武輝林，武文娟，李 晧,姜 靜

(1.河北省科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所，河北 石家莊 050081；2.河北省信息安全認(rèn)證技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050081；3.中國人民大學(xué)信息學(xué)院，北京 100872；4.河北燃?xì)庥邢薰?，河?石家莊 050051)

0 引言

針對國內(nèi)機器人的特性和應(yīng)用特點，本文研究設(shè)計了基于結(jié)構(gòu)光的3D傳感器系統(tǒng)，利用線激光掃描物體從而獲得整個被測物體表面的三維點云數(shù)據(jù)[1-2]，3D視覺傳感器的應(yīng)用對于工業(yè)機器人多場景的大規(guī)模應(yīng)用提供了技術(shù)保障，同時大大豐富了機器人的信息感知手段。它可以與機器人緊密結(jié)合，廣泛應(yīng)用于焊縫跟蹤、輪廓檢測、散亂物品識別、無序抓取等場合。

1 3D傳感器視覺系統(tǒng)整體流程

3D傳感器依靠激光器與相機進(jìn)行測量，激光器為線激光器，激光投射在目標(biāo)物上，在目標(biāo)物表面形成漫反射，被相機拍攝到通過偏振片和濾波片的激光線條，通過圖像處理得到光條中心(光條中心的精確獲取是傳感器高精度的重要保證)，通過運動控制卡控制3D傳感器的運動拍攝，生成點云數(shù)據(jù)，通過點云數(shù)據(jù)處理得到感興趣信息，交由執(zhí)行機構(gòu)去執(zhí)行相應(yīng)的動作[3]。整體流程如圖1所示。

圖1 傳感器視覺系統(tǒng)整體流程圖

圖2 激光三角測量示意圖

2 激光三角測量計算方法

3D傳感器依通過相機捕獲的激光器光線配合生成三維圖像，激光器為一字線型，激光打在被測物上，在被測物表面經(jīng)過反射被相機掃描到，通過相機采集到的光線數(shù)據(jù)與CCD和激光器的位置關(guān)系，計算出被測物體的三維坐標(biāo)。Og為光點入射點，Xg是定義的橫向方向、Yg為定義的縱軸方向、Zg為法線方向，相機入射光線與水平面法線角度為α，CCD坐標(biāo)系與法線角度為β角。

用公式表示為：

(1)

3 世界坐標(biāo)和相機坐標(biāo)的關(guān)系

三維世界的坐標(biāo)都由世界坐標(biāo)系來表示。攝像機可以放置在三維世界中的的所有位置，可以用世界坐標(biāo)系來描述攝像機的位置，并用它來描述三維世界中的相機拍攝到的物體的位置。相機坐標(biāo)系是以CCD為中心的坐標(biāo)系統(tǒng)，CCD的光軸為z軸，CCD中心為坐標(biāo)原點。它們之間的關(guān)系用下列公式表示。

(1)世界和相機坐標(biāo)關(guān)系的矩陣如式(2)所示

(2)

(2)圖像和世界坐標(biāo)系的公式如式(3)所示

(3)

加入傾斜因子校正空間關(guān)系后，世界坐標(biāo)W(xw,yw，zw)和圖像坐標(biāo)W(u，v)的關(guān)系為：

(4)

4 自適應(yīng)窗曲線擬合法

3D傳感器在接收光線部分采用了濾波片和偏振片相結(jié)合的方式去掉部分雜光，但是在復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下，雜光不可避免，為此，采用自適應(yīng)窗曲線擬合的方法提取光條中心[4]，提取過程如圖3和圖4所示。

①原始光條圖像

②低通中值濾波

③閾值分割

④濾波并初定位

⑤自適應(yīng)窗曲線擬合

圖4 圖像處理過程

5 3D視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

5.1 硬件組成

傳感器采用相機和激光線成45°的布局方式，相機為dalsa5000線陣相機，采用630nm激光器，選擇630±10nm的濾光片和偏振片。

5.2 軟件設(shè)計

軟件采用3D相機采集產(chǎn)品的深度圖，通過圖像坐標(biāo)系、相機坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系的建立、光條中心提取、模板設(shè)定和提取、坐標(biāo)系建立、各個檢測位搜尋、比對等完成對產(chǎn)品檢測，并根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)、光線變化、ROI特點進(jìn)行相應(yīng)算法的調(diào)整，實現(xiàn)ROI高度的精確測量，為了更好地指導(dǎo)流水線上的生產(chǎn)工作，該軟件設(shè)計中把檢測結(jié)果在顯示屏中實時顯示，可以方便質(zhì)檢人員隨時方便查看檢測結(jié)果。

通過本項目設(shè)計的3D視覺傳感器可以完成物體的掃描和點云的重建，并根據(jù)需求通過點云算法完成定位、識別、測量等工作。圖5和圖6是對Led燈電路板進(jìn)行掃描和重建的結(jié)果。實驗結(jié)果表明，物距在1m范圍內(nèi)，測量誤差小于1mm，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖5 掃描重建效果圖

圖6 檢測后效果圖

6 結(jié)束語

本設(shè)計基于結(jié)構(gòu)光的機器人視覺傳感器在速度及精度上都可以得到保證，同時還可適應(yīng)多種不同的測量環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，與機器人結(jié)合最為緊密，可廣泛應(yīng)用于焊縫跟蹤、輪廓檢測、散亂物品識別、無序抓取等場合。