CN116805335B - 一种用于瓷砖铺贴的双维度位移感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于瓷砖铺贴的双维度位移感知方法，涉及图像识别技术领域，包括以下步骤：将激光水平仪放置在指定位置，水平激光发射单元和竖直激光发射单元投射到反光板上，打开工业相机进行高帧率采集图像；对采集的图像进行敏感度增强，然后进行特征点识别，获取激光线的中心点；拟合多条直线选取两条激光线，然后采用仿射变换矩阵将图像上的点转换为空间坐标，计算位置偏差；将偏差值反馈至控制器，控制器控制机械臂移动末端支架，以达到激光水平仪投射在反光板上的激光中心线附近±0.1mm以内完成调节，本发明具有可以实现对机器人末端工具坐标系位置的全局高精度测量的优点。

Description

一种用于瓷砖铺贴的双维度位移感知方法

技术领域

本发明涉及图像识别技术领域，尤其涉及一种用于瓷砖铺贴的双维度位移感知方法。

背景技术

目前在瓷砖铺贴的机器设备上暂无进行位移感知的测量方法，目前只停留在手动操控遥控器对机器人的机械臂进行控制，配合操作人员目测的情况，以完成相关瓷砖铺贴的工作。而人工依靠肉眼定位，虽然能实现快速大位移的机动，但是还缺少微调的准确度，而瓷砖的铺贴有3mm以上的歪斜都会导致整个瓷砖铺贴的不规整，反而不如手工进行铺贴瓷砖的效率高，这也是局限瓷砖铺贴机器人能够实际投入使用的一大问题。

因此，针对以上不足，需要提供一种用于瓷砖铺贴的双维度位移感知方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现今没有针对瓷砖铺贴机器人进行准确定位的方法的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于瓷砖铺贴的双维度位移感知方法，包括以下步骤，

Ⅰ.将激光水平仪放置在指定位置，打开水平激光发射单元和竖直激光发射单元；

Ⅱ.机械臂将带有工业相机和反光板的末端支架移动到粗略的目标位置，且使水平激光发射单元和竖直激光发射单元均能投射到反光板上，打开工业相机进行高帧率采集图像；

Ⅲ.对采集的图像进行敏感度增强，然后对激光线进行特征点识别，获取激光线的中心点；采用随机一致性采样算法拟合多条直线，选取点个数最多的横线和竖线为两条激光线，然后采用仿射变换矩阵将图像上的点转换为空间坐标，计算位置偏差；

Ⅳ.将偏差值反馈至控制器，控制器控制机械臂移动末端支架，以达到激光水平仪投射在反光板上的激光中心线附近±0.1mm以内，完成调节。

作为对本发明的进一步说明，优选地，水平激光发射单元和竖直激光发射单元发射的激光颜色为红色或绿色。

作为对本发明的进一步说明，优选地，对激光线进行特征点识别时，先对图像进行归一化和降噪处理，处理方式选用图像拉伸、gama变换或高斯变换。

作为对本发明的进一步说明，优选地，降噪处理后，计算图像上各个点的Hessian矩阵，求得特征值和特征向量，通过特征向量确定该点是否为中心点，然后从中心点中选取特征值高于阈值的中心点为激光线的中心点。

作为对本发明的进一步说明，优选地，仿射变换矩阵的标定算法具体为：

在反光板上放置一块视觉标定板，通过工业相机拍照识别标定板上的特征点，再根据图像上特征点与标定板之间的对应关系，计算出图像相对于标定板平面之间的仿射变换矩阵；然后通过激光水平仪在反光板上打一个十字激光线作为空间上的原点，然后通过工业相机拍照，识别反光板上的激光线，通过计算出的图像相对于标定板之间的仿射变换矩阵，获得激光线的空间坐标，通过平移旋转变换，得到最终工业相机相对于反光板之间的仿射变换矩阵。

作为对本发明的进一步说明，优选地，反光板上方设有高遮光板，工业相机上方设有低遮光板，高遮光板外径大于低遮光板外径且高度高于低遮光板。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明主要通过设计一种用于瓷砖铺贴的基于视觉的双维度高精度位移感知方法，结合机械臂工具坐标系的运动标定激光线在投影板上投影的零位信息，通过平面视觉相机感知机械臂运动过程中，识别并提取激光线特征，同时计算激光线在相机坐标系中的位置，从而实时计算机械臂末端的工具在大地坐标Y和Z方向上的位移。该方案主要解决了传统的激光位移传感器只能感知单一维度的信息，并通过这种方式给机械运动的位移一个基于全局基准的测量方式。

附图说明

图1是本发明的使用状态图；

图2是本发明的工业相机与反光板安装位置图；

图3是本发明的激光水平仪结构图。

图中：1、工业相机；11、相机支架；12、低遮光板；2、反光板；21、高遮光板；3、末端支架；4、激光水平仪；41、水平激光发射单元；42、竖直激光发射单元；5、机械臂。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

一种用于瓷砖铺贴的双维度位移感知方法，基于一种瓷砖铺贴设备，结合图1-图3，该设备包括工业相机1、反光板2、末端支架3、激光水平仪4和机械臂5，具有多个自由度的机械臂5工作末端与末端支架3转动连接，反光板2固连在末端支架3一侧，反光板2下方的末端支架3上固连有相机支架11，工业相机1固连在相机支架11上且与反光板2处于同一水平面上；反光板2上方设有高遮光板21，工业相机1上方设有低遮光板12，高遮光板21外径大于低遮光板12外径且高度高于低遮光板12，设置高低遮光板既能降低外界光线对投射到反光板2上的激光的干扰，又能减少对工业相机1获取图像的噪点，另外还能使激光水平仪4的激光照射到反光板2上。激光水平仪4上设有水平激光发射单元41和竖直激光发射单元42，可向反光板2上投射十字形的激光光线。

基于上述设备，本方法包括以下步骤：

Ⅰ.先将激光水平仪4放置于指定的位置，并调整好水平激光发射单元41和竖直激光发射单元42发射的角度；然后，打开水平激光发射单元41和竖直激光发射单元42，保证从激光发射装置到反光板2之间没有遮挡物，或激光没有被完全遮挡。

Ⅱ.机器人开始铺贴瓷砖时将先通过机械臂5将末端支架3移动到粗略的目标位置，保证两个维度的激光线均能投射在反光板2上，然后开启工业相机1，高帧率采集图像。

Ⅲ.开始对采集的图像进行处理，具体为：

1、对图像进行敏感度增强

图像的色彩信息由HSV颜色空间的H决定的，而激光线的颜色是红色或者绿色，因此，对应H的取值为0或者120。由RGB转HSV的公式可以得到，当需要增强红色(或者绿色)时，R(G)通道的值最大，因此，通过遍历当R(G)通道值为最大时，对该通道值通过函数增大对应的值，可增加该通道的敏感度(图像为单通道，跳过此步骤)。

2、激光线特征点识别

首先，可通过图像拉伸、gama变换或者高斯变换对图像进行归一化和降噪处理，其次，计算图像上各个点的Hessian矩阵，求得特征值和特征向量。通过特征向量，确定该点是否为中心点，选取特征值高于阈值的中心点为激光线的中心点。

3、直线拟合

采用随机一致性采样算法(RANSAC)拟合多条直线，选取点个数最多的横线和竖线为两条激光线；

4、图像上的激光线转换为空间上的线

通过视觉标定程序，标定出图像上的点与空间上的点之间的仿射变换矩阵，将图像上的点转换为空间中的坐标，从而计算出y和z的值，从而计算出位置的偏差。其中工业相机1相对于反光板2之间的仿射变换矩阵的标定算法为：

①在反光板2上放置一块视觉(棋盘格或者圆形)标定板，通过工业相机1拍照，识别标定板上的特征点，再根据图像上的特征点与标定板之间的对应关系，从而计算出图像相对于标定板平面(即反光板面)之间的仿射变换矩阵。

②在反光板2上通过激光水平仪4打一个十字激光线作为空间上的原点；通过工业相机1拍照，识别反光板2上的激光线，再由①计算出的图像相对于标定板(即反光板面)之间的仿射变换矩阵，得到激光线的空间坐标，通过平移旋转变换，将十字激光线的坐标转换为xoy坐标轴上(进行地砖铺贴的坐标轴中，z方向是垂直于大地，且决定高低差，其基准为水平仪横线。y方向决定沿瓷砖横轴线方向的位置，其基准为水平仪竖线。进行墙砖铺贴的坐标轴中，z方向是垂直于砖面，且决定高低差，其基准为水平仪竖线。y方向决定沿瓷砖横轴线方向的位置，其基准为水平仪法线垂直的竖线)，即得到最终工业相机1相对于标定板(即反光板面)之间的仿射变换矩阵。

Ⅳ.最后将计算出的位置偏差发送给机器人控制器，在机器人控制器读取出双维度的补偿值以后，会根据补偿值及其相应维度通过机械臂5移动末端支架3，然后工业相机1上的视觉系统会再计算并反馈一组双维度误差数据给控制器，控制机械臂5再次移动末端支架3，直至到达投射出的激光中心线附近±0.1mm以内，从而实现位置误差的补偿，保证瓷砖铺贴的位置均分布在同一个激光发射器投射出的两个维度的激光线中心线的±0.1mm范围以内。

上述方法中图像采集和图像识别是两个独立的线程，这样可以减少视觉识别的时间，增加数据更新的周期。

通过上述方法和设备，利用相机像素高，处理速度快的特点，通过算法的优化，实现了高速的两个维度的激光线特征识别，中线提取及位置信息计算，扩展了单个传感器的感知维度，并实现了30ms的数据周期。采用高精度，高帧率的图像采集，实现了更为准确的全局位置信息采集和较短的通信周期，经过测试，该方案实际精度可达±0.1mm，远高于市场上以全局激光平面作为基准的绝对位置测量传感器，相较于市面上单个维度激光位移传感器动辄数千元的价格，该方案在不多于2000元的价格下实现了两个维度的测量。而且标定方法便捷，只需要将标定板吸附在反光板2上打十字线即可一键标定，操作方式简单可靠。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种用于瓷砖铺贴的双维度位移感知方法，其特征在于：包括以下步骤，

Ⅰ.将激光水平仪（4）放置在指定位置，打开水平激光发射单元（41）和竖直激光发射单元（42）；

Ⅱ.机械臂（5）将带有工业相机（1）和反光板（2）的末端支架（3）移动到粗略的目标位置，且使水平激光发射单元（41）和竖直激光发射单元（42）均能投射到反光板（2）上，打开工业相机（1）进行高帧率采集图像；

Ⅲ.对采集的图像进行敏感度增强，然后对激光线进行特征点识别，获取激光线的中心点；采用随机一致性采样算法拟合多条直线，选取点个数最多的横线和竖线为两条激光线，然后采用仿射变换矩阵将图像上的点转换为空间坐标，其中仿射变换矩阵的标定算法具体为：

在反光板（2）上放置一块视觉标定板，通过工业相机（1）拍照识别标定板上的特征点，再根据图像上特征点与标定板之间的对应关系，计算出图像相对于标定板平面之间的仿射变换矩阵；然后通过激光水平仪（4）在反光板（2）上打一个十字激光线作为空间上的原点，然后通过工业相机（1）拍照，识别反光板（2）上的激光线，通过计算出的图像相对于标定板之间的仿射变换矩阵，获得激光线的空间坐标，通过平移旋转变换，得到最终工业相机（1）相对于反光板（2）之间的仿射变换矩阵，以计算位置偏差；

Ⅳ.将偏差值反馈至控制器，控制器控制机械臂（5）移动末端支架（3），以达到激光水平仪（4）投射在反光板（2）上的激光中心线附近±0.1mm以内，完成调节。

2.根据权利要求1所述的一种用于瓷砖铺贴的双维度位移感知方法，其特征在于：水平激光发射单元（41）和竖直激光发射单元（42）发射的激光颜色为红色或绿色。

3.根据权利要求1所述的一种用于瓷砖铺贴的双维度位移感知方法，其特征在于：对激光线进行特征点识别时，先对图像进行归一化和降噪处理，处理方式选用图像拉伸、gama变换或高斯变换。

4.根据权利要求3所述的一种用于瓷砖铺贴的双维度位移感知方法，其特征在于：降噪处理后，计算图像上各个点的Hessian矩阵，求得特征值和特征向量，通过特征向量确定该点是否为中心点，然后从中心点中选取特征值高于阈值的中心点为激光线的中心点。

5.根据权利要求1所述的一种用于瓷砖铺贴的双维度位移感知方法，其特征在于：反光板（2）上方设有高遮光板（21），工业相机（1）上方设有低遮光板（12），高遮光板（21）外径大于低遮光板（12）外径且高度高于低遮光板（12）。