沈波波 許嘉璐 孔明

摘要：為提高空調(diào)四通換向閥高度測(cè)量的精確度以及加工焊接的效率，提出一種基于線(xiàn)結(jié)構(gòu)光的四通換向閥高度測(cè)量方法。通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)搭配線(xiàn)型結(jié)構(gòu)光獲取四通閥的表面形貌特征，基于結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量原理得到被測(cè)工件表面各點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)四通換向閥的高度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)研究表明，線(xiàn)結(jié)構(gòu)光法測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，并能得到較高的精確度，所得高度的誤差小于0.5mm，滿(mǎn)足零件的加工要求。該方法可完成物體表面輪廓的三維重建，克服單目視覺(jué)測(cè)量過(guò)程中丟失被測(cè)件深度信息的缺點(diǎn)：并能實(shí)現(xiàn)四通換向閥生產(chǎn)線(xiàn)上工件的自動(dòng)化檢測(cè)加工.因而避免傳統(tǒng)人工測(cè)量引起的低效、易疲勞等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺(jué)；四通閥；線(xiàn)結(jié)構(gòu)光；三維測(cè)量

0引言

四通閥的主要作用是控制空調(diào)制冷制熱模式的轉(zhuǎn)換，是當(dāng)下熱泵空調(diào)設(shè)備中不可或缺的部件之一，但四通閥的生產(chǎn)效率問(wèn)題卻是制約空調(diào)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。目前已有許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，蔣磊英等研制了自動(dòng)火焰釬焊機(jī)，用以代替人工釬焊方式，提高了生產(chǎn)效率，但仍然存在員工工作環(huán)境惡劣、釬焊質(zhì)量不穩(wěn)定等弊端；為此，孫學(xué)娟等進(jìn)行了改進(jìn)研究，并研制了四通閥的直線(xiàn)步進(jìn)式自動(dòng)火焰釬焊機(jī)，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的水平，具有極好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值：天津焊接研究所，研制了整套的四通閥專(zhuān)機(jī)設(shè)備，可完成四通閥的全部焊接工作。而本課題組也已設(shè)計(jì)了一種基于二維視覺(jué)測(cè)量的四通閥自動(dòng)釬焊定位系統(tǒng)，在四通閥生產(chǎn)線(xiàn)上檢測(cè)零件的高度信息，并反饋給機(jī)械臂進(jìn)行焊接，通過(guò)實(shí)時(shí)控制焊接過(guò)程，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。但是該方法將零件映射到同一圖像平面上，丟失了被測(cè)物體深度方向上的信息，因此不能完全恢復(fù)目標(biāo)物體的尺寸，易造成測(cè)量誤差。

為進(jìn)一步提高測(cè)量精度，本文提出了一種基于結(jié)構(gòu)光的空調(diào)四通閥高度測(cè)量方法，結(jié)合工件生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，提取圖像特征后通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定所得的參數(shù)獲取四通閥的實(shí)際高度信息，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)測(cè)量定位，提高了生產(chǎn)效率和測(cè)量精度。

1系統(tǒng)原理

1.1結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理

使用單目機(jī)器視覺(jué)雖然也能測(cè)得被測(cè)件的尺寸信息，但只能得到某一標(biāo)定平面上的坐標(biāo)，而會(huì)丟失被測(cè)件的深度信息。由于被測(cè)件四通閥的4個(gè)銅管并不在同一平面上，在單目機(jī)器視覺(jué)測(cè)量的基礎(chǔ)上加入結(jié)構(gòu)光，就可獲得被測(cè)件的三維信息，這在一定程度上彌補(bǔ)了單目機(jī)器視覺(jué)在三維測(cè)量方面的不足。

結(jié)構(gòu)光測(cè)量的基本原理是激光三角法，本方案中使用的是線(xiàn)型的結(jié)構(gòu)光?；诰€(xiàn)結(jié)構(gòu)光的機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部件一般包括線(xiàn)結(jié)構(gòu)光光源和面陣檢測(cè)器。如圖1所示，激光光源將產(chǎn)生的激光束投放到物體外表面，形成光平面，物體表面的激光條紋隨物體輪廓的變化而變化，即能通過(guò)線(xiàn)結(jié)構(gòu)光條紋的形狀來(lái)表示物體表面。圖2為線(xiàn)結(jié)構(gòu)光的測(cè)量原理，其中（U，V）為像素坐標(biāo)系，（R，C）即圖像物理坐標(biāo)系，而（X^cY^c，Z^c）是相機(jī)坐標(biāo)系，（X^cO^c，Y^c）平面與物理坐標(biāo)系平行，Z軸與攝像機(jī)的光軸相重合。（X^w，Y，^wZ^w）為局部世界坐標(biāo)系，P為世界坐標(biāo)系中結(jié)構(gòu)光平面上的一點(diǎn)，P'為P點(diǎn)在像素坐標(biāo)系上的映射點(diǎn)，在此需要找出各個(gè)三維物點(diǎn)與二維像點(diǎn)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。由于被測(cè)件圖像的坐標(biāo)單位是像素，所以首先將圖像中的特征點(diǎn)轉(zhuǎn)換到物理坐標(biāo)系中，假設(shè)圖像物理坐標(biāo)系的原點(diǎn)在原像素坐標(biāo)系中位置是，而每一像素在物理坐標(biāo)系橫軸上代表的實(shí)際大小為d_x，縱軸為d_y，單位為mm，則可建立如下關(guān)系：

進(jìn)一步映射到相機(jī)三維坐標(biāo)空間，由于使用相機(jī)采集圖像時(shí)的物距遠(yuǎn)大于相距，在成像中心透視模型下，可得到如下關(guān)系：

1.2系統(tǒng)測(cè)量原理

系統(tǒng)的流程如圖3所示。啟動(dòng)系統(tǒng)后先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，獲取相機(jī)標(biāo)定參數(shù)以及結(jié)構(gòu)光平面方程，當(dāng)在傳送帶上的夾具內(nèi)安放好四通閥后，開(kāi)始傳輸零件，同時(shí)打開(kāi)相機(jī)和結(jié)構(gòu)光進(jìn)行圖像采集，在四通閥傳輸過(guò)程中，線(xiàn)結(jié)構(gòu)光會(huì)依次掃過(guò)四通閥的4個(gè)銅管，并使用相機(jī)拍攝下這一過(guò)程。當(dāng)1個(gè)零件掃描結(jié)束后，提取每一幀圖像，然后選取合適的圖像進(jìn)行圖像處理，提取線(xiàn)結(jié)構(gòu)光的條紋中心，求解相機(jī)光心的直線(xiàn)方程和結(jié)構(gòu)光平面方程的交點(diǎn)，獲取四通閥銅管的三維空間坐標(biāo)，得到四通閥的高度信息，然后機(jī)械臂就可按此信息確定焊接位置進(jìn)行焊接工作。

2實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證方案的可行性，建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，包括線(xiàn)結(jié)構(gòu)光光源、紅外背光源、白色環(huán)形光源、相機(jī)、被測(cè)件四通閥以及夾具等。在此測(cè)量系統(tǒng)中，四通閥使用專(zhuān)用夾具固定，保證零件的4個(gè)銅管垂直于水平面；采用CMOS相機(jī)，并使光軸平行于水平面。打開(kāi)相機(jī)和結(jié)構(gòu)光后移動(dòng)四通閥，直到四通閥離開(kāi)相機(jī)視場(chǎng)范圍，關(guān)閉相機(jī)和結(jié)構(gòu)光，提取每幀圖像進(jìn)行圖像處理，獲取線(xiàn)結(jié)構(gòu)光與銅管的各交點(diǎn)坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)值。

為得到二維像點(diǎn)與其三維世界坐標(biāo)值間的映射關(guān)系，需要對(duì)線(xiàn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定，本系統(tǒng)的標(biāo)定方法如下：分別標(biāo)定相機(jī)和線(xiàn)結(jié)構(gòu)光平面，得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)以及線(xiàn)結(jié)構(gòu)光平面方程的系數(shù)。

2.1相機(jī)的標(biāo)定

本系統(tǒng)中對(duì)相機(jī)的標(biāo)定采用的方法是張正友標(biāo)定法，實(shí)驗(yàn)所用的標(biāo)定板是48 mmx48 mm的棋盤(pán)格標(biāo)定板，每一方格的長(zhǎng)度為2mm，按橫縱軸各20個(gè)方格的順序排列，共400個(gè)黑白相間的方格。根據(jù)張正友標(biāo)定法，采集不同方位下標(biāo)定板的圖像共12張，如圖5所示。并使用Matlab標(biāo)定工具箱進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定得到的相機(jī)參數(shù)如表1所示。

2.2結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定

在棋盤(pán)格標(biāo)定板上確立一個(gè)三維世界坐標(biāo)系，并通過(guò)剛體變換將相機(jī)坐標(biāo)系中的特征點(diǎn)轉(zhuǎn)換到這個(gè)局部的世界坐標(biāo)系中，如果（x_w，y_w，z_w）點(diǎn)是局部世界坐標(biāo)系中的一點(diǎn)，則可通過(guò)一旋轉(zhuǎn)矩陣和一平移向量來(lái)描述：

從像素坐標(biāo)到局部世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系可使用下式表示：

平面方程的計(jì)算過(guò)程如下，確定線(xiàn)結(jié)構(gòu)光的位置并保持不變，先關(guān)閉線(xiàn)結(jié)構(gòu)光，按照相機(jī)標(biāo)定的方法從不同方位采集多幅標(biāo)定板圖像，計(jì)算相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，打開(kāi)線(xiàn)結(jié)構(gòu)光，保持標(biāo)定板位置不變，采集圖像提取光條紋中心，取條紋直線(xiàn)上的角點(diǎn)作為第一組特征點(diǎn)，獲取各點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。由式（8）和式（10）求得這些特征點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。調(diào)整標(biāo)定板的位置，使其不與剛才的平面重合，然后重復(fù)上一步操作，取得第2組特征點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置：以此類(lèi)推，可得到一系列特征點(diǎn)的坐標(biāo)，最后使用最小二乘法擬合，得到結(jié)構(gòu)光在相機(jī)坐標(biāo)系中的光平面方程。

2.3圖像特征提取

在線(xiàn)結(jié)構(gòu)光掃描完四通閥后，開(kāi)始處理采集的被測(cè)件圖像。首先對(duì)已拍攝到的圖像視頻進(jìn)行解碼，提取每幀含有零件的圖像，為了提高系統(tǒng)的效率，需要盡可能地減少程序的計(jì)算量，由于被測(cè)量是四通閥的高度，因此只需提取四通閥銅管部分的圖像作為待處理圖像，如圖6所示。

圖像處理的一個(gè)主要目的就是提取線(xiàn)結(jié)構(gòu)光的光帶中心，在線(xiàn)結(jié)構(gòu)光的截面上，光強(qiáng)能量是服從正態(tài)分布的，但是由于四通閥銅管表面不平整、材質(zhì)不均勻，各處光強(qiáng)反射率不一致等因素的影響，實(shí)際使用相機(jī)采集到的反射激光的光強(qiáng)圖像并不完全是對(duì)稱(chēng)分布的，當(dāng)光條灰度圖中的灰度分布不均時(shí)，光條中心灰度極大值處并不一定就是此時(shí)真正的光條紋中心。因此對(duì)于零件圖像的線(xiàn)結(jié)構(gòu)光條紋中心的提取不能采用如灰度重心法等通過(guò)查找條紋中灰度極大值位置來(lái)確定中心的方法。而光條紋中心兩邊的像素的梯度矩近似相等，所以本系統(tǒng)使用梯度重心法來(lái)提取光條紋中心，該方法在光強(qiáng)分布不均，光條紋灰度極大值偏離真實(shí)中心時(shí)能靠近實(shí)際的中心位置，從而能減小提取誤差。

處理過(guò)程如下，首先對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行濾波，以消除椒鹽、脈沖等噪聲的干擾，同時(shí)保留原圖像的邊緣信息。然后進(jìn)行灰度化，由于本系統(tǒng)采用的是綠色光源的結(jié)構(gòu)光，在RGB色彩空間下分離圖像的顏色通道，其中綠色通道圖像中線(xiàn)型光條紋區(qū)域的像素平均灰度值較大，與零件、背景等相比特征更為明顯，提取其中的綠色通道圖像進(jìn)行灰度化處理能凸顯結(jié)構(gòu)光條紋，有利于提高提取光帶條紋中心位置的精確度，灰度圖像如圖7所示。

由圖7可知，光條紋所在區(qū)域的灰度值大且集中，根據(jù)這一特點(diǎn)進(jìn)行垂直投影以獲取粗略的條紋中心，如圖8所示。進(jìn)一步分析，由于線(xiàn)型光發(fā)生器輸出穩(wěn)定，因此可指定閾值進(jìn)行二值化處理，以便確定線(xiàn)型條紋的粗略區(qū)域，閾值分割的結(jié)果如圖9所示。獲得條紋的粗略中心以及區(qū)域后，就可以使用上述算法提取光帶中心的精確位置，提取到的光條中心圖像如圖10所示。選取每一幅圖像中銅管與結(jié)構(gòu)光交點(diǎn)的中心位置作為此時(shí)的特征值，并保存坐標(biāo)值。根據(jù)相機(jī)標(biāo)定得到的內(nèi)外參數(shù)矩陣以及結(jié)構(gòu)光平面方程，可將保存的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到局部世界坐標(biāo)系中，即可得到四通閥各銅管的高度信息。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

處理拍攝得到的零件圖像，提取線(xiàn)結(jié)構(gòu)光條紋中心獲得亞像素平面圖像坐標(biāo)，結(jié)合相機(jī)內(nèi)外參數(shù)、結(jié)構(gòu)光平面方程，將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到三維世界坐標(biāo)，從而求得四通閥的實(shí)際高度。如圖11所示為采集到的零件圖像，其中以2號(hào)銅管作為基準(zhǔn)，計(jì)算其他3處銅管的實(shí)際高度，進(jìn)行10組實(shí)驗(yàn)，使用影像儀測(cè)得實(shí)際距離作為真實(shí)值進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果及誤差如表2所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，使用線(xiàn)結(jié)構(gòu)光法測(cè)量四通閥的高度，重復(fù)10次測(cè)量下，最大測(cè)量誤差0.353mm，最小測(cè)量誤差0.077mm，10次測(cè)量所得標(biāo)準(zhǔn)差為0.06744mm，符合工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上的精度要求。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于結(jié)構(gòu)光的空調(diào)四通換向閥高度測(cè)量方法，建立局部世界坐標(biāo)系，通過(guò)相機(jī)以及光平面的標(biāo)定將二維圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成三維世界坐標(biāo)，獲得四通閥實(shí)際高度值。結(jié)構(gòu)光視覺(jué)空間測(cè)量通過(guò)三維測(cè)量的方式避免了四通閥銅管不共面造成的測(cè)量誤差，提高了測(cè)量精確度，重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)結(jié)果顯示測(cè)量誤差可控制在0.5 mm以?xún)?nèi)，符合實(shí)際的生產(chǎn)要求。