CN114034205A - 一种箱体装填系统及装填方法 - Google Patents
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Abstract
一种箱体装填系统及装填方法，箱体装填系统包括：运载箱弹模块的运载车；将箱弹模块运送至目标装填架上的搬运车，搬运车上设置有位姿检测装置、机械臂及机械臂控制柜，机械臂末端设置有机械手，机械手上设置有用于抓取箱弹模块的抓弹机构，抓弹机构包括抓弹钩；位姿检测装置包括：设置于机械手上的单目视觉传感器和激光测距传感器，以及位于机械臂上方的双目视觉传感器。本发明由机械手对箱弹模块进行抓取和装填转载，由双目视觉+单目视觉+激光测距组成的位姿检测装置采用多传感器融合的检测手段进行位置和姿态检测，可以实现将箱弹模块自动装填到任务规定位置，提高了箱弹装填的自动化程度及智能化程度，以及提高了箱弹装填的精度和效率。
Description
技术领域
本发明属于装填设备技术领域，尤其涉及一种用于箱弹模块装填的箱体装填系统及装填方法。
背景技术
目前导弹箱弹模块的装填主要采用人工操作的方式，由操作人员控制吊车，将吊车的吊具与箱弹模块或停放架的定位导向槽对准后，驱动吊具上的抓弹机构释放抓弹钩，抓取箱弹模块并移送至指定位置。人工操作的方式对操作人员的操控技能要求极高，而且操作繁复，耗时长，装填过程中难以避免因操作失误导致箱弹磕碰的安全事故。为了提高箱弹装填的效率以及准确度，实现箱弹模块装填过程的自动化和智能化，国内外学者对智能装填开展了很多研究。专利号为201810635858.3的中国发明专利公开了一种导弹装箱用水平装填设备，该水平装填设备通过导弹水平推进平台和导弹储运发射箱升降平台实现了导弹的自动化装箱，但该装填设备只是实现了导弹的装箱，不能实现箱弹模块的自动化分配装填。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以将箱弹模块自动装填到指定位置的箱体装填系统及装填方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种箱体装填系统，包括：用于运载待装填的箱弹模块的运载车；用于将所述箱弹模块运送至目标装填架上的搬运车，所述搬运车上设置有位姿检测装置、机械臂、控制所述机械臂动作的机械臂控制柜，所述机械臂末端设置有机械手，所述机械手上设置有用于抓取所述箱弹模块的抓弹机构，所述抓弹机构包括抓弹钩；所述位姿检测装置包括：设置于所述机械手上的单目视觉传感器和激光测距传感器，以及位于所述机械臂上方的双目视觉传感器。
进一步的，所述运载车上设置有起竖平台，所述箱弹模块放置于所述起竖平台上。
进一步的，所述搬运车上设置有升降支架，所述升降支架包括竖直设置的升降杆以及设置于所述升降杆上的水平杆，所述水平杆沿水平方向延伸，所述双目视觉传感器设置于所述水平杆的一端，所述水平杆的另一端设置有配重块。
进一步的，所述水平杆上设置有一安装块，所述安装块上设置有一弧形的安装槽，所述双目视觉传感器通过一连接件与所述安装槽的配合安装在所述安装块上，所述连接件在所述安装槽内的位置可调。
进一步的，所述机械手包括主框架，所述主框架上设置有用于和所述机械臂对接的对接法兰，所述抓弹机构包括四个和所述箱弹模块上的吊耳相配合的抓弹钩，四个所述抓弹钩呈四点对称布置的形式设置于所述主框架上，两两相对的所述抓弹钩之间可以相对运动。
进一步的，所述主框架上共设置有三个激光测距传感器和一个单目视觉传感器，每一个所述抓弹钩的旁侧设置有所述激光测距传感器或所述单目视觉传感器。
基于前述箱体装填系统的装填方法，包括以下步骤：
S1、所述运载车和所述转运车移动到任务位置；
S2、所述机械手移动至所述转运车上的所述箱弹模块所在位置，基于双目视觉传感器进行粗定位，根据定位结果引导机械手移动至目标装填架的附近，使机械手进入单目视觉传感器的有效视场范围；
S3、对所述箱弹模块与所述目标装填架进行平行校准，使机械手上的激光测距传感器的安装平面与箱弹模块的靶标平面平行；
S4、判断机械手上的激光测距传感器的安装平面与箱弹模块的靶标平面之间距离大于设定阈值，如果是则基于所述单目视觉传感器进行精定位，通过精定位控制机械手继续接近箱弹模块，否则认为机械手和箱弹模块之间已处于理想的位姿关系；
S5、所述机械臂根据平行校准和/或精定位的结果带动所述机械手及所述箱弹模块运动至所述目标装填架所在位置，将所述箱弹模块放置于所述目标装填架上。
进一步的，所述步骤S2的粗定位过程如下：
S201、双目视觉传感器内参数的标定；将标定板放置于所述双目视觉传感器的视野范围内，采集若干组不同位置姿态下的图像进行标定，得到所述双目视觉传感器的六个内参数(f,k,sx,sy,cx,cy)，这六个内参数分别为：焦距f、畸变系数k、坐标扭曲因子(sx,sy)、主点坐标(cx,cy)；
S202、双目视觉传感器与机械臂基坐标系的手眼标定；将标定板安装于所述机械手上，所述机械臂带动标定板在所述双目视觉传感器的坐标系内进行旋转平移，记录机械手在机械臂基坐标系的坐标，得到相对于双目视觉传感器的机械臂基坐标系的坐标数据baseHtool，所述双目视觉传感器同时采集标定板在旋转平移过程中的图像，得到标定板的图像数据为camHcal，根据下式计算双目视觉传感器的坐标系与机械臂基坐标系之间的转移矩阵camHcal＝camHbase·baseHtool·toolHcal；
S203、定义抓取点位姿；设置一抓取目标，将所述抓取目标放置于所述机械手可抓取且所述双目视觉传感器可拍摄到的位置处，控制所述机械臂运动到抓取位置，在抓取位置分别采集箱弹模块以及机械手的位姿，计算所述箱弹模块相对于所述机械手的位姿；
S204、在线定位，基于双目视觉传感器的坐标系与机械臂基坐标系之间的转移矩阵camHbase，确定箱弹模块在双目视觉传感器的坐标系内的位姿；
S205、机械手运动规划控制；根据箱弹模块相对于机械手的位姿以及箱弹模块在双目视觉传感器的坐标系内的位姿，确定所述机械手位姿，并控制所述机械手移动目标位置。
进一步的，所述步骤S3的平行校准的过程如下：
S301、根据所述激光测距传感器安装于所述机械手上的位置以及机械手在机械臂基坐标系下的位姿，计算各激光测距传感器在机械臂基坐标系下的空间坐标及指向；
S302、读取各激光测距传感器的距离读数，结合各激光测距传感器在机械臂基坐标系下的空间坐标与指向，建立各激光投影点在机械臂基坐标系下的空间位置模型，得到标靶平面上各靶标点与机械手平面上各激光测距传感器安装位置之间的相对位置关系；
S303、根据标靶平面上各靶点与机械手平面上各激光测距传感器安装位置之间的相对位置关系，计算激光测距传感器安装平面的空间变换矩阵；
S304、对激光测距传感器安装平面的空间变换矩阵进行转换，得到抓弹钩的运动目标，根据运动目标控制机械手执行动作。
进一步的，所述步骤S4的精定位过程如下：
S401、单目视觉传感器内参数的标定；将标定板放置到所述单目视觉传感器的视野范围内，采集若干组不同位置姿态下的图像进行标定，得到单目视觉传感器的六个内参数(f,k,sx,sy,cx,cy)，这六个内参数分别为：焦距f、畸变系数k、坐标扭曲因子(sx,sy)、主点坐标(cx,cy)；
S402、单目视觉传感器与机械臂末端的手眼标定；将标定板固定放置在一平台上，所述机械臂带动所述单目视觉传感器进行旋转平移，记录机械手在机器臂基坐标系的坐标，得到相对于单目视觉传感器的机器臂基坐标系的坐标数据basePtool，单目视觉传感器同时采集标定板在旋转平移过程中的图像，得到标定板的图像数据为camPcal，以及基于单目视觉传感器的机器臂基坐标系与标定板坐标系之间的转移矩阵basePcal；利用下式计算单目视觉传感器的坐标系与机器臂基坐标系之间的转移矩阵camPcal＝camPtool·(basePtool)-1·basePcal；
S403、靶标点初始位姿标定；计算机械手在最佳抓取箱弹模块位姿时，靶标在单目视觉传感器坐标系下的位姿X0，X0与camPtool相乘得到机械手坐标系下的位姿X1＝camPtoolX0，计算当前靶标坐标系到机器臂基坐标系的转移矩阵R，从而得到靶标坐标系下控制机械臂移动的最佳位姿矩阵Q＝R-1X1，R＝(camPcal)-1camPtool，机械臂按照最佳位姿矩阵Q来调整位姿；
S404、实时识别定位，计算单目视觉传感器到靶标的距离；
S405、机械手运动规划控制；利用单目视觉传感器视野中的标靶二维码在传感器焦平面上的位置与朝向，生成单目视觉传感器中的运动方向与步长，步长根据箱弹模块上的视觉标记与单目视觉传感器的镜头之间的距离设置，运动方向是当前单目视觉传感器中心向靶标中心运动；
S406、水平视觉伺服控制；根据平行校准和/或精定位的结果对机械手进行伺服控制，控制机械手向目标运动。
由以上技术方案可知，本发明的箱体装填系统利用转运车对运载车上的箱弹模块进行定位装填转载，转运车上设置有机械臂、机械手及位姿检测装置，由机械手对箱弹模块进行抓取和装填转载，由双目视觉+单目视觉+激光测距组成的位姿检测装置采用多传感器融合的检测手段进行位置和姿态检测：激光测距传感器检测机械手空间姿态、实现机械手滚转、俯仰和垂向调节控制，视觉传感器检测机械手水平位置、实现机械手横向、纵向和偏航角调节控制。装填系统根据位姿检测装置采集的数据，采用全局粗定位加局部精定位相结合的控制策略：全局粗定位通过双目视觉传感器进行位置和姿态检测，引导机械臂进入单目视觉传感器的视场；精定位再通过四个局部测量模块(一个单目视觉传感器和三个激光测距模块)检测目标位置和姿态，实时获取目标三维数据，并传输至智能控制平台进行实时位姿计算，实现机械臂末端机械手的反馈控制，完成最终的自动装填转载任务。
附图说明
图1为本发明实施例箱体装填系统的结构示意图；
图2为本发明实施例箱体装填系统另一角度的结构示意图；
图3为本发明实施例机械手的结构示意图；
图4为图2中A部分的局部放大示意图；
图5为本发明装填方法的流程图；
图6为本发明粗定位步骤的流程图；
图7机械臂平面和物体平面示意图；
图8为机械臂平面运动示意图；
图9为本发明精定位步骤的流程图；
图10为单目视觉传感器成像模型的原理示意图；
图11为图10的平面图。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1和图2所示，本实施例的箱体装填系统包括运载车1以及搬运车2，运载车1用于运载待装填的箱弹模块100，搬运车2用于将运载车1上的箱弹模块100运送至指定的位置，目标装填架3上。运载车1上设置有放置箱弹模块100的起竖平台1-1，待装填的箱弹模块100放置于起竖平台2-1上。搬运车2上设置有机械臂2-1、机械臂控制柜2-2以及位姿检测装置，机械臂控制柜2-2用于控制机械臂2-1的动作，操控机械臂2-1通过机械手2-6移动弹箱模块100。位姿检测装置用于检测箱弹模块100、目标装填架3以及机械臂2-1的位置及位姿，将检测结果发送给控制机械臂控制柜2-2的上位机(未图示)，由上位机通过机械臂控制柜2-2操控机械臂2-1的动作。本发明的位姿检测装置包括3套传感部件：单目视觉传感器2-3、激光测距传感器2-4以及双目视觉传感器2-5。
机械臂2-1的末端安装有机械手2-6，机械手2-6通过法兰与机械臂2-1相连，通过机械手2-6和机械臂2-1的配合实现对箱弹模块100的对接、抓放、转运等操作。单目视觉传感器2-3及激光测距传感器2-4都设置于机械手2-6上。如图3所示，机械手2-6包括主框架2-6a，主框架2-6a可为工业铝型材拼接结构，主框架2-6a上设置有和机械臂2-1快速对接的对接法兰2-6b，对接法兰2-6和机械臂2-1末端的安装法兰相配合，从而将主框架2-6a(机械手2-6)安装于机械臂2-1上。在主框架2-6a上设置有抓弹机构，抓弹机构包括设置于主框架2-6a上的四个抓弹钩2-6c，抓弹钩2-6c位于主框架2-6a的下方，且四个抓弹钩2-6c以对称布置的形式分别位于主框架2-6a的四个角位置处。本实施例的抓弹钩2-6c通过电动双向丝杆滑台(未标号)控制，使得两两相对的抓弹钩2-6c之间可以相对运动，抓弹钩2-6c和箱弹模块100上的吊耳100a配合，实现对箱弹模块100的抓/放。主框架2-6c上共设置有三个激光测距传感器2-4和一个单目视觉传感器2-3，这四个传感部件(三个激光测距传感器2-4和一个单目视觉传感器2-3)分别位于一个抓弹钩2-6c的旁侧，即每一个抓弹钩2-6c的旁侧都设置有一个传感器。激光测距传感器2-4以三点定位的方式，用于检测机械手2-6与目标装填架3之间的垂向距离，根据激光测距传感器2-4的检测结果完成箱弹模块100与目标装填架3的平行校准。单目视觉传感器2-3用于检测目标装填架3上的视觉标记，从而可以根据单目视觉传感器2-3的检测结果计算箱弹模块100的平面对准误差，实现箱弹模块与目标装填架3的纵向、横向和偏转对准，从而最终完成全部装填对准动作。
搬运车2上设置有用于安装双目视觉传感器2-5的升降支架2-7，通过升降支架2-7将双目视觉传感器2-5安装在机械臂2-1的上方。本实施例的升降支架2-7为一L形架体，包括一竖直设置的升降杆2-7a以及设置于升降杆2-7a顶端的水平杆2-7b，水平杆2-7b沿水平方向延伸，双目视觉传感器2-5设置于水平杆2-7b的一端，水平杆2-7b的另一端设置配重块2-8。升降杆2-7a可伸缩，从而调节自身的高度。为了调节双目视觉传感器2-5的检测视场范围，优选的，水平杆2-7b上设置有一安装块2-7c，安装块2-7c上设置有一弧形的安装槽2-7d，双目视觉传感器2-5通过螺栓(未标号)与安装槽2-7d的配合安装在安装块2-7c上，螺栓作为连接件，其在安装槽2-7d内的位置可以根据需要进行调节，以实现不同的安装位置，满足检测视场调节的需求。更进一步的，双目视觉传感器2-5安装在一安装支架2-9上，安装支架2-9通过螺栓和安装块2-7c相连。
图5为本发明装填系统对箱弹模块进行定点装填的流程图，下面结合图5对本发明装填系统的装填方法进行说明，装填方法包括以下步骤：
S1、运载车1运输待装填的箱弹模块100来到任务位置，转运车2也来到任务位置，准备将运载车1上的箱弹模块100移动到目标装填架3上；
S2、粗定位；机械臂2-1将机械手2-6移动至转运车1上的箱弹模块100所在位置，基于双目视觉传感器2-5进行粗定位，粗定位时安装在机械手2-6上的双目视觉传感器2-5对箱弹模块100和目标装填架3的外形特征进行识别，并进行机械手的位姿计算，根据计算结果引导机械臂2-1及机械手2-6移动至目标装填架3的附近，此时机械手2-6进入单目视觉传感器2-3的有效视场范围，完成装填过程的粗定位；
S3、平行校准；安装在机械手2-6上的三套激光测距传感器2-4检测机械手2-6与装填目标架3之间的垂向距离，并进行位姿计算，对箱弹模块100与目标装填架3进行平行校准，实现平行度调节，使机械手2-6上的激光测距传感器2-4的安装平面与箱弹模块100的靶标平面平行，以消除倾角误差，在进行平行度调节后，可以控制机械手2-6与箱弹模块100上吊耳100a的孔位平面保持平行；
S4、在平行校准后，判断机械手2-6上的激光测距传感器2-4的安装平面与箱弹模块100的靶标平面之间距离大于设定阈值，即检测水平误差是否达标，如果大于设定阈值则不达标，需进行精定位，通过精定位控制机械手2-6继续接近箱弹模块100，如果达标则认为机械手2-6和箱弹模块100之间已处于理想的位姿关系；
精定位时，单目视觉传感器2-3匹配目标装填架3上的视觉标记(未图示)，并计算出箱弹模块100的平面对准误差，实现箱弹模块100(机械手)与目标装填架3的纵向、横向和偏转对准，完成机械手2-6的精定位，使机械手2-6移动至箱弹模块100所在位置；本实施例的目标装填架3上的视觉标记为设置在目标装填架3特定位置上的二维码，除了可以使用二维码外，还可以采用其他形式作为视觉标记；
S5、机械手2-6抓取箱弹模块100，机械臂2-1根据平行校准和/或精定位的结果带动机械手2-6及箱弹模块100运动至吊装任务规定位置，即目标装填架3所在位置，将箱弹模块100放置目标装填架3上，实现箱弹模块全过程自动装填。
下面对本发明的粗定位步骤、平行度调节步骤以及精定位步骤作进一步的说明。双目视觉传感器的粗定位主要包括离线标定和在线定位两个部分，离线标定主要实现双目视觉传感器内参数标定，双目视觉传感器与机械臂基坐标系的手眼标定以及抓取点的定义；在线定位主要实现箱弹模块三维姿态的计算以及定位，进行机械手运动的规划。图6为粗定位步骤的流程图，如图6所示，粗定位的过程如下：
S201、双目视觉传感器内参数的离线标定；将标定板放置于双目视觉传感器的视野范围内，采集若干组不同位置姿态下的图像进行标定，得到标定结果，该标定结果即为双目视觉传感器的六个内参数(f,k,sx,sy,cx,cy)，这六个内参数分别为：焦距f、畸变系数k、坐标扭曲因子(sx,sy)、主点坐标(cx,cy)；双目视觉传感器内参数的标定方法可采用现有的方法进行标定，标定方法的具体说明可参考《双目立体视觉理论及应用》一书(科学出版社，2020.06，李荣华)，此处不再赘叙；
S202、双目视觉传感器与机械臂基坐标系的手眼离线标定；当双目视觉传感器固定安装后，双目视觉传感器的坐标系与机械臂基坐标系之间的转移矩阵camHbase即固定不变，此时需要对camHbase进行标定；标定时，将标定板安装于机械手上，机械臂带动标定板在双目视觉传感器的坐标系内进行旋转平移，记录机械手在机械臂基坐标系的坐标，得到相对于双目视觉传感器的机械臂基坐标系的坐标数据baseHtool，双目视觉传感器同时采集标定板在旋转平移过程中的图像，得到的标定板的图像数据为camHcal，以及基于双目视觉传感器的机械臂基坐标系与标定板坐标系之间的转移矩阵toolHcal，根据下式计算双目视觉传感器的坐标系与机械臂基坐标系之间的转移矩阵camHcal＝camHbase·baseHtool·toolHcal；
S203、离线定义抓取点位姿；设置一抓取目标，将该抓取目标放置于机械手可抓取且双目视觉传感器可拍摄到的位置处，控制机械臂运动到抓取位置，在抓取位置分别采集箱弹模块以及机械手的位姿，也就是采集箱弹模块及机械手的三维数据，根据采集到的箱弹模块以及机械手的位姿数据计算箱弹模块相对于机械手的位姿；
S204、在线定位；基于双目视觉传感器的坐标系与机械臂基坐标系之间的转移矩阵camHbase，确定箱弹模块在双目视觉传感器的坐标系内的位姿；本发明各步骤中位姿的计算均采用现有的位姿计算方法，主要包括图像采集、图像预处理、图像分割、特征提取、极线校正、立体匹配和三维重建等步骤，图像预处理可通过高斯滤波、中值滤波等方法滤除图像中的噪声；图像分割及特征提取是要将图像中有意义的特征或者需要应用的特征提取出来，例如可采用阈值化的图像分割方法，将箱弹模块提取出来；通过极线校正使双目视觉传感器采集的图像满足极线约束准则；然后针对箱弹模块的特点，提取箱弹模块边缘轮廓上的角点，进而实现立体匹配；三维重建是从双目视觉传感器采集的图像中通过最小二乘法恢复空间点的三维坐标；以上计算过程不是本发明的创新之处，此处不再赘叙；
S205、机械手运动规划控制；根据箱弹模块相对于机械手的位姿以及箱弹模块在双目视觉传感器的坐标系内的位姿，确定机械手的位姿，并控制机械手移动到目标位置，例如控制机械手移动至位于箱弹模块上方约800mm处。
由于箱弹模块是长方体且形状对称，为了方便从立体三维数据上判断箱弹模块的方向性，箱弹模块的表面设置有箭头图案用于进行方向判断，双目视觉传感器可以根据采集到的图像上箭头指示的方向来确定箱弹模块的方向。粗定位过程根据安装于固定位置的双目视觉传感器采集的图像数据，以及双目视觉传感器的坐标系与机械臂基坐标系之间的变换关系，通过物体姿态估计得到精度为±25mm的目标粗定位结果，作为抓取过程的初始位姿。
平行度调节是基于激光测距传感器的三点调平过程，通过计算机械臂基坐标系下标靶与激光测距传感器位置之间的相对位置关系，使用解析几何的方法计算机械臂三点调平时的位置伺服目标。本发明的标靶是指箱弹模块上与机械手上的三个激光测距传感器对应的三个标靶。平行度调节包括以下步骤：
S301、根据激光测距传感器安装于机械手上的位置以及机械手在机械臂基坐标系下的位姿，计算各激光测距传感器在机械臂基坐标系下的空间坐标与指向；将激光测距传感器坐标系到机械手坐标系转换矩阵和机械手坐标系到机械臂基坐标系转换矩阵相乘即可得到各激光测距传感器在机械臂基坐标系下的空间坐标与指向；激光测距传感器坐标系到机械手坐标系转换矩阵和机械手坐标系到机械臂基坐标系转换矩阵均为已知量，激光测距传感器安装好后，其相对于机械手的位置固定，激光测距传感器坐标系到机械手坐标系是固定的，从而就可以确定激光测距传感器坐标系到机械手坐标系转换矩阵，机械手坐标系到机械臂基坐标系转换矩阵为机械臂各关节处的转换矩阵，关节处的转换矩阵均已知；
S302、读取各激光测距传感器的距离读数，即激光测距传感器与箱弹模块上对应标靶之间的距离，结合各激光测距传感器在机械臂基坐标系下的空间坐标与指向，建立各激光投影点在机械臂基坐标系下的空间位置模型，得到标靶平面上各靶标点与机械手平面上各激光测距传感器安装位置之间的相对位置关系；
激光投影点就是激光测距传感器的靶标点，三个点组成的三角形与另外三个点组成的三角形，如图7所示，假设平面DEF为机械臂所处平面，D点、E点、F点分别安装三个激光测距传感器，平面ABC为物体平面，A点、B点、C点为物体平面的三个靶标点；D点的激光测距传感器照射A点，E点的激光测距传感器照射B点，F点的激光测距传感器照射C点，运动目标为将平面DEF运动到平面ABC正上方，两个三角形中对应端点距离已知，即可得到两者的相对位置关系；
S303、根据标靶平面上各靶标点与机械手平面上各激光测距传感器安装位置之间的相对位置关系，计算激光测距传感器安装平面的空间变换矩阵，使标靶平面和机械手平面平行且各对应点连线垂直于这两个平面；
激光测距传感器安装平面的空间变换矩阵的计算是一个纯数学计算过程，在得到标靶平面上各靶标点与机械手平面上各激光测距传感器安装位置之间的相对位置关系后，即可以确定运动后的平面方程，然后根据运动后的平面方程来确定激光测距传感器安装平面的空间变换矩阵，例如，如图8所示，计算出运动后的点D’、E’和F’后，既可以得到运动后的平面方程，而运动后的平面在平面ABC的正上方，即D’的x方向坐标，y方向坐标与A点相同，E’、F’同理，只需计算出A、B、C坐标即可，以A点坐标计算为例：
已知D(x1,y1,z1)，E(x2,y2,z2)，F(x3,y3,z3)，且AD距离由激光测距传感器测出l1，AD′⊥D′E′，AD′⊥D′F′，联立方程组求解A(x4,y4,z4)：
用牛顿迭代法求解出最优实数解A(x4,y4,z4)，同理解出B(x5,y5,z5)、C(x6,y6,z6)，即D’(x4,y4,z1)，E’(x5,y5,z1)，F’(x6,y6,z1)。
激光测距传感器安装平面的空间变换矩阵为T，即求解：
S304、对步骤3中计算得到的激光测距传感器安装平面的空间变换矩阵进行转换，得到抓弹钩的运动目标，根据运动目标控制机械手执行相应动作。由于激光测距传感器安装平面的坐标系与抓弹钩坐标系相对固定，安装激光测距传感器后可直接对抓弹勾进行测量，即得到激光测距传感器安装平面的坐标系与抓弹钩坐标系的变换关系，基于该变换关系就可以直接将三点调平的结果转换为抓弹钩的运动关系，即得到抓弹钩的运动目标。
平行度调节可以将机械手移动到粗定位位姿后，读取三个激光测距传感器的距离读数，并结合激光测距传感器的相对位置关系，使用空间解析几何的方法求解三点调平的运动目标。
利用单目视觉传感器进行精定位时，也包括离线标定和在线定位两个部分，离线标定主要完成单目视觉传感器内参数标定、单目视觉传感器与机械臂末端的手眼标定以及靶标点初始位姿标定，在线定位主要完成实时识别定位、机械手运动规划以及水平视觉伺服控制。图9为精定位步骤的流程图，如图9所示，精定位的过程如下：
S401、单目视觉传感器内参数的离线标定；将标定板放置到单目视觉传感器的视野范围内，采集若干组不同位置姿态下的图像进行标定，得到标定结果，该标定结果即为单目视觉传感器的六个内参数；单目视觉传感器的内参数和双目视觉传感器的内参数相同，内参数的标定过程及方法也相同，只是单目视觉传感器为1个相机，双目视觉传感器为2个相机；
S402、单目视觉传感器与机械臂末端的手眼离线标定；当单目视觉传感器固定安装到机械手上后，单目视觉传感器坐标系与机器臂末端的转移矩阵camPtool固定不变，需要对camPtool进行标定；标定时，将标定板固定放置在一平台上，机械臂带动单目视觉传感器进行旋转平移，记录机械手在机器臂基坐标系的坐标，得到相对于单目视觉传感器的机器臂基坐标系的坐标数据basePtool，单目视觉传感器同时采集标定板在旋转平移过程中的图像，得到标定板的图像数据为camPcal，以及基于单目视觉传感器的机器臂基坐标系与标定板坐标系之间的转移矩阵basePcal；利用下式计算单目视觉传感器的坐标系与机器臂基坐标系之间的转移矩阵camPcal＝camPtool·(basePtool)-1·basePcal；
S403、靶标点初始位姿标定；靶标点初始位姿标定的目的是计算机械手在最佳抓取箱弹模块位姿时，靶标在单目视觉传感器坐标系下的位姿X0，X0与camPtool相乘得到机械手坐标系下的位姿X1＝camPtoolX0，计算当前靶标坐标系到机器臂基坐标系的转移矩阵R，从而得到靶标坐标系下控制机械臂移动的最佳位姿矩阵Q＝R-1X1；已知单目视觉传感器坐标系与机器臂末端的转移矩阵camPtool和单目视觉坐标系到靶标坐标系的转移矩阵camPcal，可以确定R＝(camPcal)-1camPtool，机械臂按照最佳位姿矩阵Q来调整位姿；
S404、实时识别定位；实时识别定位实际上就是计算单目视觉传感器到靶标的距离；
单目视觉传感器到靶标的距离可以基于单目视觉传感器的内参数矩阵建立单目视觉传感器模型，通过靶标在视野中的大小估算单目视觉传感器到标靶的距离，这是一个纯数学计算过程，不需使用特别的方法进行计算，具体可以参考《机器人视觉测量与控制》一书(徐德，谭民，李原，国防工业出版社，2016.01.01)，计算过程中靶标中心与单目视觉传感器中心在空间上的误差(例如：5mm)转化为在画面中的若干个像素，通过结算单目视觉传感器成像模型中的相似三角形即可完成转换过程；例如，图10为单目视觉传感器成像模型的原理示意图，图11为单目视觉传感器成像模型的平面图；如图11所示，过三个平面的直线为单目视觉传感器的主光轴，d是被测物体至镜头的距离，f为镜头的焦距，w为被测物体的实际宽度(高度)，w'为物体在成像平面(感光元件)上的宽度(高度)，根据相似三角形公式可得：f/d＝w'/w，焦距可以由内参矩阵确定，w'可以由像素坐标系求得，即可求出距离d；
S405、机械手运动规划控制；利用单目视觉传感器视野中的标靶二维码在传感器焦平面上的位置与朝向，生成单目视觉传感器中的运动方向与步长，步长根据箱弹模块上靶标二维码与单目视觉传感器的镜头之间的距离设置，运动方向是当前单目视觉传感器中心向靶标中心运动；
S406、水平视觉伺服控制；当机械手上的激光测距传感器的安装平面与箱弹模块的靶标平面之间距离小于设定阈值时，完成精定位，实现“水平方向对齐”与“机械手与靶标平面平行”，根据平行校准和/或精定位的结果对机械手进行伺服控制，控制机械手向目标运动，即检测视野中的视觉标记对于单目视觉传感器的姿态，并按照预设的伺服目标进行视觉伺服，直到达到预设的精度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种箱体装填系统，其特征在于，包括：
用于运载待装填的箱弹模块的运载车；
用于将所述箱弹模块运送至目标装填架上的搬运车，所述搬运车上设置有位姿检测装置、机械臂、控制所述机械臂动作的机械臂控制柜，所述机械臂末端设置有机械手，所述机械手上设置有用于抓取所述箱弹模块的抓弹机构，所述抓弹机构包括抓弹钩；
所述位姿检测装置包括：设置于所述机械手上的单目视觉传感器和激光测距传感器，以及位于所述机械臂上方的双目视觉传感器。
2.如权利要求1所述的箱体装填系统，其特征在于：所述运载车上设置有起竖平台，所述箱弹模块放置于所述起竖平台上。
3.如权利要求1所述的箱体装填系统，其特征在于：所述搬运车上设置有升降支架，所述升降支架包括竖直设置的升降杆以及设置于所述升降杆上的水平杆，所述水平杆沿水平方向延伸，所述双目视觉传感器设置于所述水平杆的一端，所述水平杆的另一端设置有配重块。
4.如权利要求3所述的箱体装填系统，其特征在于：所述水平杆上设置有一安装块，所述安装块上设置有一弧形的安装槽，所述双目视觉传感器通过一连接件与所述安装槽的配合安装在所述安装块上，所述连接件在所述安装槽内的位置可调。
5.如权利要求1所述的箱体装填系统，其特征在于：所述机械手包括主框架，所述主框架上设置有用于和所述机械臂对接的对接法兰，所述抓弹机构包括四个和所述箱弹模块上的吊耳相配合的抓弹钩，四个所述抓弹钩呈四点对称布置的形式设置于所述主框架上，两两相对的所述抓弹钩之间可以相对运动。
6.如权利要求5所述的箱体装填系统，其特征在于：所述主框架上共设置有三个激光测距传感器和一个单目视觉传感器，每一个所述抓弹钩的旁侧设置有所述激光测距传感器或所述单目视觉传感器。
7.基于权利要求1至6任一项所述的箱体装填系统的装填方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、所述运载车和所述转运车移动到任务位置；
S2、所述机械手移动至所述转运车上的所述箱弹模块所在位置，基于双目视觉传感器进行粗定位，根据定位结果引导机械手移动至目标装填架的附近，使机械手进入单目视觉传感器的有效视场范围；
S3、对所述箱弹模块与所述目标装填架进行平行校准，使机械手上的激光测距传感器的安装平面与箱弹模块的靶标平面平行；
S4、判断机械手上的激光测距传感器的安装平面与箱弹模块的靶标平面之间距离大于设定阈值，如果是则基于所述单目视觉传感器进行精定位，通过精定位控制机械手继续接近箱弹模块，否则认为机械手和箱弹模块之间已处于理想的位姿关系；
S5、所述机械臂根据平行校准和/或精定位的结果带动所述机械手及所述箱弹模块运动至所述目标装填架所在位置，将所述箱弹模块放置于所述目标装填架上。
8.如权利要求7所述的装填方法，其特征在于：所述步骤S2的粗定位过程如下：
S201、双目视觉传感器内参数的标定；将标定板放置于所述双目视觉传感器的视野范围内，采集若干组不同位置姿态下的图像进行标定，得到所述双目视觉传感器的六个内参数(f,k,sx,sy,cx,cy)，这六个内参数分别为：焦距f、畸变系数k、坐标扭曲因子(sx,sy)、主点坐标(cx,cy)；
S202、双目视觉传感器与机械臂基坐标系的手眼标定；将标定板安装于所述机械手上，所述机械臂带动标定板在所述双目视觉传感器的坐标系内进行旋转平移，记录机械手在机械臂基坐标系的坐标，得到相对于双目视觉传感器的机械臂基坐标系的坐标数据baseHtool，所述双目视觉传感器同时采集标定板在旋转平移过程中的图像，得到标定板的图像数据为camHcal，根据下式计算双目视觉传感器的坐标系与机械臂基坐标系之间的转移矩阵camHcal＝camHbase·baseHtool·toolHcal；
S203、定义抓取点位姿；设置一抓取目标，将所述抓取目标放置于所述机械手可抓取且所述双目视觉传感器可拍摄到的位置处，控制所述机械臂运动到抓取位置，在抓取位置分别采集箱弹模块以及机械手的位姿，计算所述箱弹模块相对于所述机械手的位姿；
S204、在线定位，基于双目视觉传感器的坐标系与机械臂基坐标系之间的转移矩阵camHbase，确定箱弹模块在双目视觉传感器的坐标系内的位姿；
S205、机械手运动规划控制；根据箱弹模块相对于机械手的位姿以及箱弹模块在双目视觉传感器的坐标系内的位姿，确定所述机械手位姿，并控制所述机械手移动目标位置。
9.如权利要求7所述的装填方法，其特征在于：所述步骤S3的平行校准的过程如下：
S301、根据所述激光测距传感器安装于所述机械手上的位置以及机械手在机械臂基坐标系下的位姿，计算各激光测距传感器在机械臂基坐标系下的空间坐标及指向；
S302、读取各激光测距传感器的距离读数，结合各激光测距传感器在机械臂基坐标系下的空间坐标与指向，建立各激光投影点在机械臂基坐标系下的空间位置模型，得到标靶平面上各靶标点与机械手平面上各激光测距传感器安装位置之间的相对位置关系；
S303、根据标靶平面上各靶点与机械手平面上各激光测距传感器安装位置之间的相对位置关系，计算激光测距传感器安装平面的空间变换矩阵；
S304、对激光测距传感器安装平面的空间变换矩阵进行转换，得到抓弹钩的运动目标，根据运动目标控制机械手执行动作。
10.如权利要求7所述的装填方法，其特征在于：所述步骤S4的精定位过程如下：
S401、单目视觉传感器内参数的标定；将标定板放置到所述单目视觉传感器的视野范围内，采集若干组不同位置姿态下的图像进行标定，得到单目视觉传感器的六个内参数(f,k,sx,sy,cx,cy)，这六个内参数分别为：焦距f、畸变系数k、坐标扭曲因子(sx,sy)、主点坐标(cx,cy)；
S402、单目视觉传感器与机械臂末端的手眼标定；将标定板固定放置在一平台上，所述机械臂带动所述单目视觉传感器进行旋转平移，记录机械手在机器臂基坐标系的坐标，得到相对于单目视觉传感器的机器臂基坐标系的坐标数据basePtool，单目视觉传感器同时采集标定板在旋转平移过程中的图像，得到标定板的图像数据为camPcal，以及基于单目视觉传感器的机器臂基坐标系与标定板坐标系之间的转移矩阵basePcal；利用下式计算单目视觉传感器的坐标系与机器臂基坐标系之间的转移矩阵camPcal＝camPtool(basePtool)-1·basePcal；
S403、靶标点初始位姿标定；计算机械手在最佳抓取箱弹模块位姿时靶标在单目视觉传感器坐标系下的位姿X0，X0与camPtool相乘得到机械手坐标系下的位姿X1＝camPtoolX0，计算当前靶标坐标系到机器臂基坐标系的转移矩阵R，R＝(camPcal)-1camPtool，从而得到靶标坐标系下控制机械臂移动的最佳位姿矩阵Q＝R-1X1，机械臂按照最佳位姿矩阵Q来调整位姿；
S404、实时识别定位，计算单目视觉传感器到靶标的距离；
S405、机械手运动规划控制；利用单目视觉传感器视野中的标靶二维码在传感器焦平面上的位置与朝向，生成单目视觉传感器中的运动方向与步长，步长根据箱弹模块上的视觉标记与单目视觉传感器的镜头之间的距离设置，运动方向是当前单目视觉传感器中心向靶标中心运动；
S406、水平视觉伺服控制；根据平行校准和/或精定位的结果对机械手进行伺服控制，控制机械手向目标运动。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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