CN1207534C - 仿人多自由度立体双目视觉装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿人多自由度立体双目视觉装置，包括双目视觉机械部分和电气控制部分，双目视觉机械部分包括底座、控制箱、水平旋转电机及减速箱、水平支架、俯仰旋转电机、摄像机连接架、聚散度调整电机和摄像机，水平旋转电机位于控制箱上方，水平支架与水平旋转电机相连，俯仰旋转电机固定于水平支架上，摄像机连接架与俯仰旋转电机相连，左右聚散度调整电机固定于摄像机连接架底座并与左右摄像机相连，电气控制部分通过摄像机的控制、视频信号接口及控制箱与双目视觉机械部分相连。本发明具有仿人智能性、高精度的伺服控制性能、能完整地恢复环境的三维信息等特点，适用于移动机器人、自主车辆的视觉导航、工业加工等领域。
Description
技术领域 本发明属于精密测量装置，特别涉及一种用于自动获取三维环境信息的立体双目视觉装置。
背景技术 目前，在移动机器人导航、智能交通系统的自主车辆研究、工业加工等领域都要求相关设备或机器能够实现对三维环境信息的自动获取，从而控制其运动控制执行机构，实现运动路径的规划、自动导航或者产品的加工生产。目前对三维环境信息获取的方式有人工获取、视觉传感器方式和非视觉传感器方式。人工获取三维信息方式主要是指用肉眼直接观察或者通过摄像机远程监视画面，检测者根据自身知识和经验，得出物体的空间三维信息。其缺点在于：效率低、速度慢且自动化程度低；受工作环境限制，如某些危险或者其他特殊不能进行人工工作的环境；受检测人员技术水平和多种主观因素限制，检测精度不能得到保障；此外工作人员容易疲劳，不能进行全天候工作。非视觉传感器方式主要有声纳传感器、激光传感器等。其工作原理是通过发射超声波或者激光到空间物体，通过计算发射和接收到反射信号的时间间隔，测量物体到信号发射源之间的距离。其局限性在于探测波束角过大、方向性差，它只能进行深度距离的测量，而不能够提供空间物体的整体三维信息，且多个传感器之间存在重叠和干扰，在实际应用中也受到很大的限制。视觉传感器是最接近于人类视觉的形式，系统具有信号探测范围宽，目标信息完整、精度高等优势，是最理想的获取三维信息的方式之一，然而目前的视觉传感器系统多为单个摄像机传感器，无法恢复环境的三维立体信息，有些视觉传感器系统虽然采用两个或多个摄像机恢复环境信息，但是装置的自由度、运动速度、伺服性能和协调性却不能满足要求，与人类的视觉系统相差较远。
发明内容 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有仿人智能性、高精度的伺服控制性能、能完整地恢复环境的三维信息，用于移动机器人、自主车辆的视觉导航、工业加工等应用领域的仿人多自由度立体双目视觉装置。
本发明的技术方案是：它包括双目视觉机械部分和电气控制部分，所述的双目视觉机械部分包括底座、控制箱、水平旋转电机及减速箱、水平支架、俯仰旋转电机、摄像机连接架、聚散度调整电机和摄像机，所述的控制箱固定于底座上，水平旋转电机及减速箱位于控制箱上方，水平支架与水平旋转电机及减速箱相连，俯仰旋转电机固定于水平支架上，摄像机连接架与俯仰旋转电机相连，左右两聚散度调整电机固定于摄像机连接架底座，左右两台摄像机位于摄像机连接架中并与相应的聚散度调整电机相连，电气控制部分通过摄像机的控制接口、视频信号接口及控制箱与双目视觉机械部分相连。
作为本发明的进一步改进，所述的水平旋转电机及减速箱输出轴上设有精密平面轴承，所述的水平支架设于精密平面轴承上方并与水平旋转电机及减速箱输出轴固接；固定于水平支架上的俯仰旋转电机为双输出轴电机，其双输出轴分别从水平支架两侧伸出，输出轴一端直接与摄像机连接架固接，另一端与连接座固接，所述连接座固接于摄像机连接架上；固定于摄像机连接架底座的左右两台聚散度调整电机，其输出轴上分别固接有摄像机支架，左右两台摄像机分别固定于摄像机支架上。
所述的水平旋转电机、俯仰旋转电机、聚散度调整电机均为精密电机，减速箱为精密行星齿轮减速箱，各电机均设有电机编码器。
所述的控制箱包括水平旋转电机驱动器、俯仰旋转电机驱动器、左、右聚散度调整电机驱动器，各驱动器与相应电机连接，并与电气控制部分相连。
所述的电气控制部分包括：主控PC机、图像采集卡、DSP运动控制卡、摄像机控制用解码器、RS-232/485转换电路，运动控制接口、摄像机控制接口和摄像机视频信号接口，主控PC机分别与DSP运动控制卡、图像采集卡相连，并通过构成RS-485通信网络的RS-232/485转换电路与摄像机控制用解码器相连，DSP运动控制卡通过运动控制接口与控制箱中的电机驱动器相连，各驱动器与相应电机连接；各电机编码器通过运动控制接口与DSP运动控制卡连接；图像采集卡与摄像机的视频信号接口相连，摄像机控制用解码器与摄像机控制接口相连。
本发明的有益效果在于：本发明的双目视觉机械部分基于仿生学的特点，通过设置水平旋转电机、俯仰旋转电机和聚散度调整电机，实现摄像机的水平旋转(头部的水平摆动)、俯仰动作(头部俯仰动作)、摄像机聚散度调整(双目的会聚功能)四个自由度方向的实时独立控制运动，并且通过计算机控制系统实现各运动部分快速、动态的交互调整，实现了人的眼睛和头部的机械运动功能，即具有多自由度的仿人智能性。
本发明采用的电机均为带编码器的精密电机。本发明的电气控制部分是由主控PC机通过与摄像机相连的图像采集卡采集立体图像信息，根据场景目标信息和人类视觉系统特点，实时控制调整双目视觉机械部分的水平、俯仰旋转和左右摄像机聚散度。主控PC机根据实时需要，发送控制命令到DSP运动控制卡，通过运动控制接口，启动控制箱中相应的电机驱动器，发送控制信号，驱动相应电机运转，电机编码器又实时将电机运动行程发送至主控PC机，主控PC机将期望运动行程与电机编码器反馈信息实时比较，实时调整电机控制指令，实现了各自由度的闭环控制，有力保证了本发明的高精密伺服控制性能。
本发明采用两台摄像机同时成像来获取空间物体的三维信息，其工作原理是：某一空间点在左右两个摄像机平面的投影分别与相应摄像机光心的联线在空间必相交于唯一点，即上述空间点。我们通过求出两摄像机对应图像平面对应点的坐标差值(视差)，借助两摄像机之间的距离(基线长度)和摄像机标定技术既可以恢复空间点的三维空间表示。在实际处理过程中利用左右摄像机对对场景物体或目标进行同时拍照，得到同一物体不同角度的两幅图片，通过主控PC机实现左右图像中对应点的匹配，根据对应图像点在相应图像坐标系中的坐标差值(视差)，得到空间物体的视差图，然后根据摄像机标定技术(从摄像机图像坐标系到空间坐标系之间的映射技术)和三维空间的重建技术实现场景目标(在两幅图像中具有重叠部分的空间物体)的空间三维信息重现，由此获取的三维信息是最为完整的。
本发明为移动机器人、自主车辆的视觉导航、工业加工等应用领域提供了一种获取三维环境信息的有效解决手段，为提高其自动化和智能化水平提供了一种有效途径。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例双目视觉机械部分的结构示意剖视图；
图3为本发明电气控制部分的结构方框图；
图4为本发明用于机器人视觉导航系统的示意图。
图中各标号表示：1、底座，2、控制箱，3、精密平面轴承，4、水平支架，5、摄像机连接架，6、摄像机，7、摄像机支架，8、水平旋转电机及减速箱，9、俯仰旋转电机，10、聚散度调整电机，11、连接座，21水平旋转电机驱动器，22、俯仰旋转电机驱动器，23、24聚散度调整电机驱动器。
具体实施方式 如图1所示，本发明的仿人多自由度立体双目视觉装置，包括双目视觉机械部分和电气控制部分。如图1、2所示，其双目视觉机械部分包括底座1、控制箱2、精密平面轴承3、水平支架4、摄像机连接架5、左右两台摄像机6、摄像机支架7、水平旋转电机及减速器8、俯仰旋转电机9、聚散度调整电机10和连接座11，控制箱2固定于底座1上，水平旋转电机及减速箱8固定于控制箱2上方，其输出轴上设有精密平面轴承3，水平支架4设于精密平面轴承3上方并与水平旋转电机及减速器8的输出轴固接，该电机运转带动水平支架4作水平旋转，俯仰旋转电机9固定于水平支架4上，与水平支架4一起作水平旋转；俯仰旋转电机9为双输出轴，其双输出轴分别从水平支架4两侧伸出，输出轴一端直接与摄像机连接架5固接，另一端与连接座11固接，连接座11固接于摄像机连接架5上；使摄像机连接架5与俯仰旋转电机9一同作水平旋转的同时，通过俯仰旋转电机9的运转实现上下俯仰运动。左、右两台聚散度调整电机10固定于摄像机连接架5的底座上，该两台电机的输出轴上分别固接有左、右摄像机支架7，两台摄像机6分别固定于摄像机支架7上；聚散度调整电机10转动，分别带动左右摄像机支架7及左右两台摄像机6旋转。两台摄像机6可共同随水平支架4一起作水平旋转(头部的水平摆动)、与摄像机连接架5一起作上下俯仰旋转(头部俯仰动作)的同时，可分别作类似于双目的内旋和外旋运转(双目的会聚功能)，实现左右摄像机6的聚散度调整功能。两摄像机的基线长度L为110～550mm，以适应本发明的结构及三维信息还原的精确度要求。
本发明的水平旋转电机及减速箱8的电机、俯仰旋转电机9、聚散度调整电机10，均为精密电机，减速箱为精密行星齿轮减速箱，各电机均设有编码器，各编码器实时检测各相应电机实际运动行程。
如图3所示，控制箱2中包括水平旋转电机驱动器21、俯仰旋转电机驱动器22、左、右聚散度调整电机驱动器23、24，各驱动器与相应电机相接，并通过运动控制接口与DSP运动控制卡相连。
如图3所示，本发明的电气控制部分包括：主控PC机、图像采集卡、DSP运动控制卡、摄像机控制用解码器、RS-232/485转换电路，运动控制接口、摄像机控制接口和摄像机视频信号接口，主控PC机分别与DSP运动控制卡、图像采集卡相连，并通过构成RS-485通信网络的RS-232/485转换电路与摄像机控制用解码器相连，DSP运动控制卡通过运动控制接口与控制箱2中的各电机驱动器21、22、23、24相连，各电机驱动器与相应电机8、9、10连接，各电机编码器通过运动控制接口与DSP运动控制卡连接，实现各自由度的闭环控制回路；保证了本发明的高精密伺服控制性能。图像采集卡与摄像机视频信号接口相连，摄像机控制用解码器与摄像机控制接口相连。
本发明工作过程为：左、右摄像机6实时采集场景目标图像，得到同一场景目标在不同视角下的立体图像对，主控PC机通过图像采集卡实时采集立体图像信息，根据场景目标信息、人类视觉系统特点和实际需要，实时调整双目视觉机械部分的俯仰、水平旋转和左右摄像机聚散度。四个自由度控制均采用基于DSP运动控制卡+高精密编码器的闭环控制方案，并且四个自由度方向运动分别采用四个电机驱动器进行独立控制。
主控PC机根据实时需要，发送控制命令到DSP运动控制卡，通过运动控制接口，启动控制箱中相应的电机驱动器，发送电机运动控制信号，驱动相应电机运转，各电机编码器实时将电机运动行程通过运动控制接口发送至主控PC，主控PC机将期望运动行程与相应电机编码器反馈信号实时比较，实时调整电机控制指令，实现各自由度的闭环控制，有力保证了本装置的高精密伺服控制性能。
当场景图像发生改变或场景目标运动时，主控PC机不仅控制四个自由度方向的运动，还可根据实际需要通过RS-232/485转换电路、左右摄像机控制用解码器对左右摄像机6的聚焦、焦距和光圈参数进行控制调节。如当场景图像光线强度发生较大变化时，调整摄像机6的光圈，使采集后图像具有良好的亮度；当场景发生较大变化时调整聚焦和焦距，从而获得较为清晰图像。具体控制过程如图3所示：主控PC机串口与RS-232/485转换电路相连，构成RS-485通信控制网络；摄像机控制用解码器通过RS-485通信控制网络实现与主控PC机的实时通信，主控PC机根据需要发送摄像机参数控制指令至解码器，解码器接受命令后通过其中的运算处理电路分别控制摄像机6的光圈、聚焦、焦距，直至满足要求。
计算机获取立体图像对后，采用立体图像匹配技术得到场景目标在立体图像对中的视差关系图，然后根据已知的基线长度和摄像机标定标技术，获取场景目标的三维信息。
如图4所示，本发明应用于移动机器人视觉导航系统中，本发明设置于移动机器人上方，并与移动机器人控制平台相接，本发明的仿人多自由度立体双目视觉装置感知机器人三维场景图像信息并进行图像处理，得到环境的三维信息，生成相应的控制信息，分别传送给移动机器人导航控制平台并反馈控制本发明的装置，实现机器人系统的导航控制。
Claims (3)
1、一种仿人多自由度立体双目视觉装置，包括双目视觉机械部分和电气控制部分，其特征在于所述的双目视觉机械部分包括底座(1)、控制箱(2)、水平旋转电机及减速箱(8)、水平支架(4)、俯仰旋转电机(9)、摄像机连接架(5)、聚散度调整电机(10)和摄像机(6)，所述的控制箱(2)固定于底座(1)上，水平旋转电机及减速箱(8)位于控制箱(2)上方，水平支架(4)与水平旋转电机及减速箱(8)相连，俯仰旋转电机(9)固定于水平支架(4)上，摄像机连接架(5)与俯仰旋转电机(9)相连，左右两聚散度调整电机(10)固定于摄像机连接架(5)底座，左右两台摄像机(6)位于摄像机连接架(5)中并与相应的聚散度调整电机(10)相连；所述的水平旋转电机及减速箱(8)输出轴上设有精密平面轴承(3)，水平支架(4)设于精密平面轴承(3)上方并与水平旋转电机及减速箱(8)输出轴固接；固定于水平支架(4)上的俯仰旋转电机(9)为双输出轴电机，其双输出轴分别从水平支架(4)两侧伸出，输出轴一端直接与摄像机连接架(5)固接，另一端与连接座(11)固接，所述连接座(11)固接于摄像机连接架(5)上；固定于摄像机连接架(5)底座的左右两台聚散度调整电机(10)，其输出轴上分别固接有摄像机支架(7)，左右两台摄像机(6)分别固定于摄像机支架(7)上；所述的电气控制部分包括：主控PC机、图像采集卡、DSP运动控制卡、摄像机控制用解码器、RS-232/485转换电路、运动控制接口、摄像机控制接口和摄像机视频信号接口，主控PC机分别与DSP运动控制卡、图像采集卡相连，并通过构成RS-485通信网络的RS-232/485转换电路与摄像机控制用解码器相连，DSP运动控制卡通过运动控制接口与控制箱(2)中的水平旋转电机驱动器(21)、俯仰旋转电机驱动器(22)、左、右聚散度调整电机驱动器(23)、(24)相连，各驱动器与相应电机连接；各电机的编码器通过运动控制接口与DSP运动控制卡连接；图像采集卡与摄像机视频信号接口相连，摄像机控制用解码器与摄像机控制接口相连。
2、根据权利要求1所述的仿人多自由度立体双目视觉装置，其特征在于所述的水平旋转电机及减速箱(8)的电机、俯仰旋转电机(9)、聚散度调整电机(10)均为精密电机，减速箱为精密行星齿轮减速箱。
3、根据权利要求1或2所述的仿人多自由度立体双目视觉装置，其特征在于所述的两摄像机(6)的基线长度L为110～550mm。
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