基于橢圓特征的工件位姿估計方法

朱凱

摘要：在工業(yè)應(yīng)用中，工件的種類多種多樣，該文算法主要針對圓形工件進(jìn)行研究?？紤]到圓形工件的特殊性，提出一種基于橢圓特征的工件位姿估計方法，該方法首先需要對圖像進(jìn)行預(yù)處理操作，然后進(jìn)行輪廓提取與篩選，最后進(jìn)行最小二乘法橢圓擬合，針對擬合后的橢圓進(jìn)行工件姿態(tài)的估計。

關(guān)鍵詞：圓形工件;最小二乘法橢圓擬合;位姿估計

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）21-0171-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

隨著機器視覺技術(shù)的發(fā)展，裝備視覺技術(shù)的工業(yè)機器人也被廣泛應(yīng)用到各種各樣的工業(yè)場景中。目前在工業(yè)領(lǐng)域中，如何實現(xiàn)對工件的準(zhǔn)確定位仍是一個非常受關(guān)注的問題。鐘佩思等人提出了一種改進(jìn)的加速魯棒特征（SURF）算法，能夠?qū)崿F(xiàn)實時準(zhǔn)確定位，該方法基于加速分割測試特征檢測器（FAST）對SURF算法的特征提取方式進(jìn)行了改進(jìn)，該方法與傳統(tǒng)SURF算法相比，在提高了精度的同時還大大縮減了運行時間。翟永杰等人在進(jìn)行工件定位的時候采用了利用最小外接矩形定位的方法，該方法首先建立了一個模板，記錄模板最小外接矩形的中心以及長軸的斜率，然后在采集到圖像后計算工件的最小外接矩形的中心以及長軸斜率，并與模板進(jìn)行比較，最終實現(xiàn)位姿估計。

目前大部分的工件定位算法只包含工件的重心定位以及旋轉(zhuǎn)矢量求解，并不包含工件傾斜矢量的求解，這種定位方法多適用于生產(chǎn)線等應(yīng)用場景上的平面工件識別。本文的識別方法的應(yīng)用場景為料框，料框中工件在擺放時必然會存在傾斜角度，因此目前大部分的工件定位方法都不適用。料框中的工件為圓形工件，圓形為一種規(guī)則形狀，與其他不規(guī)則形狀相比，圓形在處理上難度較低。針對圓形工件的特殊性，本文提出了一種基于橢圓特征的工件位姿估計方法。

1 方法概述

首先需要對圖片進(jìn)行圖像預(yù)處理操作，以便為后續(xù)的算法提供一個良好的處理環(huán)境。圖像預(yù)處理之后還需要對圖像進(jìn)行一個輪廓提取，然后進(jìn)一步篩選輪廓，還需要針對篩選完成之后的輪廓進(jìn)行最小二乘法橢圓擬合，經(jīng)過最小二乘法橢圓擬合之后，可以進(jìn)一步得到橢圓的中心坐標(biāo)、長軸偏轉(zhuǎn)角度、長短軸長度等信息，通過這些信息進(jìn)而進(jìn)行重心坐標(biāo)、傾斜矢量、旋轉(zhuǎn)矢量的求解。

2 位姿估計

2.1 輪廓篩選

輪廓篩選的目的是去除掉雜質(zhì)輪廓、干擾輪廓，只留下我們需要的目標(biāo)輪廓，在進(jìn)行輪廓篩選時，最常見的約束條件為面積、長度。通過面積與長度約束能夠去除掉很大一部分的干擾輪廓，但是仍然有很大一部分雖然能夠滿足面積、長度要求，卻不屬于圓形輪廓，故仍然屬于干擾輪廓。

考慮到本文都為圓形工件，因此在面積、長度約束的基礎(chǔ)上又通過圓形度進(jìn)行了約束。圓形度等于1時，說明輪廓為正圓，圓形度越低則說明輪廓與圓的差距越大。

2.2 最小二乘法橢圓擬合

橢圓的一般方程可寫為：

2.3 重心坐標(biāo)求解

經(jīng)過上一步的求解，我們已經(jīng)能夠得到橢圓的長短軸、中心坐標(biāo)、長軸偏轉(zhuǎn)角度，在此我們將擬合以后的橢圓的中心坐標(biāo)作為工件的重心坐標(biāo)。

2.4 傾斜角度求解

圓形工件若平行于水平面進(jìn)行放置，當(dāng)攝像機鏡頭位于工件正上方時，工件在水平面上的投影應(yīng)為一個正圓形。當(dāng)出現(xiàn)以下三種情況時工件在水平面上的投影會成為一個橢圓：（1）工件平行于水平面進(jìn)行放置，但是與攝像機之間存在夾角;（2）工件位于攝像機正下方，但是工件與水平面之間存在夾角;（3）工件與水平面之間存在夾角，且與攝像機之間存在夾角。本文屬于第二種情況，即工件與水平面之間存在夾角。在這種情況下，橢圓的長軸即為圓的直徑，橢圓的短軸可以看為圓的直徑在傾斜方向上的投影。因此，可以根據(jù)短軸與圓的半徑之間的關(guān)系，求得圓的傾斜角度。

以橢圓的短軸為直角邊，橢圓的長軸為斜角邊，兩條邊之間的夾角即為圓的傾斜角度。

若橢圓的長軸為A，短軸為B，則傾斜角度α的求解公式為：

如圖1所示，邊A是圓形工件的半徑，B是A在平面的上投影，A與B之間的夾角α，則為圓形工件的傾斜角度，轉(zhuǎn)換到橢圓中來，則A為橢圓的長軸，B為橢圓的短軸。

2.5 旋轉(zhuǎn)角度求解

圓形工件若為水平放置在桌面上，那么可以忽略旋轉(zhuǎn)角度問題，但是若存在傾斜角度，則旋轉(zhuǎn)角度問題就顯得尤為重要。通過橢圓擬合，可以求得長軸的偏轉(zhuǎn)角度，在此我們以此角度為工件的旋轉(zhuǎn)角度。

3 結(jié)語

本文針對圓形工件的特點，提出了一種基于橢圓特征的工件位姿估計方法，利用圓與橢圓之間的關(guān)系，針對最小二乘法擬合后的橢圓進(jìn)行相關(guān)參數(shù)求解，進(jìn)而得到圓形工件的傾斜矢量、旋轉(zhuǎn)矢量、重心坐標(biāo)。該方法能夠?qū)A形工件進(jìn)行準(zhǔn)確的位姿估計，與其他方法相比較，該方法簡單可靠、運行時間較短，能夠滿足實時系統(tǒng)的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鐘佩思，劉敬華，劉梅，等.基于改進(jìn)的加速魯棒特征算法的工件定位方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（05）：197-202.

[2] 翟永杰，劉金龍，程海燕.基于機器視覺的汽車工件抓取定位系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（20）：6-9+13.

【通聯(lián)編輯：代影】