基于双目视觉的管片拼装机的管片定位及抓取系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了基于双目视觉的管片拼装机的管片定位及抓取系统。系统由图像获取系统(A)和图像处理系统(B)组成，并与控制系统及执行机构(C)相连。其中，图像获取系统(A)由右CCD传感器(1)、辅助光源(2)、支架(3)、左CCD传感器(6)构成；图像处理系统(B)由工业计算机(8)和现场可编辑门阵列(7)和(9)组成；控制系统及执行机构(C)包括管片拼装机控制系统(18)、管片拼装机姿态调整机构(19)、管片拼装机举升机构(20)和管片拼装机回转机构(21)。系统在工作时采集待装管片的图像并进行处理，根据管片位置算法得到待装管片的坐标信息，生成控制信号并待装管片进行抓取，从而自动完成待装管片定位及抓取工作。
【专利说明】基于双目视觉的管片拼装机的管片定位及抓取系统
【技术领域】
[0001]本发明属机械工程【技术领域】，具体涉及一种盾构管片拼装机的双目视觉定位及抓取系统。
【背景技术】
[0002]管片拼装机是盾构机的重要子系统之一，当盾构掘进一个管片环的距离后，管片拼装机将预制的混凝土管片拼装成环，作为隧道的支护和盾构机前盾的支撑点。在拼装过程中，首先管片拼装机从盾构机后方的管片运输车上抓取管片，然后通过轴向平移、周向旋转和径向伸缩将管片进行粗定位，再通过横摇、俯仰和偏转进行姿态调整以实现精确定位。目前我国的工程实际中，管片拼装的整个过程都需要人工完成，这样不仅效率低下、不能保证统一的拼装质量，还容易产生危险。
[0003]由于目前的管片拼装机多可视为一多自由度的机器人，因此可将管片拼装作业简单理解为对于工件(待装管片)的定位、抓取、移动和放置过程。管片拼装机的视觉系统是实现管片拼装机自动工作的重要子系统之一。视觉系统使管片拼装机获取工作环境的图像以便辨识管片，并确定其位置，据此通过控制系统实现管片抓取和拼装等功能。如何借助机器视觉技术完成管片的定位工作是管片拼装自动化的首要研究内容。
[0004]机器视觉可按照系统中摄像头的数量分为单目视觉、双目视觉和多目视觉。双目视觉技术是通过分析多幅二维图像以获取物体的三维坐标，并且还能对三维物体进行识另O。利用三角测量的原理，双目视觉通过两台摄像机获取及预处理环境和物体的数字图像，并校正和匹配特征点，最后进行深度信息的获取和三维重建。作为目前应用较为广泛的机器视觉系统之一，双目视觉系统利用两个摄像头即可完成目标物体的三维信息获取。其工作一般包括图像获取、摄像机校准、特征提取、立体匹配和三维信息恢复。
[0005]经文献查阅，目前国内外没有应用双目视觉相关技术的管片拼装机视觉系统。申请号为“201210021637.X”的专利公开了一种基于图像识别的管片拼装质量的智能检测系统及其检测方法，用于检测盾构隧道管片拼装质量。该系统通过USB (通用串行总线)摄像头搭建的智能检测系统实现了对管片拼装质量的检验，通过辨识管片和标识物的图像建立并加载模型，以对管片内径和错台量进行分析。但是此专利没有涉及到管片拼装时对管片的识别，无法实现管片拼装的自动作业，也就无法实现管片拼装机的自动化。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供基于双目视觉的管片拼装机的管片定位及抓取系统，实现对待装管片的定位和抓取的功能。
[0007]本发明的上述目的可以通过以下技术方案实现，结合【专利附图】
【附图说明】如下:
[0008]1、基于双目视觉的管片拼装机的管片定位及抓取系统，主要由图像获取系统A、图像处理系统B组成，并与控制系统及执行机构C相连；其中，图像获取系统A由右CXD (电荷耦合元件)传感器1、辅助光源2、支架3、左CXD传感器6构成；图像处理系统B由工业计算机8和两个现场可编辑门阵列9组成；控制系统及执行机构C包括管片拼装机控制系统18、管片拼装机姿态调整机构19、管片拼装机举升机构20和管片拼装机回转机构21 ;所述的图像获取系统A的CXD传感器I通过数据线和图像处理系统B中的现场可编程门阵列9连接，图像处理系统B的工业计算机8通过数据线和控制系统及执行机构C中管片拼装机控制系统21的硬件连接。
[0009]2、所述的图像获取系统A中，右CXD传感器1、左CXD传感器6、辅助光源2安装在支架3上；支架固定在举升横梁斜臂上，根据管片输送车和管片拼装机的初始位置调整CCD传感器的角度；辅助光源2安装在支架3侧面，采用平行光源，低角度照射方式。
[0010]3、所述的图像处理系统B中，两个现场可编程门阵列7和9各自构成一样的控制电路，分别连接在两个CCD传感器6和I上；其中，现场可编辑门阵列9的控制电路的PHY/LLC(物理层/逻辑链路控制)芯片4和右CCD传感器I连接，并与RAM(随机存取存储器)10、FLASH(闪存)17和PCI (外设互联标准)主控器11相连，控制程序和图像处理程序保存在FLASH芯片中，PCI主控器和工业计算机的PCI总线连接，在工作中对右CXD传感器I的图像进行采集和处理；现场可编程门阵列7的硬件布置及连接方式与现场可编程门阵列9的相同，对左CXD传感器6的图像进行处理，且现场可编程门阵列7和9的FLASH芯片中的预设程序相同。
[0011]4、所述的图像处理系统B中，对于已经获取的图像，管片的形心O' (Xd, Yd, Zd)的坐标可表示为:
【权利要求】
1.基于双目视觉的管片拼装机的管片定位及抓取系统，其特征在于，主要由图像获取系统(A)、图像处理系统(B)组成，并与控制系统及执行机构(C)相连；其中，图像获取系统(A)由右CCD传感器(I)、辅助光源(2)、支架(3)、左CCD传感器(6)构成；图像处理系统(B)由工业计算机(8)和两个现场可编辑门阵列(9)组成；控制系统及执行机构(C)包括管片拼装机控制系统(18)、管片拼装机姿态调整机构(19)、管片拼装机举升机构(20)和管片拼装机回转机构(21);所述的图像获取系统(A)的CCD传感器(I)通过数据线和图像处理系统(B)中的现场可编程门阵列(9)连接，图像处理系统(B)的工业计算机(8)通过数据线和控制系统及执行机构(C)中管片拼装机控制系统(21)的硬件连接。
2.按照权利要求1所述的基于双目视觉的管片拼装机的管片定位系统，其特征在于，所述的图像获取系统(A)中，右电荷耦合元件CCD传感器(I)、左CCD传感器(6)、辅助光源(2)安装在支架(3)上；支架固定在举升横梁斜臂上，根据管片输送车和管片拼装机的初始位置调整CCD传感器的角度；辅助光源(2)安装在支架(3)侧面，采用平行光源，低角度照射方式。
3.按照权利要求1所述的基于双目视觉的管片拼装机的管片定位系统，其特征在于，所述的图像处理系统(B)中，两个现场可编程门阵列(7)和(9)各自构成一样的控制电路，分别连接在两个CCD传感器(6)和⑴上；其中，现场可编辑门阵列(9)的控制电路的物理层/逻辑链路控制芯片PHY/LLC(4)和右CCD传感器(I)连接，并与随机存取存储器RAM (10)、闪存FLASH (17)和外设互联标准PCI主控器(11)相连，控制程序和图像处理程序保存在FLASH芯片中，PCI主控器和工业计算机的PCI总线连接，在工作中对右CXD传感器(I)的图像进行采集和处理；现场可编程门阵列(7)的硬件布置及连接方式与现场可编程门阵列(9)的相同，对左CCD传感器(6)的图像进行处理，且现场可编程门阵列(7)和(9)的FLASH芯片中的预设程序相同。
4.按照权利要求1所述的基于双目视觉的管片拼装机的管片定位系统，其特征在于，所述的图像处理系统(B)中，对于已经获取的图像，管片的形心O' (Xd, Yd, Zd)的坐标可表示为:
5.按照权利要求1所述的基于双目视觉的管片拼装机的管片定位系统，其特征在于，基于双目视觉的管片拼装机的管片定位及抓取系统的工作过程可分为四个阶段:初始化、粗定位、精定位和抓取；其中，系统在开始工作如先进打初始化，初始化包括传感器标定和管片拼装机回到初始位置以及待装管片的到达预定位置；粗定位是通过调整管片拼装机轴向移动来获取具有完整待装管片的图像，消除初始化过程中可能出现的待装管片位置和管片拼装机初始位置的误差；精定位根据边缘的二值图像，进行图像匹配，得到视差图并进行深度还原，计算待装管片的坐标、管片拼装机轴向和周向需要运动的量和待装管片位置；抓取阶段是控制管片拼装机根据精定位阶段获取的管片拼装机控制量控制管片拼装机抓取待装管片的过程。
【文档编号】E21D11/40GK104018850SQ201410252840
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】吕玮东, 王国强, 赵海峰, 何恩光, 边野, 苏丽达 申请人:吉林大学