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    基于單目視覺(jué)的鉆桿位姿識(shí)別技術(shù)研究

    2022-11-04 16:44:30馬斌彭光宇
    煤田地質(zhì)與勘探 2022年10期
    關(guān)鍵詞:單目畸變機(jī)械手

    馬斌,彭光宇

    (中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安 710077)

    2015 年原國(guó)家安監(jiān)總局印發(fā)了關(guān)于開(kāi)展《“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)》的通知;2016 年中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)與國(guó)家能源局印發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030 年)》的通知;2020 年國(guó)家能源局等八部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》。這些重要的通知與意見(jiàn)均將煤礦井下設(shè)備的自動(dòng)化、智能化列為重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容之一[1-3]。為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召,提高鉆機(jī)鉆進(jìn)效率,降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)鉆桿裝卸自動(dòng)化,煤礦相關(guān)企業(yè)、科研院所均開(kāi)展了鉆桿自動(dòng)裝卸技術(shù)的相關(guān)研究[4-6]。

    姚亞峰等[7]設(shè)計(jì)了一款煤礦坑道鉆機(jī)自動(dòng)加卸鉆桿裝置,利用擺動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手定位,再和轉(zhuǎn)輪式桿倉(cāng)相互配合完成鉆桿的自動(dòng)裝卸;王清峰等[8]設(shè)計(jì)了基于路徑規(guī)劃的鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng),通過(guò)主機(jī)械手、副機(jī)械手和轉(zhuǎn)運(yùn)器的相互協(xié)作,實(shí)現(xiàn)鉆桿自動(dòng)裝卸。這2 種鉆桿自動(dòng)系統(tǒng)主要依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)和接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)鉆桿的定點(diǎn)取放,在完成既定功能的同時(shí),存在因機(jī)械磨損與累計(jì)誤差等因素導(dǎo)致系統(tǒng)定位精度低的問(wèn)題。同時(shí),依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)定位的鉆桿自動(dòng)裝卸系統(tǒng)自動(dòng)化程度有限,智能化程度較低。如果將視覺(jué)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下鉆桿位姿識(shí)別中,勢(shì)必可以實(shí)現(xiàn)鉆桿定位智能識(shí)別,提高鉆桿自動(dòng)裝卸精度和鉆機(jī)裝備整體的智能化水平。

    視覺(jué)測(cè)量技術(shù)通常分為單目、雙目和多目等形式[9-11]。單目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)系統(tǒng)中得到了廣泛的認(rèn)可[12-13]。為此,提出一種基于單目視覺(jué)的鉆桿位姿識(shí)別技術(shù),利用攝像機(jī)拍攝含有合作目標(biāo)的圖像,結(jié)合提取到的特征信息,解算攝像機(jī)與合作目標(biāo)之間的相對(duì)距離和相對(duì)姿態(tài),并根據(jù)鉆桿與合作目標(biāo)之間的相對(duì)靜止關(guān)系以及攝像機(jī)與機(jī)械臂的相對(duì)靜止關(guān)系,推算出鉆桿相對(duì)機(jī)械臂的位姿數(shù)據(jù),引導(dǎo)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)鉆桿自動(dòng)裝卸。

    1 總體方案

    單目視覺(jué)測(cè)量分為基于合作目標(biāo)和基于非合作目標(biāo)兩種?;诤献髂繕?biāo)單目測(cè)量在簡(jiǎn)化特征提取難度的同時(shí)提高了特征提取的精度[14]。在此,為了準(zhǔn)確獲得鉆桿的位姿信息,結(jié)合井下工作環(huán)境和鉆機(jī)工作特點(diǎn),選擇簡(jiǎn)單方便的棋盤格作為合作目標(biāo),既簡(jiǎn)化了相機(jī)標(biāo)定過(guò)程,同時(shí)也容易提取圖像特征,提高測(cè)量速度。系統(tǒng)的整體方案如圖1 所示。首先,固定攝像機(jī),將攝像機(jī)放置在合適的地方,再對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,求取攝像機(jī)的內(nèi)參和外參;然后拍攝帶有合作目標(biāo)的圖片,將圖片進(jìn)行灰度和濾波預(yù)處理,再對(duì)合作目標(biāo)上距離世界坐標(biāo)系最近的方塊進(jìn)行特征點(diǎn)提取,結(jié)合標(biāo)定所得攝像機(jī)內(nèi)參和外參,對(duì)鉆桿進(jìn)行距離測(cè)量與姿態(tài)估計(jì),獲得鉆桿當(dāng)前的位姿信息,將計(jì)算得到的鉆桿位姿參數(shù)矩陣傳輸給機(jī)械臂控制器,引導(dǎo)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿的自動(dòng)抓取。

    圖1 系統(tǒng)整體方案Fig.1 Overall system scheme

    2 攝像機(jī)成像模型及其標(biāo)定

    在視覺(jué)測(cè)量中,通常利用攝像機(jī)模型將空間中三維點(diǎn)與攝像機(jī)上的二維點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)[15]。在實(shí)際應(yīng)用中,攝像機(jī)模型可用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述,有小孔成像模型(線性模型)和非線性模型兩種,其中小孔成像模型最為成熟,也應(yīng)用最廣泛[16]。

    2.1 攝像機(jī)成像模型

    小孔成像模型包括了世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系4 個(gè)坐標(biāo)系,如圖2 所示。其中P為三維空間點(diǎn),p為P在圖像平面投影的成像點(diǎn)。

    圖2 小孔成像模型Fig.2 Pinhole imaging model

    世界坐標(biāo)系(Ow-XwYwZw) 是三維空間中的絕對(duì)坐標(biāo)系,用于描述三維環(huán)境中任何一個(gè)物體的位置,一般用(Xw,Yw,Zw)表示其坐標(biāo)值。攝像機(jī)安放在三維空間中,其位置信息通過(guò)世界坐標(biāo)系這個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)系來(lái)描述。攝像機(jī)坐標(biāo)系(O-XYZ)以攝像機(jī)光心為原點(diǎn),Z為主坐標(biāo)軸,與攝像機(jī)光軸重合。圖像坐標(biāo)系(O1-xy)中O1為攝像機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn),O-O1為攝像機(jī)的焦距,用(x,y)表示其坐標(biāo)值。

    像素坐標(biāo)系以成像平面的左上角頂點(diǎn)為原點(diǎn),u軸和v軸分別平行于圖像坐標(biāo)系的x軸和y軸,其與圖像坐標(biāo)系的關(guān)系如圖3 所示,用(u,v)表示其坐標(biāo)值。攝像機(jī)采集的圖像首先形成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào),再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變換為數(shù)字圖像。每幅圖像可定義為M×N的數(shù)組,M行N列的圖像中的每一個(gè)元素的數(shù)值代表的是圖像點(diǎn)的灰度。這樣的每個(gè)元素叫像素,像素坐標(biāo)系就是以像素為單位的圖像坐標(biāo)系。而圖像坐標(biāo)系是用物理單位(例如:mm)表示像素在圖像中的位置。像素坐標(biāo)和成像坐標(biāo)體現(xiàn)在同一圖像坐標(biāo)系中,成像坐標(biāo)的原點(diǎn)O1(u0,v0)位于中心像素點(diǎn)上。

    圖3 像素坐標(biāo)系Fig.3 Pixels coordinate systems

    理想情況下O1(u0,v0)位于圖像的中心處,設(shè)圖像中的一個(gè)像素對(duì)應(yīng)于圖像坐標(biāo)系在x軸的物理尺寸可表示為dx,對(duì)應(yīng)于y軸方向上的物理尺寸為dy,其具體尺寸可從攝像機(jī)的參數(shù)表中獲得。像素坐標(biāo)與其變換關(guān)系為:

    那么,圖像坐標(biāo)系下點(diǎn)p與在世界坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)點(diǎn)P的關(guān)系可由以下表達(dá)式描述:

    式中:f為焦距(像平面與攝影機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離);t為三維平移向量;M1為內(nèi)部參數(shù)矩陣;ax、ay、u0、v0為內(nèi)部參數(shù);M2為相機(jī)的外部參數(shù)矩陣;R和t1為相機(jī)外部參數(shù);r1、r2、r3為矩陣R中的3 個(gè)矢量;M為投影矩陣;Pw為世界坐標(biāo)系中點(diǎn)坐標(biāo)組成的矩陣。

    M1中只包含由相機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的焦距、主點(diǎn)坐標(biāo)等參數(shù),M2中包含由相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。

    實(shí)際上由于相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)存在加工和裝配誤差,相機(jī)圖像平面上實(shí)際所成的像與理想成像之間會(huì)存在畸變。畸變屬于成像的幾何失真,是由于焦平面上不同區(qū)域?qū)D像的放大率不同而形成的畫面扭曲變形現(xiàn)象,這種變形的程度從畫面中心至畫面邊緣依次遞增,主要在畫面邊緣反映比較明顯,包括徑向畸變、偏心畸變和薄棱鏡畸變等。實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,引入過(guò)多的非線性參數(shù)(如離心畸變和薄棱畸變),不僅不能提高精度,還會(huì)引起解的不穩(wěn)定,一般情況下引入徑向畸變就足以描述非線性畸變。

    2.2 張正友標(biāo)定法

    相機(jī)標(biāo)定是指根據(jù)攝像機(jī)圖像像素位置與空間點(diǎn)位置之間的關(guān)系,建立攝像機(jī)模型,由已知特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)求解攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)的過(guò)程。“張正友標(biāo)定”[17]方法介于傳統(tǒng)標(biāo)定法和自標(biāo)定法之間,克服了傳統(tǒng)標(biāo)定法需要高精度標(biāo)定物的缺點(diǎn),僅需使用打印出來(lái)的棋盤格就可以完成標(biāo)定。相對(duì)于自標(biāo)定而言,張正友標(biāo)定法精度高,操作簡(jiǎn)單,被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面。使用大華DH-IPC-HF5221E 型號(hào)相機(jī),其標(biāo)定的主要步驟如下:

    (1)準(zhǔn)備標(biāo)定圖片。標(biāo)定板以浮法玻璃為基質(zhì),棋盤格圖案由熱膨脹率較低的氧化鋁材料精密加工而成,棋盤圖案為12×9 棋盤格陣列,邊長(zhǎng)30 mm,角點(diǎn)位置精度為0.01 mm。選取18 張?jiān)诓煌恢?、不同角度、不同姿態(tài)下拍攝的標(biāo)定板圖片,如圖4 所示。

    圖4 標(biāo)定照片F(xiàn)ig.4 Calibration photos

    (2)提取每一張圖片的角點(diǎn)信息和亞像素角點(diǎn)信息。角點(diǎn)專指標(biāo)定板上的內(nèi)角點(diǎn),與標(biāo)定板的邊緣不接觸。為了進(jìn)一步提高標(biāo)定精度,降低相機(jī)標(biāo)定偏差,在初步提取的角點(diǎn)信息基礎(chǔ)上進(jìn)一步提取亞像素信息。如圖5 所示。

    (3)相機(jī)標(biāo)定。獲取到棋盤標(biāo)定圖的內(nèi)角點(diǎn)圖像坐標(biāo)之后,就可對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,計(jì)算相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和外參系數(shù),標(biāo)定中主要考慮影響較大的徑向畸變,標(biāo)定完后可生成相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和畸變系數(shù)。

    對(duì)相機(jī)進(jìn)行3 次重復(fù)性標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1。

    表1 相機(jī)3 次標(biāo)定結(jié)果Table 1 Three calibration results of the camera

    表1 中,第一行為未考慮徑向畸變時(shí)標(biāo)定所得的內(nèi)部參數(shù),其余3 行為考慮徑向畸變時(shí)對(duì)相機(jī)進(jìn)行3 次實(shí)時(shí)標(biāo)定的結(jié)果。為了減少誤差,將3 次考慮畸變的標(biāo)定結(jié)果求平均值得到:=2 645.79,=2 645.66,像平面中心點(diǎn)像素=(959.76,540.06)。

    dx、dy的計(jì)算指CCD 面陣單元水平和垂直間距,已知相機(jī)的分辨率為1 920×1 080 像素,成像尺寸為4.8 mm×3.6 mm,則dx=dy=0.002 5 mm,可求出焦距f=6.61 mm。

    3 單目測(cè)距及姿態(tài)評(píng)估

    機(jī)器視覺(jué)中,手眼系統(tǒng)是指攝像機(jī)與機(jī)械手相互協(xié)調(diào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和控制的系統(tǒng)。攝像機(jī)作為眼睛,引導(dǎo)機(jī)械手運(yùn)動(dòng),攝像機(jī)和機(jī)械手的位置關(guān)系一般可分為2 種,一種是將攝像機(jī)(眼)固定在機(jī)械手(手)上面,眼隨手移動(dòng);第二種是攝像機(jī)(眼)和機(jī)械手(手)分離,眼的位置相對(duì)于手是固定的。而手眼標(biāo)定則是得到像素坐標(biāo)系和機(jī)械手坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系。

    手眼標(biāo)定需要將相機(jī)坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系和機(jī)械手坐標(biāo)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在本系統(tǒng)中,攝像機(jī)通過(guò)支架固定在機(jī)械臂底座上,在機(jī)械臂世界坐標(biāo)系的固定位置處,攝像機(jī)位置如圖6 所示,圖中鉆機(jī)主機(jī)可繞支撐點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)。世界坐標(biāo)系和機(jī)械手坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系固定不變,相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系可通過(guò)測(cè)量獲得,因此相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)械手坐標(biāo)系之間的關(guān)系也可通過(guò)計(jì)算獲得。

    圖6 攝像機(jī)位置Fig.6 Schematic diagram of camera position

    實(shí)際工作過(guò)程中,通過(guò)攝像機(jī)觀察鉆機(jī)上鉆桿的運(yùn)行情況,選取固定在鉆機(jī)上的合作目標(biāo)為標(biāo)志物,判斷攝像機(jī)距離標(biāo)志物之間的距離以及標(biāo)志物的空間姿態(tài),并將此位姿信息傳輸給機(jī)械臂控制器,經(jīng)固定坐標(biāo)變換后,控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到指定位置,進(jìn)行鉆桿裝卸。

    3.1 單目測(cè)距模型建立

    為了節(jié)省資源和使用方便,使用棋盤格標(biāo)定板作為鉆機(jī)上的合作目標(biāo),自定義合作目標(biāo)上特征點(diǎn)進(jìn)行距離計(jì)算。待測(cè)物為空間任意平面,參考張正友平面標(biāo)定方法,根據(jù)小孔成像模型和空間成像關(guān)系,建立空間任意平面的測(cè)距模型,如圖7 所示。

    圖7 空間任意平面測(cè)距模型Fig.7 Spatial arbitrary plane ranging model

    其中世界坐標(biāo)系建立在標(biāo)定板平面B上,滿足右手定則,標(biāo)定板平面B為空間中任意平面,已知平面B上任意點(diǎn)的Zw=0,結(jié)合攝像機(jī)成像數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖7 可知:

    由式(4)可知,若已知平面B中4 個(gè)空間點(diǎn)的坐標(biāo)值,代入上式建立方程組聯(lián)合求解,即可得到投影矩陣M。反之,若已知投影矩陣M,即可根據(jù)空間平面B上任意點(diǎn)P的圖像像素坐標(biāo)值,求得該點(diǎn)的世界坐標(biāo)值。針對(duì)這個(gè)模型,單目測(cè)距算法的關(guān)鍵是求解線性方程式(4),步驟如下:

    (1)首先,選取標(biāo)定板的左上角為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn),平面上的點(diǎn)Zw=0,標(biāo)定板平面任意放置,已知標(biāo)定板上各個(gè)黑白相間矩形的邊長(zhǎng)為30 mm,可計(jì)算得到標(biāo)定板上角點(diǎn)的世界坐標(biāo)。

    (2)取標(biāo)定板平面上距離原點(diǎn)坐標(biāo)最近的4 個(gè)角點(diǎn)(P1,P2,P3,P4),根據(jù)標(biāo)定板尺寸可求得4 個(gè)點(diǎn)的世界坐標(biāo)值。

    (3)在圖像中獲得這4 個(gè)點(diǎn)相應(yīng)的圖像像素坐標(biāo)值,根據(jù)式(4),求解矩陣M。

    (4)選取由4 個(gè)點(diǎn)所構(gòu)成的矩形中心點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn),計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的像素坐標(biāo)值,結(jié)合上一步已求解的矩陣M,計(jì)算該點(diǎn)的平移向量t。

    (5)相機(jī)距離目標(biāo)點(diǎn)的距離可轉(zhuǎn)化為相機(jī)光心距目標(biāo)點(diǎn)P的距離L:

    式中:C0P′為目標(biāo)點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的投影點(diǎn)P′到攝像機(jī)光心的距離。

    3.2 姿態(tài)評(píng)估

    通常以世界坐標(biāo)系為基準(zhǔn),描述空間中一個(gè)物體的姿態(tài),合作目標(biāo)在空間中的姿態(tài)也是通過(guò)世界坐標(biāo)系來(lái)表述,求解合作目標(biāo)成像在世界坐標(biāo)系中的相對(duì)關(guān)系,即為姿態(tài)的估計(jì)。設(shè)定世界坐標(biāo)系固定不動(dòng),根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣可求出相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角,即為待測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)角。設(shè)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度θ,等同于目標(biāo)點(diǎn)繞坐標(biāo)原點(diǎn)反方向旋轉(zhuǎn)同樣的角度θ。

    計(jì)算時(shí),設(shè)定物體進(jìn)行定點(diǎn)旋轉(zhuǎn),即先圍繞X軸旋轉(zhuǎn)φ,然后圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)θ,最后圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)φ,注意逆時(shí)針為正方向。則旋轉(zhuǎn)矩陣為:

    本系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)角主要來(lái)自鉆機(jī)自身的振動(dòng)和微小移動(dòng),X軸的旋轉(zhuǎn)角度范圍為-90°<φ<90°,且φ≠±90°,合作目標(biāo)姿態(tài)可由以下公式獲得:

    3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

    3.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

    2021 年11 月進(jìn)行了試驗(yàn)。采用基于OpenCV 的VC++進(jìn)行程序的編寫,測(cè)距過(guò)程中,選取固定不變的棋盤格為合作目標(biāo),合作目標(biāo)特征清晰,且不會(huì)因?yàn)橥饨绛h(huán)境的影響而難以識(shí)別。為了減少運(yùn)算量,測(cè)距時(shí)直接選取棋盤格作為特征區(qū)域,首先存一張標(biāo)定的棋盤格原始圖像,特征區(qū)域選取時(shí),采用匹配的方法,在測(cè)距圖像中選定棋盤格區(qū)域定位,與標(biāo)定棋盤格在世界坐標(biāo)系中的選擇一樣,以棋盤格的左上角為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)坐標(biāo),進(jìn)行特征點(diǎn)的提取。

    鉆機(jī)在工作過(guò)程中,鉆桿平行鉆進(jìn),鉆機(jī)的位置和姿態(tài)不會(huì)有太大的改變,噪聲主要來(lái)源于鉆機(jī)的振動(dòng)和微小移動(dòng),因此引入的噪聲主要為無(wú)規(guī)律的椒鹽噪聲,預(yù)處理后圖像如圖8 所示。

    圖8 預(yù)處理后的圖像Fig.8 Pre-processed images

    根據(jù)實(shí)際測(cè)試鉆桿自動(dòng)裝卸所積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),當(dāng)識(shí)別的距離偏差大于0.2%,任意姿態(tài)角偏差大于1.2%時(shí),鉆桿裝卸機(jī)械手與鉆機(jī)夾持器在交換鉆桿的瞬間會(huì)產(chǎn)生相互沖擊,影響機(jī)械手抓桿精度和鉆桿自動(dòng)裝卸系統(tǒng)的使用壽命。因此,鉆桿裝卸距離偏差不大于0.2%,任意姿態(tài)角偏差不大于1.2%,才能滿足使用要求。

    試驗(yàn)選取了6 張現(xiàn)場(chǎng)圖片進(jìn)行鉆桿的距離測(cè)量和姿態(tài)的估計(jì),對(duì)同一張圖片進(jìn)行4 次重復(fù)測(cè)距,求得其距離見(jiàn)表2。由于實(shí)際中準(zhǔn)確距離不易測(cè)量,在試驗(yàn)時(shí)以多次測(cè)量的平均值為基準(zhǔn),計(jì)算單次測(cè)量值相對(duì)于平均測(cè)量值的偏差來(lái)分析視覺(jué)測(cè)量精度。從表2 中不難看出,測(cè)距的標(biāo)準(zhǔn)偏差均不大于0.12%,精度滿足要求。隨后對(duì)姿態(tài)角度進(jìn)行3 次測(cè)量,結(jié)果見(jiàn)表3,繞X軸的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.12%,繞Y軸的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差1.08%,繞Z軸的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.14%,均滿足鉆桿裝卸的精度要求。

    表2 距離測(cè)量結(jié)果Table 2 Distance measuring results

    表3 姿態(tài)角度測(cè)量結(jié)果Table 3 Attitude angle measurement results

    實(shí)際鉆孔時(shí),根據(jù)鉆孔傾角不同,會(huì)適當(dāng)調(diào)節(jié)鉆機(jī)主機(jī)相對(duì)履帶車體平臺(tái)的傾角和高度。由于鉆機(jī)主機(jī)可調(diào)范圍有限,無(wú)論如何調(diào)節(jié),最終合作目標(biāo)都在攝像機(jī)的視野中心范圍內(nèi)。

    試驗(yàn)中對(duì)每張照片測(cè)量的結(jié)果求平均值,引導(dǎo)機(jī)械手自動(dòng)裝卸鉆桿,機(jī)械手每次都能準(zhǔn)確地抓取到鉆桿。

    3.3.2 偏差分析

    由于攝像機(jī)的位置是固定的,而鉆機(jī)的移動(dòng)僅僅由鉆機(jī)工作過(guò)程中的振動(dòng)和微小移動(dòng)造成,所以在進(jìn)行鉆機(jī)的距離估計(jì)時(shí)其變化量微小。距離的測(cè)量計(jì)算在鉆機(jī)工作時(shí)同步實(shí)時(shí)進(jìn)行,實(shí)際距離不好測(cè)量,采用多次測(cè)量同一姿態(tài)下的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)驗(yàn)證測(cè)距的準(zhǔn)確性。由表2 可知,經(jīng)過(guò)4 次的距離測(cè)算,測(cè)距的標(biāo)準(zhǔn)偏差均不大于于0.12%,精度滿足要求。

    在室內(nèi)進(jìn)行姿態(tài)評(píng)估試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中鉆機(jī)與合作目標(biāo)的姿態(tài)變化較小。輕微的振動(dòng)導(dǎo)致的姿態(tài)變化可從表3 中看出,繞X軸的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.12%,繞Y軸的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.08%,繞Z軸的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.14%,滿足鉆桿裝卸的精度要求。

    在同一圖片中進(jìn)行多次測(cè)量仍會(huì)出現(xiàn)偏差,一是因?yàn)樵跇?biāo)定過(guò)程中直接采用了OpenCV 庫(kù)中自帶的標(biāo)定函數(shù),雖然對(duì)于亞像素點(diǎn)的提取和畸變參數(shù)進(jìn)行了修正,但還不能完全消除,導(dǎo)致對(duì)角點(diǎn)的提取有一定的偏差,且越靠近攝像機(jī)中心的偏差越小,反之,距離越遠(yuǎn),偏差就會(huì)漸漸增大。二是因?yàn)樵跍y(cè)距方法中,假定了棋盤格的世界坐標(biāo)系是已知的,但是由于拍攝角度不同,棋盤格在攝像機(jī)上的成像會(huì)有一定的畸變,畸變后的成像點(diǎn)投影到世界坐標(biāo)系中與原來(lái)的測(cè)量點(diǎn)無(wú)法完全重合,導(dǎo)致設(shè)定的世界坐標(biāo)系存在偏差,最終導(dǎo)致了距離偏差。

    4 結(jié)論

    a.通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)坑道鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)裝卸系統(tǒng)的分析,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有鉆桿自動(dòng)裝卸系統(tǒng)主要依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)和接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行定位,存在定位精度差和自動(dòng)化程度低的問(wèn)題。利用基于合作目標(biāo)的單目視覺(jué)技術(shù),建立了攝像機(jī)成像數(shù)學(xué)模型,構(gòu)建了空間任意平面的單目測(cè)距模型與合作目標(biāo)姿態(tài)矩陣,實(shí)現(xiàn)了鉆桿的位姿識(shí)別。

    b.試驗(yàn)結(jié)果表明,基于單目視覺(jué)技術(shù)的鉆桿位姿識(shí)別算法真實(shí)有效,利用該方法推導(dǎo)的攝像機(jī)數(shù)學(xué)模型和鉆桿姿態(tài)估計(jì)矩陣準(zhǔn)確,為單目視覺(jué)技術(shù)在鉆桿自動(dòng)裝卸領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考依據(jù),提高了鉆桿自動(dòng)裝卸精度。

    c.在后續(xù)的研究工作中,可將單目視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于鉆桿安裝與拆卸的中間過(guò)程,進(jìn)一步提高鉆桿自動(dòng)裝卸系統(tǒng)的智能化程度。

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