李金鑫 周衛(wèi)華

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移動(dòng)機(jī)器人位姿檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李金鑫 周衛(wèi)華

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

針對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人位姿檢測(cè)系統(tǒng)誤差大、傳感器不易安裝等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種利用機(jī)器視覺(jué)來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人位姿檢測(cè)的系統(tǒng)。工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像，結(jié)合LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用模式匹配方法計(jì)算移動(dòng)機(jī)器人的位姿信息。本文研制了測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值基本一致，且具有較高的精度，為后續(xù)的進(jìn)一步深入研究打下了基礎(chǔ)。

移動(dòng)機(jī)器人；機(jī)器視覺(jué)；模式匹配；位姿檢測(cè)；LabVIEW

現(xiàn)階段，移動(dòng)機(jī)器人的特性及應(yīng)用是研究的一個(gè)熱點(diǎn)[1]。移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，已經(jīng)從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展到醫(yī)療服務(wù)、教育娛樂(lè)、勘探勘測(cè)、生物工程、救災(zāi)救援等新領(lǐng)域[2]。

移動(dòng)機(jī)器人的位姿檢測(cè)是移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。傳統(tǒng)的測(cè)量方案是采用加速度計(jì)和位移傳感器等接觸式裝置，通過(guò)間接測(cè)量的方法來(lái)估算移動(dòng)機(jī)器人的位姿，存在誤差較大、傳感器等輔助裝置安裝困難等問(wèn)題[4]。機(jī)器視覺(jué)作為一種典型的非接觸式測(cè)量技術(shù)，在機(jī)器人領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[5-6]。機(jī)器視覺(jué)通過(guò)實(shí)時(shí)拍攝運(yùn)動(dòng)圖像，檢測(cè)圖像平面內(nèi)各個(gè)特征像素點(diǎn)的狀態(tài)，具有測(cè)量范圍寬、非接觸、不改變被測(cè)物特性等諸多優(yōu)點(diǎn)。如靳璞磊采用智能相機(jī)識(shí)別工件的尺寸，結(jié)合工業(yè)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)分揀功能[7]。鐘鉅斌通過(guò)結(jié)合視覺(jué)與巡線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的定位與路徑規(guī)劃[8]。浙江大學(xué)的余小歡[9]提出了基于雙目立體視覺(jué)的微小型無(wú)人機(jī)的室內(nèi)三維地圖構(gòu)建系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。

本文基于NI公司的LabVIEW平臺(tái)，結(jié)合千兆以太網(wǎng)工業(yè)相機(jī)，通過(guò)檢測(cè)特征標(biāo)志點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一套檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人位姿的系統(tǒng)。通過(guò)圖像識(shí)別移動(dòng)機(jī)器人標(biāo)志點(diǎn)的位置，計(jì)算出移動(dòng)機(jī)器人線速度及角速度等信息，測(cè)試結(jié)果與理論值基本一致。

1 系統(tǒng)硬件組成

位姿檢測(cè)系統(tǒng)主要由相機(jī)、標(biāo)志器以及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，標(biāo)志器固聯(lián)在移動(dòng)機(jī)器人上，相機(jī)固聯(lián)在大地上。相機(jī)采集圖像并通過(guò)千兆網(wǎng)線上傳到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，采集頻率為20Hz。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)識(shí)別標(biāo)志物在圖像上的位置，并通過(guò)標(biāo)志物計(jì)算移動(dòng)機(jī)器人的位姿等信息。

標(biāo)志器上采用美國(guó)Honeywell公司的紅外發(fā)光二極管SE3470-003作為光學(xué)特征點(diǎn)，SE3470-003可加的電流最大可以達(dá)到100mA，它的發(fā)射光波長(zhǎng)是880nm，散射角可以達(dá)到90°。

由于相機(jī)固定在平臺(tái)上方，從相機(jī)傳送出來(lái)的數(shù)據(jù)至少要經(jīng)過(guò)十幾米才能傳遞到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，因此對(duì)相機(jī)的數(shù)據(jù)輸出方式有要求。本文智能相機(jī)采用Basler千兆以太網(wǎng)相機(jī)配合NI公司的Gige Vision幀接收器，幀接收器最終通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與工控主板鏈接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖像處理的核心是識(shí)別圖像中標(biāo)記物的位置，并提取相應(yīng)的信息。本文采用圖像匹配的算法，同時(shí)為了進(jìn)一步提高圖像匹配的效率，在處理中增加了高斯金字塔灰度值算法。

圖1 軟件程序流程圖

2.1 模板匹配算法

模板匹配的方法，即先選取標(biāo)準(zhǔn)圖像作為模板，然后在要檢測(cè)的圖像區(qū)域中選取與模板最匹配的圖像[10]。

如圖2中所示，模板在源圖上移動(dòng)。根據(jù)模板和待測(cè)源圖對(duì)應(yīng)點(diǎn)的方向向量進(jìn)行計(jì)算，二者的相似度法則可用下式進(jìn)行判斷：

圖2 模板T及源圖S示意圖

2.2 圖像金字塔

圖像匹配算法在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，由于計(jì)算量過(guò)大，無(wú)法滿足計(jì)算實(shí)時(shí)性的要求為了提高模板匹配算法的快速性，所以本文采用高斯金字塔灰度值匹配算法。算法需要構(gòu)建一組源圖像及分辨率大小依次排列的模板圖像，如圖3所示。

圖3 模板分辨率金字塔圖形

模板的金字塔圖形從低到高分辨率逐漸降低。圖像匹配過(guò)程中從最頂端開(kāi)始，得到候選匹配點(diǎn)，再將每個(gè)候選匹配點(diǎn)按比例映射到下一層的金字塔圖像中，重復(fù)此過(guò)程，直到金字塔最底層圖像匹配結(jié)束[12]為止。

3 實(shí)驗(yàn)

移動(dòng)機(jī)器人在平面上運(yùn)動(dòng)，主要分為直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故文中分直線運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)位姿檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。考慮到實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，移動(dòng)機(jī)器人位姿和速度時(shí)，圖像采樣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（如大于0.5s），則測(cè)量的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性會(huì)降低，采樣時(shí)間過(guò)短（如小于0.05s），運(yùn)動(dòng)計(jì)算算法得到的速度結(jié)果誤差很大。為了保證位姿計(jì)算的實(shí)時(shí)性及精度要求，攝像機(jī)每幀圖像采集周期取0.2s。

3.1 直線運(yùn)動(dòng)

移動(dòng)機(jī)器人的速度分別設(shè)置為40mm/s和80mm/s下的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5的結(jié)果可知，測(cè)量速度與給定速度基本上趨于一致，多次測(cè)量結(jié)果求均值與給定值的誤差在2%以內(nèi)。

圖4 速度為40mm/s時(shí)測(cè)試結(jié)果

圖5 速度為80mm/s時(shí)測(cè)試結(jié)果

3.2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要考慮移動(dòng)機(jī)器人中心繞一個(gè)圓心運(yùn)動(dòng)的情況，圖6表示移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。移動(dòng)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)速度分別設(shè)置為20r/min及80r/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

圖6 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖7、圖8的結(jié)果可知，測(cè)量結(jié)果的平均值與給定值的誤差在2%以內(nèi)，可以滿足后續(xù)深入研究的需要。

圖7 速度為20r/min時(shí)測(cè)試結(jié)果

圖8 速度為80r/min時(shí)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了用于移動(dòng)機(jī)器人的圖像識(shí)別及位姿檢測(cè)系統(tǒng)，分析了基于連續(xù)幀圖像的移動(dòng)機(jī)器人測(cè)速方法。與傳統(tǒng)測(cè)速方法相比，不受外加設(shè)備條件的限制，具有一定的工程推廣應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)優(yōu)化算法降低了計(jì)算的復(fù)雜性，提高了實(shí)時(shí)性，為后續(xù)的深入研究打下了基礎(chǔ)。

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Design and implementation of the mobile robot position detection system

Li Jinxin Zhou Weihua

(Taizhou Vocational & Technical College, Taizhou, Zhejiang 318000)

Considering the large error of the position detection system of the mobile robot and the difficulty of installing the sensor, a system to realize the position detection of the mobile robot by using machine vision was designed. Moving target images were real-time collected by industrial camera. Combined with the LabVIEW development platform, the position information of mobile robot was calculated by pattern matching method. The test system has been developed and tested. The experimental results are basically consistent with the theoretical values and have high accuracy, which lays a foundation for further research.

mobile robot; machine vision; pattern matching; position detection; LabVIEW

2018-05-15

李金鑫（1998-），男，浙江椒江人，主要從事控制工程與智能制造方面的研究工作。

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2017DKC06）

浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目（Y201636417）

臺(tái)州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（1701gy25）