在線測量機(jī)的視覺與位置組合感知定位方法

楊 健，樓佩煌，錢曉明，武 星

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

汽車總裝摩擦式自動(dòng)化輸送線(以下簡稱摩擦輸送線)由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、輸送穩(wěn)定、便于維護(hù)、能耗低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在汽車生產(chǎn)線上的應(yīng)用日益廣泛[1]。完整的摩擦輸送線系統(tǒng)由軌道、驅(qū)動(dòng)裝置、道岔、輸送吊車(吊具)、定位裝置及電控系統(tǒng)構(gòu)成。在汽車摩擦輸送線定位裝置中，常采用位置傳感器(如光電接近開關(guān))進(jìn)行定位，成本低、控制簡單，定位精度為±5 mm，能滿足常規(guī)輸送要求。而采用視覺感知進(jìn)行定位，精度更高，重復(fù)性好，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，但易受環(huán)境光照影響，目前仍在不斷發(fā)展中[2-3]。在線測量機(jī)作為一種高精高效的專用測量設(shè)備，定位要求較高，在實(shí)際應(yīng)用中需集成到摩擦輸送線上用于測量零件尺寸，如發(fā)動(dòng)機(jī)軸孔等。摩擦輸送線僅采用位置傳感器無法滿足移載裝置對定位精度與定位效率的要求，因此亟需一種融合多種傳感器的組合感知定位方法以滿足這種高精高效的定位需求。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對多傳感器組合感知定位技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。鄭文棟等[4]提出了用于XLPE電纜附件局部放電定位的HFCT/超高頻/聲發(fā)射傳感器聯(lián)合檢測方法，有效地排除了現(xiàn)場干擾，提高了定位可靠性；張鵬[5]提出了WiFi/BLE/PDR/MM組合的多源融合定位技術(shù)，充分利用不同定位源的互補(bǔ)性，提高了系統(tǒng)的定位精度、可用度和可靠性，但坐標(biāo)融合算法較為復(fù)雜；高明[6]提出了用于水下機(jī)器人的視覺和慣性導(dǎo)航組合定位方法，定位信號相比聲吶、長短基線等聲學(xué)設(shè)備更加穩(wěn)定，且性價(jià)比更高；錢曉明等[7]設(shè)計(jì)了一種用于AGV定位導(dǎo)航的激光與射頻掃描組合定位方法，但只能進(jìn)行粗定位； Rowekamper等[8]提出了一種用于AGV的激光掃描與視覺感知的組合定位方法，提高了其在實(shí)際應(yīng)用中的定位精度。

本文在摩擦輸送線原有位置傳感器進(jìn)行粗定位的基礎(chǔ)上，引入視覺感知技術(shù)進(jìn)行組合定位，無需對定位系統(tǒng)進(jìn)行過多改造，對提升工廠自動(dòng)化輸送線的定位精度具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。

1 視覺與位置組合感知定位系統(tǒng)整體框架及機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 組合定位整體框架設(shè)計(jì)

本文采用的空中摩擦輸送線以分布式布置的多臺小功率智能電機(jī)進(jìn)行接力式驅(qū)動(dòng)，具有柔性高、效率高、能耗低、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的定位與導(dǎo)引方式是在摩擦輸送線的各個(gè)智能電機(jī)前以及各個(gè)工位點(diǎn)處，如測量工位點(diǎn)、維修工位點(diǎn)、上料工位點(diǎn)等處布置光電接近開關(guān)作為控制信號。圖1所示為空中摩擦輸送線局部圖，采用漫反射式紅外線光電接近開關(guān)，并將其布置于智能電機(jī)前，利用摩擦輸送線對光電接近開關(guān)的遮擋進(jìn)行檢測。當(dāng)摩擦輸送線運(yùn)行到圖1中的光電接近開關(guān)時(shí)，其遮擋住紅外線的反射，光電接近開關(guān)的電壓信號由高電平變成低電平，智能電機(jī)控制器接收到變化的信號，給智能電機(jī)發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制信號，該信號包括轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。在工位點(diǎn)處同樣以這種方式控制電機(jī)的停和轉(zhuǎn)，但光電接近開關(guān)只能給出通斷的數(shù)字信號，無法對智能電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，雖然可以滿足常規(guī)輸送要求，但定位精度只有±5 mm。

圖1 空中摩擦輸送線

在線測量機(jī)是針對大批量、高精度零件的專用測量設(shè)備，可集成到自動(dòng)化生產(chǎn)線上，如摩擦輸送線等，作為其中的測量工位點(diǎn)用于測量零件尺寸。在線測量機(jī)通過一種自動(dòng)化移載托盤裝置與摩擦輸送線之間進(jìn)行工件移載。當(dāng)摩擦輸送線定位完成后，測量機(jī)的頂升機(jī)構(gòu)升起，通過一面兩銷的定位方式與托盤精確配合，解鎖法蘭吊鉤，從而取下工件并開始測量，測量結(jié)束后再將工件送回摩擦輸送線，進(jìn)入下道工序。這種移載裝置對定位精度和定位可重復(fù)性均有較高的要求。圖2所示為測量機(jī)與摩擦線的定位配合模型。

1—漫反射式紅外線光電接近開關(guān)；2—移載托盤裝置頂升機(jī)構(gòu)

圖2中,漫反射式紅外線光電接近開關(guān)1接收紅外反射光線的區(qū)域是直徑為10 mm的圓形區(qū)域；在線測量機(jī)自動(dòng)化移載托盤裝置頂升機(jī)構(gòu)2的定位銷倒圓角大小為R2，故摩擦線的定位精度應(yīng)小于±2 mm，否則頂升機(jī)構(gòu)的定位銷與托盤定位孔會(huì)產(chǎn)生剛性碰撞，無法完成定位，甚至損壞機(jī)械部件。而上述光電接近開關(guān)對摩擦線進(jìn)行開環(huán)控制，定位精度只能達(dá)到±5 mm，測量機(jī)與摩擦線定位精度難以匹配。

針對在線測量機(jī)與摩擦輸送線定位精度不匹配的問題，本文提出了一種視覺與位置組合感知的精確定位方法，用于摩擦輸送線與在線測量機(jī)的高精高效定位移載。首先設(shè)計(jì)一種移載托盤裝置，用于工件在摩擦輸送線與在線測量機(jī)之間的自動(dòng)移載；其次利用分布式布置的位置傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行摩擦輸送線的粗定位，并作為摩擦輸送線前進(jìn)或停止的判據(jù)，控制各個(gè)電機(jī)的啟停。在此基礎(chǔ)上，在測量工位點(diǎn)處安裝CCD攝像頭對摩擦輸送線吊車上的標(biāo)識點(diǎn)進(jìn)行視覺感知，感知識別過程包括圖像采集、圖像預(yù)處理、圓環(huán)標(biāo)識邊界提取，然后計(jì)算中心點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行位置矯正。本文采用基于圓周特征的改進(jìn)型圓模板匹配算法，計(jì)算得到圓環(huán)標(biāo)識中心點(diǎn)的精確坐標(biāo)，實(shí)時(shí)反饋給智能電機(jī)控制器以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)對摩擦線的精確定位。整個(gè)組合感知定位流程如圖3所示。

圖3 定位流程圖

1.2 自動(dòng)化移載托盤裝置設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化移載托盤裝置，用于在線測量機(jī)將工件從摩擦輸送線上取下與送返，其模型如圖4所示。該移載托盤設(shè)置有定位銷與通氣蓋，形成一面兩銷定位，定位銷有2 mm大小的倒角，可作為定位有偏差時(shí)的導(dǎo)入矯正，通氣口保持通氣狀態(tài)，通過其反饋的氣壓大小進(jìn)行氣密性檢測以確保托盤處于水平狀態(tài)，同時(shí)設(shè)置磁性開關(guān)進(jìn)行高度定位。摩擦輸送線定位完成后，氣缸將頂升機(jī)構(gòu)頂起，通過兩個(gè)磁性開關(guān)檢測頂升機(jī)構(gòu)的行程，在指定高度處停下，解鎖法蘭吊鉤，將放置工件的托盤從摩擦輸送線上取下，然后開始測量。待測量結(jié)束后，在線測量機(jī)再通過該自動(dòng)化移載托盤裝置將工件頂起，鎖住法蘭吊鉤，送返摩擦輸送線，將工件送入下道工序。

1—定位銷；2—通氣蓋；3—底板；4—?dú)庵?—?dú)夤?/p>

圖4中，定位銷1共有2個(gè)，對角布置，通過氣缸控制定位銷的升、降實(shí)現(xiàn)托盤的移載。

2 組合定位與算法分析

2.1 組合定位建模

1,2,3—光電接近開關(guān)；4—摩擦線；5—主動(dòng)輪；6—從動(dòng)輪；

2.2 視覺感知精確測量算法

完成粗定位后，攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集吊車上的圓環(huán)標(biāo)識圖像，然后對數(shù)字圖像進(jìn)行預(yù)處理，以消除圖像中無用的背景成分，增強(qiáng)圓環(huán)標(biāo)識的可檢測性，同時(shí)最大限度地簡化圖像信息，提高圖像處理速度。

在本文實(shí)驗(yàn)平臺中，圓環(huán)標(biāo)識為紅藍(lán)相間的三重圓環(huán)，安裝在摩擦輸送線吊車的托盤上，托盤為銀白色金屬，與圓環(huán)標(biāo)識有著很高的區(qū)分度。由于CCD攝像機(jī)的鏡頭為廣角鏡頭，所采集圖像會(huì)存在徑向的桶形畸變，即視場邊緣的放大率比中心部分小，因此當(dāng)圓環(huán)標(biāo)識不在視場中心時(shí)，圓心坐標(biāo)會(huì)有偏移。本文首先采用基于同心圓的二元二次多項(xiàng)式修正方法消除桶形畸變[9]，該方法精度高、速度快、抗噪聲能力強(qiáng)；然后結(jié)合中值法濾波消除圖像噪聲，并采用Kittler算法[10]進(jìn)行圖像二值化處理，完成對圖像的預(yù)處理。圓環(huán)標(biāo)識及預(yù)處理后的圖像如圖6所示。

圖6 圓環(huán)標(biāo)識與預(yù)處理圖像

由于圓環(huán)標(biāo)識在圖像中占比較小，與背景色差明顯，同時(shí)為了使摩擦輸送線具有較高的定位效率，需要盡可能降低圖像像素點(diǎn)的運(yùn)算量，因此本文采用張建鵬等[11]提出的基于橢圓幾何特征的邊緣檢測方法來獲取標(biāo)識的理想邊緣。該方法根據(jù)圓環(huán)標(biāo)識的位置提取有效的區(qū)塊圖像，再利用形態(tài)學(xué)的膨脹操作對圖像中圓環(huán)標(biāo)識進(jìn)行增強(qiáng)，最后提取有效的圓環(huán)標(biāo)識邊緣輪廓。

假設(shè)Fi(ui,vi)為圓環(huán)標(biāo)識邊緣上一個(gè)像素點(diǎn)。選取圓環(huán)標(biāo)識上的一點(diǎn)F0作為起點(diǎn)，那么便可以在F0的鄰域內(nèi)進(jìn)行邊緣追蹤以找到其下一個(gè)邊緣點(diǎn)。邊緣追蹤是從當(dāng)前點(diǎn)右邊第一個(gè)像素開始的順時(shí)針鄰域搜索，圖像整體上采取由左至右逐行掃描的方式，在掃描過程中按照圓形的幾何特征，依次保存掃描得到的邊緣像素點(diǎn)，最終得到圓環(huán)標(biāo)識的邊緣像素點(diǎn)集合F={Fj(uj,vj)|j=1,2,3,…}。在此基礎(chǔ)上對提取得到的邊緣像素點(diǎn)進(jìn)行處理，便可以得到圓環(huán)標(biāo)識的邊界圖像，如圖7所示。

圖7 圓環(huán)標(biāo)識邊界圖像

在提取圓環(huán)標(biāo)識的邊界圖像后，還需對目標(biāo)的特征信息進(jìn)行驗(yàn)證。由于本文采用的圓環(huán)標(biāo)識為已知，即標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)則圓形，并且圖像中存在的干擾噪聲較少，因此優(yōu)先采用圓模板匹配算法。模板匹配算法是將目標(biāo)特征信息作為模板T，并在搜索區(qū)域S里平移。模板覆蓋下的搜索子區(qū)域記作Sa,b,其中a,b為子區(qū)域左上角元素在搜索區(qū)域S中的坐標(biāo)。通過計(jì)算子區(qū)域與模板的差異程度，尋找最佳匹配點(diǎn)。子區(qū)域與模板的匹配誤差D(a,b)可以用對應(yīng)元素差值的平方累加和來描述：

(1)

式中：w為模板T的寬度像素?cái)?shù)；h為模板T的高度像素?cái)?shù)；Sa,b(m,n)和T(m,n)分別為搜索子區(qū)域和模板T在對應(yīng)元素(m,n)處的像素值。在搜索區(qū)域S中平移模板T，并使用式(1)進(jìn)行匹配計(jì)算，最小匹配誤差Dmin(a,b)對應(yīng)的位置(a,b)即為最佳匹配點(diǎn)。

經(jīng)典模板匹配算法雖然匹配精確，但計(jì)算量較大，故本文提出了基于圓環(huán)標(biāo)識圓周特征的改進(jìn)匹配算法，通過將3個(gè)圓周劃分為多個(gè)集合取代單個(gè)元素進(jìn)行匹配計(jì)算，得到3個(gè)圓周的精確點(diǎn)集與圓心坐標(biāo)，最后取圓心坐標(biāo)的均值作為圓心坐標(biāo)，有效提高了圓心定位的精度與效率。算法流程如圖8所示。

圖8 基于圓周特征的改進(jìn)型圓模板匹配算法流程

模板大小記作(2c+1)×(2c+1)，模板中心即為圓心，以r=1,2,3,…，c為半徑分別作圓，集合Bi(i=1,2,3,…,c)表示落在第i個(gè)圓周上的模板元素，則整個(gè)模板被劃分為c個(gè)集合。在此基礎(chǔ)上，使用聯(lián)接數(shù)法計(jì)算每個(gè)集合Bi中圓周元素的聯(lián)接數(shù)，即圓周上的聯(lián)通分支數(shù)，并作為集合Bi的特征值，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Pi為第i個(gè)圓周的0-1模式數(shù)；Ni為每個(gè)集合Bi對應(yīng)的元素個(gè)數(shù)，各個(gè)元素順時(shí)針排列；Ek為Bi順時(shí)針排列的第k個(gè)元素二值化之后的值。當(dāng)k=Ni時(shí)，令k+1=1，這樣便得到搜索子區(qū)域的c個(gè)特征值。最后將式(2)代入式(1)便可計(jì)算得到最小匹配誤差Dmin(a,b)，對應(yīng)的位置(a,b)即為最佳匹配點(diǎn)。在得到最佳匹配點(diǎn)后，基于圓環(huán)標(biāo)識特征提出了基于圓周特征的改進(jìn)如下：根據(jù)圓的對稱性可知，圓心的橫坐標(biāo)應(yīng)等于所有橫向掃描的左右邊界點(diǎn)的橫坐標(biāo)之和的一半，縱坐標(biāo)亦然，據(jù)此即可得到圓環(huán)標(biāo)識的3個(gè)圓周的中心點(diǎn)坐標(biāo)，最后取其均值，計(jì)算得到整個(gè)圓環(huán)標(biāo)識的中心點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)。

2.3 摩擦輸送線精確控制技術(shù)

在摩擦輸送線粗定位完成后，智能電機(jī)控制器中的DSP處理器開始實(shí)時(shí)接收并處理攝像機(jī)所拍攝的圖像，摩擦輸送線進(jìn)入精確定位狀態(tài)，即根據(jù)圖像數(shù)據(jù)控制電機(jī)來調(diào)整偏差。根據(jù)圖像處理結(jié)果，可以實(shí)時(shí)計(jì)算得到圓環(huán)標(biāo)識的中心像素坐標(biāo)(x,y)，將此坐標(biāo)與通過攝像頭標(biāo)定得到的中心坐標(biāo)(x0,y0)比較,得到其偏差Δx,Δy為：

(3)

若|Δx|>1 mm，表示摩擦輸送線與在線測量機(jī)的定位未完成。若Δx>1 mm，DSP給電機(jī)發(fā)送反轉(zhuǎn)控制指令，若Δx<-1 mm，DSP給電機(jī)發(fā)送正轉(zhuǎn)控制指令，調(diào)整摩擦輸送線的位置，使得|Δx|≤1 mm，從而完成精確定位。Δy表示摩擦輸送線在運(yùn)行過程中存在的少許晃動(dòng)而造成的縱向位置偏差，實(shí)際運(yùn)行過程中，Δy應(yīng)當(dāng)始終小于Δx，且不需要通過控制電機(jī)來調(diào)整，只需要等待摩擦輸送線自身停止晃動(dòng)即可。若CCD攝像機(jī)檢測到Δy大于1 mm，則表示摩擦輸送線機(jī)械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)松動(dòng)或其他故障。當(dāng)偏差值Δx和Δy的絕對值都小于1 mm時(shí)，即滿足在線測量機(jī)與摩擦線移載工件的定位精度要求，從而實(shí)現(xiàn)了基于位置與視覺組合感知的閉環(huán)伺服控制過程，如圖9所示。

圖9 位置與視覺組合感知的閉環(huán)伺服控制

定位完成后，自動(dòng)化托盤裝置的頂升機(jī)構(gòu)升起，取下摩擦輸送線吊車上的托盤，開始測量。同時(shí)，DSP處理器控制智能電機(jī)進(jìn)入測量工序等待過程，智能電機(jī)從精確定位的轉(zhuǎn)角控制模式恢復(fù)為正常輸送的轉(zhuǎn)速控制模式。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文實(shí)驗(yàn)平臺為汽車總裝摩擦輸送線與缸體在線測量機(jī)，在摩擦輸送線的每個(gè)智能電機(jī)前安裝光電接近開關(guān)，并在測量工位點(diǎn)處安裝CCD攝像機(jī)，圖像信號由智能電機(jī)控制器的DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理，通過摩擦輸送線與在線測量機(jī)的自動(dòng)化移載托盤實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的移載，并在托盤上安放紅藍(lán)相間的圓環(huán)標(biāo)識作為定位點(diǎn)。智能電機(jī)控制器采用TMS320DM642 DSP處理器接收光電接近開關(guān)信號、實(shí)時(shí)處理圓環(huán)標(biāo)識圖像信息、對智能電機(jī)進(jìn)行伺服控制。實(shí)驗(yàn)平臺如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)體圖

電機(jī)轉(zhuǎn)速為20 r/min，摩擦輪半徑為70 mm，摩擦輸送線運(yùn)行速度為146 mm/s，光電接近開關(guān)粗定位后電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集并處理圖像進(jìn)行精確定位，對智能電機(jī)伺服控制，定位誤差如圖11所示。根據(jù)100次定位誤差分析可知，摩擦輸送線精確定位誤差均小于1 mm，精確定位時(shí)間少于2 s，完全滿足在線測量機(jī)自動(dòng)化移載平臺的定位精度要求。在實(shí)際定位過程中，摩擦輸送線沿Y軸的晃動(dòng)位置偏差恢復(fù)至滿足定位精度的時(shí)間總是小于X軸運(yùn)行方向定位偏差伺服控制時(shí)間，摩擦輸送線機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，故實(shí)際定位時(shí)間即為摩擦輸送線對于X軸定位控制的時(shí)間，具有較高的實(shí)時(shí)性。

圖11 定位誤差

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于視覺與位置傳感器組合感知的精確定位方法，用于在線測量機(jī)與自動(dòng)化摩擦輸送線集成時(shí)的精確定位。經(jīng)驗(yàn)證，本文所提出的定位方法使得摩擦輸送線的定位精度達(dá)±1 mm，視覺精確定位時(shí)間少于2 s，定位精度高、速度快、可重復(fù)性好，為將在線測量機(jī)集成到工廠自動(dòng)化摩擦輸送線上提供了有效的解決方案。