自動(dòng)擦窗機視覺(jué)定位系統的設計

摘要：介紹了一種自動(dòng)擦窗機中利用雙視覺(jué)系統進(jìn)行精確定位的方法，對視覺(jué)定位中的“十”字線(xiàn)發(fā)生器電路作了詳細闡述，同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了系統精確定位原理。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)擦窗機 視覺(jué)定位 “十”字線(xiàn)發(fā)生器

在高大建筑自動(dòng)擦窗機的控制系統設計中，擦窗機與視擦洗單元的相對位置的確定是一個(gè)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。這個(gè)相對位置確定的過(guò)程分為兩個(gè)步驟，第一步是擦窗機找到被擦先單元；第二步是擦窗機找到被擦洗單元后，精確地確定擦窗機與被擦洗單元的相對位置，為擦窗機自動(dòng)擦洗提供必要的數據。在我們設計的擦窗機中，這兩具步驟是通過(guò)兩套視覺(jué)系統協(xié)調完成的。在擦窗機上有一個(gè)普通攝像頭和一個(gè)CCD攝像頭，普通攝像頭的信號連接到一黑白監視器上，黑白監視器上有一個(gè)固定的白色或黑色的“十”字線(xiàn)，地面操作員可以通過(guò)黑白監視器手動(dòng)控制擦窗機找到被擦洗單元，并能通過(guò)監視器上的“十”字線(xiàn)與被擦洗單元的邊緣對準來(lái)初步確定擦窗機與被擦洗單元的相對位置，位置誤差范圍不超過(guò)50mm；然后精確定位系統開(kāi)始工作，把CCD攝像頭信號通過(guò)圖像采集卡轉換成數字信號，經(jīng)過(guò)計算機處理后例能確定擦窗機與被擦洗單元的精確位置，定位誤差范圍不超過(guò)3mm。整個(gè)視覺(jué)系統的關(guān)鍵技術(shù)是“十”字線(xiàn)的產(chǎn)生和視覺(jué)系統確定位算法。下面將對“十”字線(xiàn)的產(chǎn)生進(jìn)行詳細闡述，并簡(jiǎn)要介紹視覺(jué)系統精確定位原理。

1 “十”字線(xiàn)發(fā)生器的設計

視覺(jué)監視器上的“十”字線(xiàn)是通過(guò)“十”字線(xiàn)信號發(fā)生器來(lái)實(shí)現的。該“十”字線(xiàn)滿(mǎn)足如下條件：（1）“十”字線(xiàn)位于監視器的中央；（2）長(cháng)度達到監視器邊框的三分之二，線(xiàn)寬度為一個(gè)像素點(diǎn)的寬度；（3）“十”字線(xiàn)穩定，不閃爍變形。“十”字線(xiàn)信號發(fā)生器的電路原理框圖如圖1所示。在圖1的方案中，從普通攝像頭來(lái)的電視信號被同步分離，得到場(chǎng)同步頭（V-sy）和行同步頭（C-sy）兩個(gè)信號。場(chǎng)同步頭用于啟動(dòng)一個(gè)計數器，計數器以行同步頭為計數脈沖，計數輸出接入一個(gè)組合邏輯電路，當計數器計數到某一特定值時(shí)，控制電路輸出一個(gè)選通脈沖，使其在規定的行（顯示“十”字線(xiàn)的那些行）可以得到選通（稱(chēng)全選通脈沖）；同地，在顯示“十”字的橫線(xiàn)那一行得到另外一個(gè)選通脈沖（稱(chēng)中間行選通脈沖）。

“十”字線(xiàn)發(fā)生器的電路如圖2所示。圖中，LM1881是行、場(chǎng)同步頭分離器件。它把從普通攝像頭來(lái)的視頻信號分離出行同步頭和場(chǎng)同步頭。在每一場(chǎng)中，計數器CD4040在場(chǎng)同步頭結束時(shí)對行同步頭進(jìn)行計數。GAL16V8對計數輸出進(jìn)行譯碼，以判斷是否應當顯示“十”字。當到達規定行時(shí)，GAL16V8的SEL端將輸出一全選通脈沖，選通中間行脈沖發(fā)生器和點(diǎn)脈沖發(fā)生器，這兩個(gè)脈沖發(fā)生器是通過(guò)兩片單穩態(tài)觸發(fā)延時(shí)電路74HC423實(shí)現的。一旦來(lái)了個(gè)行同頭來(lái)，將觸發(fā)74HC423（1）的延時(shí)功能，并在其輸出端Q2得到滯后于行同步頭T1、寬度為T(mén)2的中間行脈沖Wide。這個(gè)脈沖被送入GAL16V8，同時(shí)觸發(fā)74HC423（2），產(chǎn)生一個(gè)滯后于中間行脈沖T4、寬度為T(mén)3的點(diǎn)脈沖Narrow，經(jīng)GAL16V8選擇輸出最終的“十”字線(xiàn)信號脈沖。“十”字線(xiàn)產(chǎn)生時(shí)序如圖3所示。以我們選用的日本松下公司的黑白監視器為例，其掃描線(xiàn)為525行，采用NTSC制式，隔行掃描。因此對于整屏需掃描262次，當掃描行為131時(shí)，輸出中間行脈沖，顯示“十”字線(xiàn)的橫線(xiàn)；從第40行開(kāi)始，至220行為止，輸出全選通脈沖，顯示“十”字線(xiàn)的豎線(xiàn)。視頻疊加電路如圖4所示，Cross IN(與圖2中的Cross OUT為同一信號)為“十”字線(xiàn)信號的輸入端。輸入脈沖為負極性，無(wú)“十”字時(shí)為高電平，有“十”字時(shí)在需要顯示的位置加負脈沖。Cross IN為高電平時(shí)，D1導通P，1截止，輸入視頻信號R4、R5輸出；負脈沖到來(lái)時(shí)，D1截止，P1飽和導通，P1射極電位比集電極電位高。該脈沖反向加到電視圖像信號中，以達到圖橡疊加的目的。

2 擦窗機的精確定位

擦窗機的精確定位算法包括圖像處理算法，如圖像分割、邊緣提取以及坐標系間的位姿轉換計算等，限于篇幅，本文對此僅作簡(jiǎn)要介紹，詳細闡述見(jiàn)參考文獻[1]。圖5所示為攝像機模型，坐標系OXYZ固定在機器人上，坐標系oxyx為攝像機坐標系，xoy為像平面，w為物點(diǎn)，（X,Y,Z）為其在OXYZ坐標系中的坐標，c為像點(diǎn)，（x,y,z）為其在像平面內的坐標，wh和ch之間采用矩陣表示為：Ch=Awh；其中，wh為w的齊次坐標，ch為像點(diǎn)c的齊次坐標，A為從坐標系OXYZ到像oxyz的變換矩陣。反解可得物點(diǎn)坐標（X，Y，Z）與像點(diǎn)坐標（x,y,z）及物距z之間的關(guān)系。