基于机器视觉的飞航弹装填定位总体技术研究
时间：2022-10-02 11:07:21
摘 要： 以飞航弹装填技术为研究对象，采用机器视觉技术对飞航弹进行定位，并将飞航弹空间位置信息反馈给控制系统，由受控机械臂和机械手共同完成飞航弹的抓取、放置动作，研究的设备亦可用于其它大型工程机械，提高设备安装进度和效率。
关键词： 机器视觉；机械手；精定位；图像识别
中图分类号：TB663 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210042－01
0 引言
飞航弹在现代战争中的作用日渐凸显，与之相关的技术中，对其运输和装填等辅助设备研究较少，发展缓慢，严重制约了其作战机动性、灵活性和快速反应性。本文以某型号飞航弹研制的地面装运分系统为研究背景，重点研究了飞航弹半自动化装填系统中涉及的装填定位技术。
飞航弹装填过程中涉及双目立体视觉技术和单目立体视觉技术，其中，应用双目立体视觉技术实现飞航弹装填的初定位，利用单目视觉技术实现飞航弹装填的5自由度精定位。
1 系统动作执行机构
飞航弹装填设备中的机械臂和机械手是设备的动作执行机构，其可完成若机械臂长为7500mm，主臂回转误差为1′，由此引起的机械手的定位误差将为4.5mm，若再考虑重力变形，此误差将更大。而装填过程中要求定位误差小于3mm，在此种状态下，即使操作过程中反复对机械臂进行调整也难以达到定位精度要求。若提高主臂回转精度，对机械加工精度，系统刚度都会提出苛刻的要求。系统结合精密仪器设计中的误差补偿理论，采用初定位与微调整相结合的二级结构形式，即机械臂回转误差通过机械手的精调整进行补偿，解决了目前大型机械手臂由于机构间隙、动作惯性、载荷变形等引起的定位精度低的问题。
机械手的运动自由度分析如图1所示，它主要可以完成绕4号轴的俯仰动作、绕3号轴的回转动作、分别沿1号和2号轴的直线位移动作和绕5号轴的横滚动作。
机械手的结构由其功能决定，它需要完成的任务是在初定位的基础之上调整到准确的工作位置后对弹药进行抓取和装填工作。这样一来，就要求机械手能够实现水平面的二维位置调整、垂直高度调整、俯仰及旋转等操作，而夹持动作则建立在上述5个自由度运动的基础之上。为方便起见，建立一个5自由度平台来描述机械手的动作。
图1 五自由度机械手模型
飞航弹装填过程中，机械手的动作实质是使其与飞航弹或定位目标的对准问题，即机械手坐标系与目标坐标系匹配的问题，系统中机械手的位置及姿态是通过机械手各关节处的传感器获取。系统采用绝对式轴角编码器作为各关节角位移的反馈元件；采用同步齿形带带动轴角编码器转动，将同步带的线位移转换为轴角编码器的角位移，实现了机械臂伸缩位移的测量。
2 飞航弹姿态定位
飞航弹位姿的测量是系统重点解决的问题，结合上述机械手的初动作和精动作规划，对飞航弹位姿确定亦分初、精两级测定。在初定位过程中采用双目立体视觉技术来实现飞航弹轴线在俯仰、旋转及机翼翻滚2个角位移及其在空间坐标系下的3个直线位移共5个自由度的识别与定位。并需解决的图像获取、特征提取、特征匹配和空间位置重建等问题。
2.1 初始定位
系统需对获取的图像进行增强、滤波、边缘提取等方面处理。通过实验结果比对，确定了在飞航弹上贴涂特征点，并通过识别特征点的方式确定飞航弹的位置和姿态信息。系统采用的特征点为同心圆环，并在圆环中涂黑。通过分析，该特征点对比度好，特征提取过程中算法简单，速度快，能满足机械手装填的实时测量与控制的要求。特征点匹配的问题上，采用基于模板特征的特征直接匹配算法，该方法是在获取左右飞航弹标记点位置信息后，以左图像特征图案为模板，直接与有图像对应点邻域匹配验算，该方法建立在图像征点位置关系不变的特定条件下，不需要进行搜索，减小了计算机的运算量，提高了运算速度。
2.2 精确定位
精确定位采用单目视觉技术，采用单目相机结合“椭圆”特征图案实现立体视觉。精定位系统通过对椭圆标记图像进行增强、滤波、边缘检测后，采用Hough变换理论计算椭圆参数，能够准确判断机械手与目标的相对位置，为机械手的运动提供了准确信息，实现了5自由度机械手的精确定位与飞航弹的自动抓取。
标准椭圆如图2所示，其表达式为：
其中：a为椭圆长半轴长度，b为椭圆短半轴长度。
图2 标准椭圆 图3 任意椭圆
对于任意平面内的椭圆，如图3所示，它有5个自由的参数，椭圆中心坐标 （两个坐标参数），椭圆方向β，椭圆长半轴长度a，椭圆短半轴长度b。
假定任意椭圆是坐标系XOY中的标准椭圆，坐标系XOY是由坐标系XOY原点平移到点 、并且绕点O旋转得到，旋转角度为β。则坐标系XOY与坐标系XOY之间的关系为：
任意椭圆的数学表达式为：
把公式（2）代入公式（3），将 和 视为未知数，进行求解，可得公式（4）：
一般情况下，若要直接求解椭圆的5个参数（x0，y0，a，b，β），则需要知道椭圆上5个点才能求出，利用式（4），让参数{a，b，β}取一系列离散整数值，计算相应的中心值，再用两个4维累加器数组统计。而且由于式（4）中正负号的不同取法，对应于每个边缘点，中心坐标x0和y0需要分别计算四次，计算量相当大。
但是如果利用椭圆边界像素或者其它选择特殊点的像素，那么就可以利用较少的点确定出椭圆的5个参数。
3 图像获取技术
系统采用MTV-1881EX 1/2"黑白低照度高解析工业摄像机，通过专用图像采集卡采集测控对象图像，并根据所选摄像机对其镜头进行了设计及优化，其焦距为5.6mm，视场角为57°，使在3000mm至7500mm范围内的被抓取的飞航弹，能够全部进入视场，并成像清晰。图像获取光学镜头在50lp/mm处，各视场的MTF值都达到了0.9；大部分的光线都集中在艾里斑半径内，系统球差值较小；系统畸变为0.2%，由畸变引起的误差较小；高斯像点在中心半径为5 的包容圆内所包容的能量达到0.8以上，能量主要集中在高斯像点附近。
4 结论
基于机器视觉的飞航弹装填技术涉及的技术和方法还可用于其它大型工程机械手精确抓取目标的场合。研究证明，将机器视觉技术应用于工程机械手作业，可有效提高作业效率，提高设备测控精度与自动化水平。
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