自動(dòng)擦窗機(jī)視覺定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種自動(dòng)擦窗機(jī)中利用雙視覺系統(tǒng)進(jìn)行精確定位的方法，對(duì)視覺定位中的“十”字線發(fā)生器電路作了詳細(xì)闡述，同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了系統(tǒng)精確定位原理。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)擦窗機(jī) 視覺定位 “十”字線發(fā)生器

在高大建筑自動(dòng)擦窗機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，擦窗機(jī)與視擦洗單元的相對(duì)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(duì)位置確定的過程分為兩個(gè)步驟，第一步是擦窗機(jī)找到被擦先單元；第二步是擦窗機(jī)找到被擦洗單元后，精確地確定擦窗機(jī)與被擦洗單元的相對(duì)位置，為擦窗機(jī)自動(dòng)擦洗提供必要的數(shù)據(jù)。在我們?cè)O(shè)計(jì)的擦窗機(jī)中，這兩具步驟是通過兩套視覺系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成的。在擦窗機(jī)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(hào)連接到一黑白監(jiān)視器上，黑白監(jiān)視器上有一個(gè)固定的白色或黑色的“十”字線，地面操作員可以通過黑白監(jiān)視器手動(dòng)控制擦窗機(jī)找到被擦洗單元，并能通過監(jiān)視器上的“十”字線與被擦洗單元的邊緣對(duì)準(zhǔn)來初步確定擦窗機(jī)與被擦洗單元的相對(duì)位置，位置誤差范圍不超過50mm；然后精確定位系統(tǒng)開始工作，把CCD攝像頭信號(hào)通過圖像采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后例能確定擦窗機(jī)與被擦洗單元的精確位置，定位誤差范圍不超過3mm。整個(gè)視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是“十”字線的產(chǎn)生和視覺系統(tǒng)確定位算法。下面將對(duì)“十”字線的產(chǎn)生進(jìn)行詳細(xì)闡述，并簡(jiǎn)要介紹視覺系統(tǒng)精確定位原理。

1 “十”字線發(fā)生器的設(shè)計(jì)

視覺監(jiān)視器上的“十”字線是通過“十”字線信號(hào)發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)的。該“十”字線滿足如下條件：（1）“十”字線位于監(jiān)視器的中央；（2）長(zhǎng)度達(dá)到監(jiān)視器邊框的三分之二，線寬度為一個(gè)像素點(diǎn)的寬度；（3）“十”字線穩(wěn)定，不閃爍變形。“十”字線信號(hào)發(fā)生器的電路原理框圖如圖1所示。在圖1的方案中，從普通攝像頭來的電視信號(hào)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(hào)。場(chǎng)同步頭用于啟動(dòng)一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器以行同步頭為計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)輸出接入一個(gè)組合邏輯電路，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)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(guī)定的行（顯示“十”字線的那些行）可以得到選通（稱全選通脈沖）；同地，在顯示“十”字的橫線那一行得到另外一個(gè)選通脈沖（稱中間行選通脈沖）。

“十”字線發(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的視頻信號(hào)分離出行同步頭和場(chǎng)同步頭。在每一場(chǎng)中，計(jì)數(shù)器CD4040在場(chǎng)同步頭結(jié)束時(shí)對(duì)行同步頭進(jìn)行計(jì)數(shù)。GAL16V8對(duì)計(jì)數(shù)輸出進(jìn)行譯碼，以判斷是否應(yīng)當(dāng)顯示“十”字。當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)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)生器是通過兩片單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)延時(shí)電路74HC423實(shí)現(xiàn)的。一旦來了個(gè)行同頭來，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T2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T3的點(diǎn)脈沖Narrow，經(jīng)GAL16V8選擇輸出最終的“十”字線信號(hào)脈沖。“十”字線產(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(jiān)視器為例，其掃描線為525行，采用NTSC制式，隔行掃描。因此對(duì)于整屏需掃描262次，當(dāng)掃描行為131時(shí)，輸出中間行脈沖，顯示“十”字線的橫線；從第40行開始，至220行為止，輸出全選通脈沖，顯示“十”字線的豎線。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(hào))為“十”字線信號(hào)的輸入端。輸入脈沖為負(fù)極性，無“十”字時(shí)為高電平，有“十”字時(shí)在需要顯示的位置加負(fù)脈沖。Cross IN為高電平時(shí)，D1導(dǎo)通P，1截止，輸入視頻信號(hào)R4、R5輸出；負(fù)脈沖到來時(shí)，D1截止，P1飽和導(dǎo)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(hào)中，以達(dá)到圖橡疊加的目的。

2 擦窗機(jī)的精確定位

擦窗機(jī)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(biāo)系間的位姿轉(zhuǎn)換計(jì)算等，限于篇幅，本文對(duì)此僅作簡(jiǎn)要介紹，詳細(xì)闡述見參考文獻(xiàn)[1]。圖5所示為攝像機(jī)模型，坐標(biāo)系OXYZ固定在機(jī)器人上，坐標(biāo)系oxyx為攝像機(jī)坐標(biāo)系，xoy為像平面，w為物點(diǎn)，（X,Y,Z）為其在OXYZ坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，c為像點(diǎn)，（x,y,z）為其在像平面內(nèi)的坐標(biāo)，wh和ch之間采用矩陣表示為：Ch=Awh；其中，wh為w的齊次坐標(biāo)，ch為像點(diǎn)c的齊次坐標(biāo)，A為從坐標(biāo)系OXYZ到像oxyz的變換矩陣。反解可得物點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，Z）與像點(diǎn)坐標(biāo)（x,y,z）及物距z之間的關(guān)系。