CN109541626A - 目标平面法向量检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种目标平面法向量检测装置及检测方法，所述装置包括直角三角架、控制单元、相机、三个激光测距仪、三个偏转角度调节机构和三个直线移动机构，相机设置在直角三角架的中心位置，三个激光测距仪、三个偏转角度调节机构、三个直线移动机构和直角三角架的三条梁均为一一对应；每个偏转角度调节机构用于调节对应激光测距仪的偏转角度；每个直线移动机构设置在直角三角架对应的梁上，用于带动对应的偏转角度调节机构和激光测距仪沿直角三角架对应的梁直线移动；控制单元分别与相机、激光测距仪、偏转角度调节机构和直线移动机构连接。本发明装置结构合理、安装方便、操作简单，可以快速识别目标，并计算目标平面法向量。

Description

目标平面法向量检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测装置及检测方法，尤其是一种目标平面法向量检测装置及检测方法，属于机器视觉领域。
背景技术
在中国制造2025战略的时代背景下，传统制造业的数字化、自动化及智能化被提上日程。对于生产和物流等流水线线上物体的识别与检测，由于背景复杂，待识别物体堆放杂乱，传统图像识别速度慢准确率不高。且传统单目识别技术无法获得检测目标的深度信息，而双目立体视觉对环境光照非常敏感，在光照较强或较暗的情况下会导致算法效果急剧下降，另外其计算复杂度高计算量大、测量范围有限。所以需要一种能在复杂环境下快速识别目标并计算目标平面法向量的简单有效的方法和装置，本发明结合单目视觉和激光测距技术再加上机构上的创新便可达到此目的。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足之处，提供一种目标平面法向量检测装置，该装置结构合理、安装方便、操作简单，可以快速识别目标，并计算目标平面法向量，可以广泛用于自动化生产线上物体的识别及抓取，减轻工作人员的劳动强度，提高生产效率。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的目标平面法向量检测方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
目标平面法向量检测装置，包括直角三角架、控制单元、相机、三个激光测距仪、三个偏转角度调节机构和三个直线移动机构，所述相机设置在直角三角架的中心位置，所述三个激光测距仪、三个偏转角度调节机构、三个直线移动机构和直角三角架的三条梁均为一一对应；
每个偏转角度调节机构用于调节对应激光测距仪的偏转角度；
每个直线移动机构设置在直角三角架对应的梁上，用于带动对应的偏转角度调节机构和激光测距仪沿直角三角架对应的梁直线移动；
所述控制单元分别与相机、激光测距仪、偏转角度调节机构和直线移动机构连接。
进一步的，每个偏转角度调节机构包括调节电机、第一连接件和第二连接件，所述第一连接件和第二连接件通过调节电机的输出轴铰接在一起，第一连接件与调节电机的输出轴固定连接，并与对应的激光测距仪固定连接，第二连接件与调节电机的输出轴活动连接，并设置在对应的直线移动机构上，所述调节电机与控制单元相连。
进一步的，每个激光测距仪固定设置在固定座上，所述固定座与对应的偏转角度调节机构中的第一连接件固定连接。
进一步的，每个直线移动机构包括移动电机、联轴器、丝杆和滑块，所述移动电机的输出轴通过联轴器与丝杆连接，所述滑块与丝杆螺纹连接，并与对应的偏转角度调节机构固定连接，所述移动电机与控制单元相连。
进一步的，所述相机设置在直角三角架的斜梁上。
进一步的，所述相机滑动设置在一支撑杆上，所述支撑杆固定在直角三角架的斜梁上。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
基于上述装置的目标平面法向量检测方法，所述方法包括：
调整相机位置使相机视野覆盖工作区域，对相机进行标定，获取相机的内外参数和畸变参数；
建立世界坐标系，构建物理点与图像像素点的映射关系；其中，所述世界坐标系的X、Y轴需与直角三角安装架的两条直角梁平行，并且XOY平面与待测目标平面重合，Z轴竖直向上；
控制相机对待测目标进行拍摄，利用机器学习中的目标检测算法识别待测目标及其图像坐标；
控制每个直线移动机构，驱动对应的激光测距仪沿直角三角架对应的梁移动，以及控制偏转角度调节机构，驱动对应的激光测距仪发生偏转，使三个激光测距仪分别调整到能够照到对待测目标平面中心的垂直对应点处；
若待测目标处于平放状态，则待测目标平面的法向量垂直于XOY平面；
若待测目标处于非平放状态，则根据三个激光点对应激光测距仪的距离信息和偏转角度，求出三个激光点在世界坐标系下的三维坐标，从而求出待测目标平面的法向量。
进一步的，所述激光测距仪的偏转角度根据待测目标平面中心在世界坐标系下的x和y坐标，以及激光距离待测目标平面中心的垂直对应点的垂直高度计算得出。
进一步的，所述待测目标处于平放状态是指：三个激光点均打在待测目标平面中心的垂直对应点处。
进一步的，所述待测目标处于非平放状态是指：三个激光点打在偏离待测目标平面中心的垂直对应点的三个不同位置。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明设置了直线移动机构和偏转角度调节机构，直线移动机构可以驱动激光测距仪沿直角三角架的梁直线移动，偏转角度调节机构可以调节激光测距仪的偏转角度，可以保证三个激光测距仪的激光能够打在工作区域的任何位置，而且将激光测距技术和单目相机识别技术相结合，能在复杂背景、待测目标堆放杂乱条件下实现快速识别目标平面法向量，对环境光照要求不高，计算复杂度较低计算量不大。
2、本发明采用直角三角激光安装架，建立X、Y轴与直角三角架的两条直角梁平行并且XOY平面与待测目标平面重合的世界坐标系，一方面能使三个激光测距仪的激光能照射到工作平面的每一个位置，另一方面大大减少了法向量求解的计算量和降低了求解的误差。
3、本发明将相机滑动设置在一支撑杆上，通过相机在支撑杆上滑动，可以调节相机的位置，使得相机视野覆盖工作区域。
4、本发明在目标识别时使用了机器学习中的目标检测算法，相较传统图像目标检测算法有速度快、准确率高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的目标平面法向量检测装置其中一个角度的立体结构示意图。
图2为图1中A处的放大图。
图3为本发明实施例的目标平面法向量检测装置另一个角度的立体结构示意图。
图4为本发明实施例的目标平面法向量检测装置的正视结构示意图。
图5为本发明实施例的目标平面法向量检测装置的后视结构示意图。
图6为本发明实施例的目标平面法向量检测装置的俯视结构示意图。
图7为本发明实施例的目标平面法向量检测装置的侧视结构示意图
图8为本发明实施例的目标平面法向量检测装置的相机针孔摄像机模型图。
图9为本发明实施例的目标平面法向量检测装置的坐标转换关系图。
图10为本发明实施例的目标平面法向量检测装置的总体方案实施图。
其中，1-直角三角架，2-相机，3-第一激光测距仪，4-第二激光测距仪，5-第三激光测距仪，6-第一偏转角度调节机构，601-调节电机，602-第一连接件，603-第二连接件，7-第二偏转角度调节机构，8-第三偏转角度调节机构，9-第一直线移动机构，901-移动电机，902-联轴器，903-丝杆，904-滑块，10-第二直线移动机构，11-第三直线移动机构，12-第一固定座，13-第二固定座，14-第三固定座，15-支撑杆。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
如图1～图7所示，本实施例提供了一种目标平面法向量检测装置，该装置包括直角三角架1、控制单元(图中未示出)、相机2、第一激光测距仪3、第二激光测距仪4、第三激光测距仪5、第一偏转角度调节机构6、第二偏转角度调节机构7、第三偏转角度调节机构8、第一直线移动机构9、第二直线移动机构10和第三直线移动机构11，直角三角架1具有斜梁、第一直角梁和第二直角梁，第一激光测距仪3、第一偏转角度调节机构6和第一直线移动机构9和直角三角架的倾梁对应，第二激光测距仪4、第二偏转角度调节机构7和第二直线移动机构10和直角三角架1的第一直角梁对应，第三激光测距仪5、第三偏转角度调节机构8和第三直线移动机构11和直角三角架1的第二直角梁对应，控制单元分别与相机2、第一激光测距仪3、第二激光测距仪4、第三激光测距仪5、第一偏转角度调节机构6、第二偏转角度调节机构7、第三偏转角度调节机构8、第一直线移动机构9、第二直线移动机构10、第三直线移动机构11连接。
第一偏转角度调节机构6可以带动第一激光测距仪3摆动，即可以调节第一激光测距仪3的偏转角度；第二偏转角度调节机构7可以带动第二激光测距仪4摆动，即可以调节第二激光测距仪4的偏转角度；第三偏转角度调节机构8可以带动第三激光测距仪5摆动，即可以调节第三激光测距仪5的偏转角度；第一偏转角度调节机构6、第二偏转角度调节机构7和第三偏转角度调节机构8可以保证第一激光测距仪3、第二激光测距仪4和第三激光测距仪5的激光能够打在工作区域的任何位置。
进一步地，第一偏转角度调节机构6、第二偏转角度调节机构7和第三偏转角度调节机构8的结构相同，以第一偏转角度调节机构6为例，其包括调节电机601、第一连接件602和第二连接件603，第一连接件602和第二连接件603通过调节电机601的输出轴铰接在一起，第一连接件602与调节电机601的输出轴固定连接，并与第一激光测距仪3固定连接，第二连接件603与调节电机601的输出轴活动连接，并设置在第一直线移动机构9上，调节电机601与控制单元相连，控制单元控制调节电机601旋转，带动第一连接件602相对于第二连接件603摆动，从而使第一激光测距仪3摆动，以调节第一激光测距仪3的偏转角度。
为了使各个激光测距仪与对应的第一连接件连接更稳固，本实施例将第一激光测距仪3固定设置在第一固定座12上，将第二激光测距仪4固定设置在第二固定座13上，以及将第三激光测距仪5固定设置在第三固定座14上，第一固定座12与第一偏转角度调节机构6的第一连接件601固定连接，第二固定座13与第二偏转角度调节机构7的第一连接件固定连接，第三固定座14与第三偏转角度调节机构8的第一连接件固定连接。
第一直线移动机构9设置在直角三角架1的倾梁上，用于带动第一偏转角度调节机构6沿直角三角架1的倾梁直线移动，第一激光测距仪3也随第一偏转角度调节机构6一起沿直角三角架1的倾梁直线移动；第二直线移动机构10设置在直角三角架1的第一直角梁上，用于带动第二偏转角度调节机构7沿直角三角架1的第一直角梁直线移动，第二激光测距仪4也随第二偏转角度调节机构7一起沿直角三角架1的第一直角梁直线移动；第三直线移动机构11设置在直角三角架1的第二直角梁上，用于带动第三偏转角度调节机构8沿直角三角架1的第二直角梁直线移动，第三激光测距仪5也随第三偏转角度调节机构8一起沿直角三角架1的第二直角梁直线移动。
进一步地，第一直线移动机构9、第二直线移动机构10和第三直线移动机构11的结构相同，以第一直线移动机构9为例，其包括移动电机901、联轴器902、丝杆903和滑块904，移动电机901的输出轴通过联轴器902与丝杆903连接，滑块904与丝杆903螺纹连接，具体地，滑块904具有圆形通孔，该圆形通孔的内表面具有内螺纹，丝杆903的外表面具有外螺纹，通过滑块904的内螺纹与丝杆903的外螺纹配合，使滑块904与丝杆903螺纹连接，滑块904还与第一偏转角度调节机构6的第二连接件603固定连接，移动电机901与控制单元相连，控制单元控制移动电机901旋转，带动丝杆903旋转，从而使滑块904沿直角三角架1的倾梁直线移动，滑块904上的第一偏转角度调节机构6和第一激光测距仪3也随滑块904一起沿直角三角架1的倾梁直线移动。
本领域技术人员可以理解，为了使滑块904能够更稳定地滑动，可以在丝杆903的两侧分别设置滑轨，并将滑块904滑动设置在滑轨上；此外，第一直线移动机构9除了采用丝杆903螺旋带动滑块904直线移动的方式外，还可以采用两个同步轮和皮带来带动滑块904直线移动，两个同步轮之间通过皮带连接，将滑块904固定设置在皮带上，由移动电机901带动其中一个同步轮旋转，该同步轮通过皮带带动另一个同步轮旋转，在皮带转动的过程中，使滑块904直线移动，同理，第二直线移动机构10和第三直线移动机构11也可以这种结构。
相机2采用单目工业相机，其设置在直角三角架1的中心位置，具体地，设置在直角三角架1的斜梁上，可使相机1视野覆盖工作区域；为了调节相机2的位置，本实施例将相机2滑动设置在一支撑杆15上，该支撑杆15固定在直角三角架1的斜梁上。
本实施例还提供了一种目标平面法向量检测方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：
S1、调整相机位置使相机视野覆盖工作区域，对相机进行标定，获取相机的内外参数和畸变参数。
相机标定的目的有两个：一是计算内外参数，建立像素坐标和真实世界的联系；二是矫正透镜带来的主要偏差。
本实施例采用工程应用中广泛使用的张正友棋盘标定法，这种标定方法对环境要求不高，标定过程只需借助一块印有棋盘格的平面标定板，通过多次改变棋盘的方位来捕捉棋盘图像，以求获得丰富的坐标信息，将图像传输给写好的软件程序计算内外参数和畸变参数。
S2、建立世界坐标系，构建物理点与图像像素点的映射关系。
由步骤S1得到相机的内外参数，相机成像的过程可以用一个简单而有效的模型来解释就是针孔摄像机模型，理想的针孔模型可以理解成光线从远处发射过来经过针孔投射在图像平面上形成图像的过程，如图8所示，f是焦距，Z是摄像机到物体的实际距离，X是物体的实际高度，x是物体的成像高度，根据相似三角形原理，有-x/f＝X/Z。在上述模型的基础上，建立四个坐标系作为摄像机测量与真实三维世界测量的联系桥梁，如图9所示，分别是图像坐标系UOoV、成像坐标系OpXpYpZp、摄像机坐标系OcXcYcZc和世界坐标系OwXwYwZw，再依次建立各个坐标系的联系，得到最终物理点与图像像素点的映射关系：
其中，所述世界坐标系的X、Y轴需分别与直角三角架的第一直角梁、第二直角梁平行，并且XOY平面与待测目标平面重合，Z轴竖直向上，这样便建立了相机与直角三角架及工作平面的联系，此关系可通过写好的程序中的矩阵运算得到。
S3、控制相机对待测目标进行拍摄，利用机器学习中的目标检测算法识别待测目标及其图像坐标。
识别待测目标中心的二维坐标，首先需要得到目标的图像坐标，即进行图像识别，本实施例使用了机器学习中adaboost算法，这是一种迭代算法，其核心思想是针对同一个训练集训练不同的分类器(弱分类器)，然后把这些弱分类器集合起来，构成一个更强的最终分类器(强分类器)，再由步骤S2得到的物理点与图像像素点的映射关系计算出目标实际的x和y坐标，即图10中的b2点对应的xy坐标。
S4、控制每个直线移动机构，驱动对应的激光测距仪沿直角三角架对应的梁移动，以及控制偏转角度调节机构，驱动对应的激光测距仪发生偏转，使三个激光测距仪分别调整到能够照到对待测目标平面中心的垂直对应点处。
首先假设待测目标平放在工作平面上，那么步骤S3识别的待测目标平面中心的垂直对应点b1的三维坐标即可确定，即(x,y,z物体高度)，利用驱动激光测距仪沿梁移动的螺旋机构和控制电机以及调整激光测距仪摆动的控制电机将三个激光测距仪分别调整到能够照到b1点的位置，其中偏转角度信息是根据(x、y)坐标和激光距离b1垂直高度计算得出，计算公式：其中z是物体高度。
S5、若待测目标处于平放状态，则待测目标平面的法向量垂直于XOY平面。
具体地，若三个激光点均打在待测目标平面中心的垂直对应点处(即b1点处)，则说明此目标处于平放状态，此时待检测物体的平面法向量垂直XOY平面。
S6、若待测目标处于非平放状态，则根据三个激光点对应激光测距仪的距离信息和偏转角度，求出三个激光点在世界坐标系下的三维坐标，从而求出待测目标平面的法向量。
具体地，若三个激光点打在偏离待测目标平面中心的垂直对应点(即b1点)的三个不同位置J、K、L则说明目标是非平放状态，即此时识别到的实际是b2点，那么就要求解J、K、L三点在世界坐标系下的三维坐标，以J点为例，其x坐标不变，需计算yJ坐标和zJ坐标，首先计算zJ值，由图中几何关系可以看出zJ＝h-Lcosa，L是激光测距仪所测得的距离信息；再计算yJ值，由图10中几何关系可以看出yJ＝y1-Δy，其中Δy＝(z2-z1)tan a＝(zJ-z物体高度)tana，至此J点的三个坐标全部求出，另外两点K、L求解过程一样。
进一步地，在已求解出待测目标平面上三个激光点的坐标，J、K、L三个激光点组成三角形平面，其中任意两条相互不平行的边的叉积就是多边形的法向量，具体求解过程可以将三个激光点的三维坐标输入到软件程序中经过公式运算得出。
综上所述，本发明设置了直线移动机构和偏转角度调节机构，直线移动机构可以驱动激光测距仪沿直角三角架的梁直线移动，偏转角度调节机构可以调节激光测距仪的偏转角度，可以保证三个激光测距仪的激光能够打在工作区域的任何位置，而且将激光测距技术和单目相机识别技术相结合，能在复杂背景、待测目标堆放杂乱条件下实现快速识别目标平面法向量，对环境光照要求不高，计算复杂度较低计算量不大。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.目标平面法向量检测装置，其特征在于，包括直角三角架、控制单元、相机、三个激光测距仪、三个偏转角度调节机构和三个直线移动机构，所述相机设置在直角三角架的中心位置，所述三个激光测距仪、三个偏转角度调节机构、三个直线移动机构和直角三角架的三条梁均为一一对应；
每个偏转角度调节机构用于调节对应激光测距仪的偏转角度；
每个直线移动机构设置在直角三角架对应的梁上，用于带动对应的偏转角度调节机构和激光测距仪沿直角三角架对应的梁直线移动；
所述控制单元分别与相机、激光测距仪、偏转角度调节机构和直线移动机构连接。
2.根据权利要求1所述的目标平面法向量检测装置，其特征在于，每个偏转角度调节机构包括调节电机、第一连接件和第二连接件，所述第一连接件和第二连接件通过调节电机的输出轴铰接在一起，第一连接件与调节电机的输出轴固定连接，并与对应的激光测距仪固定连接，第二连接件与调节电机的输出轴活动连接，并设置在对应的直线移动机构上，所述调节电机与控制单元相连。
3.根据权利要求2所述的目标平面法向量检测装置，其特征在于，每个激光测距仪固定设置在固定座上，所述固定座与对应的偏转角度调节机构中的第一连接件固定连接。
4.根据权利要求1所述的目标平面法向量检测装置，其特征在于，每个直线移动机构包括移动电机、联轴器、丝杆和滑块，所述移动电机的输出轴通过联轴器与丝杆连接，所述滑块与丝杆螺纹连接，并与对应的偏转角度调节机构固定连接，所述移动电机与控制单元相连。
5.根据权利要求1-4任一项所述的目标平面法向量检测装置，其特征在于，所述相机设置在直角三角架的斜梁上。
6.根据权利要求5所述的目标平面法向量检测装置，其特征在于，所述相机滑动设置在一支撑杆上，所述支撑杆固定在直角三角架的斜梁上。
7.基于权利要求1-6任一项所述装置的目标平面法向量检测方法，其特征在于，所述方法包括：
调整相机位置使相机视野覆盖工作区域，对相机进行标定，获取相机的内外参数和畸变参数；
建立世界坐标系，构建物理点与图像像素点的映射关系；其中，所述世界坐标系的X、Y轴需与直角三角安装架的两条直角梁平行，并且XOY平面与待测目标平面重合，Z轴竖直向上；
控制相机对待测目标进行拍摄，利用机器学习中的目标检测算法识别待测目标及其图像坐标；
控制每个直线移动机构，驱动对应的激光测距仪沿直角三角架对应的梁移动，以及控制偏转角度调节机构，驱动对应的激光测距仪发生偏转，使三个激光测距仪分别调整到能够照到对待测目标平面中心的垂直对应点处；
若待测目标处于平放状态，则待测目标平面的法向量垂直于XOY平面；
若待测目标处于非平放状态，则根据三个激光点对应激光测距仪的距离信息和偏转角度，求出三个激光点在世界坐标系下的三维坐标，从而求出待测目标平面的法向量。
8.根据权利要求7所述的目标平面法向量检测方法，其特征在于，所述激光测距仪的偏转角度根据待测目标平面中心在世界坐标系下的x和y坐标，以及激光距离待测目标平面中心的垂直对应点的垂直高度计算得出。
9.根据权利要求7-8任一项所述的目标平面法向量检测方法，其特征在于，所述待测目标处于平放状态是指：三个激光点均打在待测目标平面中心的垂直对应点处。
10.根据权利要求7-8任一项所述的目标平面法向量检测方法，其特征在于，所述待测目标处于非平放状态是指：三个激光点打在偏离待测目标平面中心的垂直对应点的三个不同位置。
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