CN110370287B - 基于视觉引导的地铁列检机器人路径规划系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于视觉引导的地铁列检机器人路径规划系统及方法，系统中的车底三维图像采集装置由3D智能轮廓传感器和安装支架组成，扫描生成车底三维轮廓图像；车底部件三维图像采集装置由工业机器人和安装于机器人前端法兰盘的工业相机组成，用于采集被测部件的三维图像；工业控制计算机用于接收、处理三维点云数据和机器人运动控制。该方法采用提取三维点云数据的方式进行机器人路径规划，对于不同地铁车底具有良好的兼容性，同时也适应于地铁车底复杂的工况。
Description
技术领域
本发明涉及地铁列检技术领域，具体涉及一种基于视觉引导的地铁列检机器人路径规划系统及方法。
背景技术
目前，随着机器人制造技术的发展，机器人逐渐应用于地铁检修、测量中，相比人工检修，机器人具有自由度高、灵活性好、工作空间大等特点。利用机器人进行检修、测量时，机器人加持测量及检修工具，机器人的运动轨迹都会是重要研究课题。机器人路径规划主要解决在障碍环境中，按照一定的标准，寻找一条从起点到目标位置的安全路径。
目前机器人路径规划方法主要分为全局规划方法和局部规划方法两大类。全局规划方法主要是以基于构型空间的几何法和拓扑法，全局路径规划：环境信息已知，根据环境地图按照一定的算法搜寻一条最近或是最优的无碰撞路径，规划路径的精确程度取决于获取环境信息的准确程度。
局部规划方法主要是以基于直角坐标空间的人工势场法，局部路径规划：环境信息完全未知或部分已知，根据传感器的信息来不断地更新其内部的环境信息，从而确定出机器人在地图中的当前位置及周围局部范围内的障碍物分布情况，并在此基础上规划出一条从当前点到某一目标点的最优路径。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于视觉引导的地铁列检机器人路径规划系统及方法，无需提前设置复杂多变的车底环境信息，完全兼容不同的地铁车底以及车底的复杂工况。
本发明所采用的技术方案为：
基于视觉引导的地铁列检机器人路径规划系统，其特征在于：
所述系统包括：
车底三维图像采集装置，由3D智能轮廓传感器和安装支架组成，扫描生成车底三维轮廓图像；
车底部件三维图像采集装置，由工业机器人和安装于机器人前端法兰盘的工业相机组成，用于采集被测部件的三维图像；
工业控制计算机，用于接收、处理三维点云数据和机器人运动控制。
基于视觉引导的地铁列检机器人路径规划方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
S1：3D智能轮廓传感器扫描整个车底图像；
S2：工业控制计算机接收3D智能轮廓传感器回传的车底扫描图像；
S3：工业控制计算机合成车底的原始三维点云图像。
工业控制计算机对原始点云数据进行滤波处理，获取均匀化点云数据，具体为：
去除信号中的高频成分和干扰信号, 经过点云精简处理, 滤除部分点云数据的冗余, 使点云数据均匀化。
工业控制计算机对均匀化点云数据进行特征提取，获取待检测车底部件的点云轮廓数据。
工业控制计算机对待检测车底部件的点云轮廓数据进行NURBS曲线拟合，获取平顺的线点云。
工业控制计算机采用基于PCA的方法估计点云的法向量, 计算得到法向量，具体为：
采用基于主成分分析的方法估算点云法向量，根据不同的方法获取的点云数据主要分为散乱点云、扫描线点云、网格化点云、多边形点云, 此处获得的点云数据属于密集散乱点云；采用k近邻搜索算法, 邻域内的点均位于同一条扫描线上, 再采用基于PCA的方法估计点云的法向量, 计算得到法向量。
工业控制计算机获得基于机器人基坐标系的包含待测部件在基坐标系中的位置信息和法向信息的三维点云数据。
被检部件的路径规划过程如下所述：
S1：工业控制计算机根据待检部件特征进行目标点个数的确定；
S2：工业控制计算机根据地铁车底点云数据规划从机器人初始位置到第一点位置的运动路径；
S3：工业控制计算机根据地铁车底点云数据规划从机器人第一点位置到第二点位置的运动路径；
S4：根据S2与S3步骤推导，工业控制计算机顺序规划所有目标点的机器人运动路径；
工业控制计算机控制工业机器人运动时，将位姿数据转换为工业机器人各关节转角，串联各目标点生成完整的机器人运动轨迹。
本发明具有以下优点：
本发明采用3D智能轮廓传感器扫描车底图像，通过三维扫描确定车底的三维点云图像，提取目标点云的位置信息和法向信息，进行路径规划，无需提前设置复杂多变的车底环境信息，完全兼容不同的地铁车底以及车底的复杂工况。本方法结构简单，无需其它传感器，采用对待检部件进行多点路径规划的方法为部件检测拍照及分析测量打下良好基础。
附图说明
图1为本发明流程示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案做进一步说明，目的仅在于更好的理解本发明内容。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对位置和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不做详细讨论，但在适当的情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明的一部分。
针对相关技术的上述问题，在本实施例中提供了，车底三维图像采集装置，由3D智能轮廓传感器和安装支架组成，扫描生成车底三维轮廓图像；车底部件三维图像采集装置，由工业机器人和安装于机器人前端法兰盘的工业相机组成，用于采集被测部件的三维图像；工业控制计算机，用于接收、处理三维点云数据和机器人运动控制。下面进行具体说明：
图1是根据本发明实施例的地铁列检机器人路径规划方法的示意图。如图1所示，包括车底扫描、获取三维点云数据、目标点确定、机器人路径规划。下面对该方法进行详细说明。
车底三维图像采集装置，由3D智能轮廓传感器和安装支架组成，3D智能轮廓传感器扫描整个车底图像，工业控制计算机接收3D智能轮廓传感器回传的车底扫描图像，工业控制计算机合成车底的原始三维点云图像。
滤波处理获取的原始点云数据，去除信号中的高频成分和干扰信号，经过点云精简处理，滤除部分点云数据的冗余，使点云数据均匀化。
根据实际工作中的效率与精度要求确定相邻点的间距，并将NURBS曲线离散成线点云，消除原有数据的微小波动以得到平顺的线点云。
表面法线是几何表面的重要属性之一，采用基于主成分分析(PCA)的方法估算点云法向量，根据不同的方法获取的点云数据主要分为散乱点云、扫描线点云、网格化点云、多边形点云等类型, 此处获得的点云数据属于密集散乱点云。因此，采用k近邻搜索算法(k为近邻的搜索数量)，邻域内的点均位于同一条扫描线上, 再采用基于PCA的方法估计点云的法向量, 计算得到法向量。
点云预处理后, 获得基于机器人基坐标系的目标物体轮廓三维点云，点云中包含目标物体在基坐标系中的位置信息和法向信息。机器人轨迹的生成算法包含确定机器人位置信息及姿态信息两部分。
根据被检部件的特征信息，工业控制计算机根据待检部件特征进行目标点个数的确定，工业控制计算机根据地铁车底点云数据规划从机器人初始位置到第一点位置的运动路径，工业控制计算机根据地铁车底点云数据规划从机器人第一点位置到第二点位置的运动路径，根据上述步骤推导，工业控制计算机顺序规划所有目标点的机器人运动路径。
工业控制计算机控制工业机器人运动时，将位姿数据转换为工业机器人各关节转角，串联各目标点生成完整的机器人运动轨迹。
采用3D智能轮廓传感器扫描车底图像，通过三维扫描确定车底的三维点云图像，提取目标点云的位置信息和法向信息，进行路径规划，无需提前设置复杂多变的车底环境信息，完全兼容不同的地铁车底以及车底的复杂工况。本方法结构简单，无需其它传感器，采用对待检部件进行多点路径规划的方法为部件检测拍照及分析测量打下良好基础。
上述本发明的实施序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本申请提供的实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可以通过其它的方式实现。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (2)
1.基于视觉引导的地铁列检机器人路径规划系统，其特征在于：
所述系统包括：
车底三维图像采集装置，由3D智能轮廓传感器和安装支架组成，扫描生成车底三维轮廓图像；
车底部件三维图像采集装置，由工业机器人和安装于机器人前端法兰盘的工业相机组成，用于采集被测部件的三维图像；
工业控制计算机，用于接收、处理三维点云数据和机器人运动控制；
工业控制计算机对原始点云数据进行滤波处理，获取均匀化点云数据，具体为：
去除信号中的高频成分和干扰信号,经过点云精简处理,滤除部分点云数据的冗余,使点云数据均匀化；
工业控制计算机对均匀化点云数据进行特征提取，获取待检测车底部件的点云轮廓数据；
工业控制计算机对待检测车底部件的点云轮廓数据进行NURBS曲线拟合，获取平顺的线点云；
工业控制计算机采用基于PCA的方法估计点云的法向量,计算得到法向量，具体为：
采用基于主成分分析的方法估算点云法向量，根据不同的方法获取的点云数据主要分为散乱点云、扫描线点云、网格化点云、多边形点云,此处获得的点云数据属于密集散乱点云；采用k近邻搜索算法,邻域内的点均位于同一条扫描线上,再采用基于PCA的方法估计点云的法向量,计算得到法向量；
工业控制计算机获得基于机器人基坐标系的包含待测部件在基坐标系中的位置信息和法向信息的三维点云数据；
工业控制计算机根据待检部件特征进行目标点个数的确定；
工业控制计算机根据地铁车底点云数据规划从机器人初始位置到第一点位置的运动路径；
工业控制计算机根据地铁车底点云数据规划从机器人第一点位置到第二点位置的运动路径；
工业控制计算机顺序规划所有目标点的机器人运动路径；
工业控制计算机控制工业机器人运动时，将位姿数据转换为工业机器人各关节转角，串联各目标点生成完整的机器人运动轨迹。
2.基于视觉引导的地铁列检机器人路径规划方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
S1：3D智能轮廓传感器扫描整个车底图像；
S2：工业控制计算机接收3D智能轮廓传感器回传的车底扫描图像；并对原始点云数据进行滤波处理，获取均匀化点云数据，具体为：
去除信号中的高频成分和干扰信号,经过点云精简处理,滤除部分点云数据的冗余,使点云数据均匀化；对均匀化点云数据进行特征提取，获取待检测车底部件的点云轮廓数据；对待检测车底部件的点云轮廓数据进行NURBS曲线拟合，获取平顺的线点云；
S3：工业控制计算机合成车底的原始三维点云图像；
S4：工业控制计算机采用基于PCA的方法估计点云的法向量,计算得到法向量，具体为：
采用基于主成分分析的方法估算点云法向量，根据不同的方法获取的点云数据主要分为散乱点云、扫描线点云、网格化点云、多边形点云,此处获得的点云数据属于密集散乱点云；采用k近邻搜索算法,邻域内的点均位于同一条扫描线上,再采用基于PCA的方法估计点云的法向量,计算得到法向量；
S5：工业控制计算机获得基于机器人基坐标系的包含待测部件在基坐标系中的位置信息和法向信息的三维点云数据；
被检部件的路径规划过程如下所述：
S10：工业控制计算机根据待检部件特征进行目标点个数的确定；
S20：工业控制计算机根据地铁车底点云数据规划从机器人初始位置到第一点位置的运动路径；
S30：工业控制计算机根据地铁车底点云数据规划从机器人第一点位置到第二点位置的运动路径；
S40：根据S20与S30步骤推导，工业控制计算机顺序规划所有目标点的机器人运动路径；
工业控制计算机控制工业机器人运动时，将位姿数据转换为工业机器人各关节转角，串联各目标点生成完整的机器人运动轨迹。
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Legal Events
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Application publication date: 20191025 Assignee: CHENGDU YUNDA TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: CHINA RAILWAY FIRST SURVEY AND DESIGN INSTITUTE GROUP Co.,Ltd. Contract record no.: X2023980053797 Denomination of invention: Visual guided path planning system and method for subway inspection robots Granted publication date: 20220906 License type: Common License Record date: 20231226 |