏡頭須選擇固定焦距、固定視場角和景深比較大的防畸變光學鏡頭。

在測量平臺的硬件設(shè)計中，將微處理器與圖像傳感器集成在一塊電路板上，并固定在保護外殼的內(nèi)部，在保護外殼上連接光學鏡頭，構(gòu)成測量模塊，如圖2 所示。

圖2 測量模塊

1.3 系統(tǒng)的主要工作流程

視覺定位系統(tǒng)的主要硬件連接圖如圖3 所示。

圖3 視覺定位系統(tǒng)的主要硬件連接圖

首先微處理器向圖像傳感器發(fā)出采集圖像的信號，收到信號后，圖像傳感器將光學圖像轉(zhuǎn)換成電子信號，經(jīng)過信號放大處理將數(shù)據(jù)結(jié)果通過DMA 傳送到存儲單元;然后微處理器將圖像數(shù)據(jù)從儲存單元中讀取出，通過計算得到目標的空間位置和姿態(tài);最后通過通信接口將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到機器人控制器去控制機器人運動。

2 單目視覺定位系統(tǒng)的算法設(shè)計

單目視覺定位原理是利用一個攝像機獲取目標圖片，然后將圖像空間中的目標信息通過相關(guān)算法，轉(zhuǎn)化成真實空間中的目標信息［9］。在該系統(tǒng)中，將得到的圖像坐標(u，v)通過相關(guān)算法，計算出目標的空間位置與姿態(tài)。

2.1 定位系統(tǒng)中各坐標系的定義與關(guān)系

(1)成像平面坐標系

如圖4 所示，O-XY 為成像平面坐標系，其中點O 是鏡頭光軸與成像平面的交點，位于圖像中心。XY 平面與地面平行。

(2)圖像坐標系

如圖4 所示，o-uv 為圖像坐標系，由于圖像信息儲存在矩陣中，所以其坐標(u，v)表示圖像中各像素點的行數(shù)和列數(shù)，其原點o 位于圖像的左上角。u 軸和v 軸分別平行于成像平面坐標系的X 軸和Y 軸。

(3)攝像機坐標系

如圖4 所示，Oc-XcYcZc為攝像機坐標系，其中點Oc為鏡頭的光心，Xc軸和Yc軸與成像平面坐標系的X 軸與Y 軸平行，Zc軸為鏡頭的光軸，與成像平面垂直。

(4)世界坐標系圖

如圖4 所示，Ow-XwYwZw為世界坐標系，用來描述目標的空間位置，為了提高運算速度，此系統(tǒng)定義的世界坐標系的原點Ow為鏡頭光軸與地面的交點，XwYw平面與地面重合。

圖4 定位系統(tǒng)坐標系

2.2 圖像坐標系與成像平面坐標系的轉(zhuǎn)化

在圖像坐標中，像素點坐標(u，v)為該像素在數(shù)組中的位置，并非實際的物理坐標值，所以需要轉(zhuǎn)換到成像平面坐標系中。已知圖像中心的坐標為(uo，vo)和一個像素點的尺寸為dx、dy，通過坐標系之間的關(guān)系可得其轉(zhuǎn)化公式為:

2.3 三維空間坐標的計算

由各坐標系之間的幾何關(guān)系可知:點O 為鏡頭的光心，Xc軸和Yc軸與成像平面的X 軸和Y 軸平行，Zc軸為鏡頭的光軸，它與成像平面垂直，其交點即為成像平面的坐標原點O。OOc為攝像機的焦距f。根據(jù)圖4 中的各坐標系關(guān)系，可以得到成像平面坐標系與攝像機坐標系之間的轉(zhuǎn)換公式:

通過齊次坐標轉(zhuǎn)換公式，可以得到攝像機坐標系與世界坐標系的轉(zhuǎn)換公式:

由于定義的世界坐標系的原點Ow為鏡頭光軸與地面的交點，且攝像機坐標系和世界坐標系沒有相對旋轉(zhuǎn)，只在Zc軸正方向進行平移，距離為a，所以可以得到R 為3 ×3 的單位矩陣，T 為［0，0，a］T，聯(lián)立(1)(2)(3)3 個公式，可以得到公式:

從公式(4)可以看出，只要求出Zc的坐標值，世界坐標(Xw，Yw，Zw)即可求出。

由于已知圖像傳感器的像素陣列為m ×n、靶面長度和寬度為Lu與Lv以及目標的長度和寬度為Lx與Ly，并且通過圖像處理可以得出目標長邊和寬邊的像素點個數(shù)分別lx和ly，通過圖像空間與真實空間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，可以得到公式:

為了減少誤差，可以通過公式(5)(6)分別求出Zc的值，取其平均值，然后將得到的結(jié)果代入公式(4)，即可求出目標的空間坐標。

2.4 目標姿態(tài)的測量

目標的姿態(tài)測量主要是計算目標中心線與Xw軸正方向之間的夾角來確定的。經(jīng)過圖像處理，已知目標兩條平行長邊上像素點的坐標(u，v)，因此可以通過計算出對應(yīng)像素點坐標的斜率來確定其夾角角度。為了縮短計算時間以及減少誤差，通過反復(fù)的測試，決定每條長邊取相同間距的10 個像素點。

3 單目視覺定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 圖像分量的選擇以及選擇依據(jù)

定位系統(tǒng)采用的圖像數(shù)據(jù)格式是YCbCr422，其中Y 表示明亮度，而Cb和Cr表示色度，其作用是描述圖像色彩及飽和度，用于指定像素的顏色。在該格式下，每個像素點保存一個Y 值，每2 個像素點保存一個Cb和Cr值。由圖像處理原理可知，圖像的像素點越多，識別與計算精度越高。所以選擇Y 分量圖像來進行二值化處理和計算。

3.2 圖像的二值化處理與目標的邊緣提取

目標Y 分量的灰度圖像及其直方圖和閥值分隔后的二值化圖像如圖5 所示。

圖5 Y 分量圖像及其直方圖和分割后二值化圖像

如圖5 (a)為目標Y 分量的灰度圖像，5 (b)為其灰度直方圖，通過灰度直方圖可以看出，目標與非目標之間的灰度峰值有較大的間隔，可以較好地提取出目標特征(因此盡量提高目標與非目標之間亮度差)，通過閾值分割，得到二值化圖像，如圖5 (c)所示，并在二值圖像中，通過邊緣連接法［10］求出目標邊界像素點。

3.3 軟件系統(tǒng)的處理流程

該視覺定位系統(tǒng)圖像處理的主要流程是:首先進行系統(tǒng)初始化，其次采集目標圖像并對圖像Y分量進行二值化處理，然后通過二值化圖像，得到目標邊緣像素點，最后通過目標邊緣的像素點，確定目標的空間位置和姿態(tài)。圖像處理的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 圖像處理的軟件流程圖

4 系統(tǒng)的測試及誤差分析

為了保證空間位置和姿態(tài)計算的準確性，應(yīng)該注意以下幾點:

(1)鏡頭的光心盡量是成像平面坐標系的原點，若偏差較小，則需要調(diào)整(u0，v0)的坐標值，如果偏差較大，必須進行校正。

(2)圖像傳感器的靶面尺寸必須和光學鏡頭的靶面尺相同，若圖像傳感器的靶面尺寸大于光學鏡頭的靶面，則采集到圖像周圍會有黑影，若小于，則采集圖像的會出現(xiàn)邊緣缺失。

(3)如果作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境光線變化很大，會影響二值化圖像的閾值選取，從而影響計算出的位姿信息。所以在光線變化很大的環(huán)境中，應(yīng)該采用自適應(yīng)閾值提取法［11］。

在數(shù)據(jù)采集的過程中，分別讓采集模塊在不同高度對目標圖像進行采集，以判斷不同高度下的系統(tǒng)誤差，采集到的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 不同高度下的圖像采集數(shù)據(jù)

通過表1 的數(shù)據(jù)可計算出目標上表面中心的世界坐標，結(jié)果如表2 所示。

表2 不同高度下的圖像處理結(jié)果

在對目標姿態(tài)的測量過程中，分別選擇了0°，15°，30°，45° 4 種角度，計算結(jié)果如表3 所示。

表3 不同角度的圖像處理結(jié)果

通過表1、表2 可知，測量模塊分別距地面為1 600、1 850、2 100 mm 時，系統(tǒng)測量誤差均小于5 mm，通過表3 可知，在不同偏移角度下，測量誤差小于0.5°。通過以上數(shù)據(jù)可知，目標空間位置與姿態(tài)測量的誤差均在操作允許的范圍內(nèi)，因此該單目視覺定位系統(tǒng)是可行的。

5 結(jié)論

通過選用S3C2440 與OV3640 的硬件配置，提出了一種處理簡單、計算準確的單目視覺定位系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)機器人上，可以準確地獲取工件目標的位置和姿態(tài)的信息，從而降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。隨著微處理器與圖像傳感器性能的不斷增強，測量精度也會不斷提高，因此具有很高的推廣價值。

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