船舶清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量技術(shù)研究

楊其雷，郝永志,2

（1.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院航海工程學(xué)院，浙江舟山 316021；2.上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）

船舶海水脫硫裝置大多采用濕法噴淋來除去煙氣中的硫元素，以天然海水為吸收劑，將堿液以噴霧的形式噴入到海水中，兩者混合反應(yīng)后，來脫除煙氣中SO2，從而達(dá)到凈化的目的[1]。但是，海水脫硫法會(huì)在煙囪內(nèi)壁附著大量鹽巴，這些鹽巴久而久之會(huì)堵塞出煙口從而影響排煙效率，進(jìn)而影響海水脫硫效果。目前清理鹽巴的主要措施是風(fēng)吹、水洗、人工鏟除等，經(jīng)濟(jì)代價(jià)大，易使設(shè)備損壞，且效果不佳。因此，需要采用新型機(jī)器人清理煙囪內(nèi)壁的鹽巴以提高海水脫硫效果。

機(jī)器人工作時(shí)定位基準(zhǔn)位姿的測(cè)量精度又是鹽巴清理機(jī)器人研發(fā)需解決的關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，在20 世紀(jì)80 年代就有學(xué)者將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到了機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量中，通過在空間平面內(nèi)選取四個(gè)以上已知特征點(diǎn)，根據(jù)每一個(gè)特征點(diǎn)的選取，計(jì)算出攝像機(jī)圖像平面與空間平面之間的單應(yīng)性矩陣，來推算空間平面內(nèi)的機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿信息[2]；國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量的研究起步較晚，但是在科研人員的努力和國(guó)家的大力支持下，機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量研究已經(jīng)得到了比較深入的研究[3]。王天宇等[4]利用圖像匹配方法檢測(cè)了平面靶標(biāo)在圖像中的具體坐標(biāo)，采用固定靶標(biāo)的特性，求取了位姿的中心點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)通過多幅圖像樣本驗(yàn)證了圖像匹配方法的魯棒性，將靶標(biāo)控制點(diǎn)的空間和圖像坐標(biāo)作為輸入，獲取到攝像機(jī)與移動(dòng)物體之間的三維相對(duì)位姿，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該位姿測(cè)量系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度[4]；黃敏高[5]以工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象，引入了靜態(tài)圖像收集算法和空間匹配算法，通過工業(yè)試驗(yàn)得到機(jī)器人的定位數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)符合加工自動(dòng)化的信息數(shù)據(jù)要求，可以實(shí)現(xiàn)空間姿態(tài)與工業(yè)機(jī)器人參數(shù)之間的匹配，提升了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。

結(jié)合船舶海水脫硫裝置的特點(diǎn)，本文在前人研究的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)了船舶海水脫硫裝置中鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量系統(tǒng)，以期提升海水脫硫效果。

1 船舶鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿跟蹤儀優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件部分由位姿跟蹤儀、控制器、用戶計(jì)算機(jī)、環(huán)境傳感器以及靶鏡等組成[6]，見圖1。

圖1 位姿跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of the measurement system of pose tracker

設(shè)計(jì)機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿跟蹤儀是通過位姿跟蹤儀發(fā)出的光束信號(hào)經(jīng)過靶鏡的反射與另一路光束發(fā)生干涉，根據(jù)光束干涉原理[7]可以得到鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿跟蹤頭到反射鏡之間的距離。根據(jù)鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿跟蹤頭2個(gè)軸上的角度編碼器，可以得到測(cè)量位置相對(duì)于鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿跟蹤頭的俯仰角與放大角，見圖2。

圖2 機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿跟蹤儀工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of the positioning datum pose tracker of salt cleaning robot

根據(jù)船舶鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿跟蹤儀測(cè)頭與定位基準(zhǔn)位姿之間的距離和角度，計(jì)算出機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿在跟蹤儀坐標(biāo)下的直角坐標(biāo)。

1.2 機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)

機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)是基于對(duì)位姿測(cè)量光束飛行時(shí)間的測(cè)量，換句話說就是從發(fā)送位姿測(cè)量光束到接收光束的時(shí)間間隔與位姿測(cè)量傳感器到機(jī)器人之間的距離成正比關(guān)系[8]。

激光器的光束發(fā)射后如果遇到障礙物就會(huì)被反射回來，隨后會(huì)被測(cè)距儀內(nèi)部的接收器記錄下來。光束被測(cè)距儀內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)光鏡進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，便于對(duì)周圍環(huán)境形成一個(gè)扇面掃描區(qū)域[9]。待測(cè)機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿的輪廓線根據(jù)脈沖序列來確定[10]，通過串行接口可以測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，從而進(jìn)行下一步處理。

鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量傳感器的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

表1 位姿測(cè)量傳感器的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of pose measurement sensor

通過位姿測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)，設(shè)置位姿測(cè)量傳感器的技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

2 船舶鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿解算算法設(shè)計(jì)

根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)和機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)，通過精確圖像處理算法得到機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)像素坐標(biāo)(u,v)，從而經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到圖像坐標(biāo)(x,y)，根據(jù)空間幾何投影約束條件和投影模型[11]，求解得到機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)(xci,yci,zci)。

假設(shè)機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)在標(biāo)靶坐標(biāo)系和防爆相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為Pbi(xbi,ybi,zbi) 和Pci(xci,yci,zci)，因此，兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以表示為：

公式中，旋轉(zhuǎn)矩陣Rbc和平移矩陣Tbc采用對(duì)偶四元數(shù)[12]可以將其表示為：

此外假設(shè)機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值為P～ci，由于機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)安裝以及定位機(jī)器人基準(zhǔn)位姿過程中可能存在誤差[13]，因此建立了公式（3）的機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿解算模型，其中，N 表示機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)數(shù)量。

采用對(duì)偶四元數(shù)來表示公式（3），得到機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)的目標(biāo)方程為：

在公式（4）中G1，G2、G3和的計(jì)算公式為：

通過求解機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)的目標(biāo)方程，得到對(duì)偶四元數(shù)的實(shí)部r 和對(duì)偶部分s，從而在標(biāo)靶坐標(biāo)系和防爆相機(jī)坐標(biāo)系下，獲得旋轉(zhuǎn)矩陣Rcb和平移向量Tcb。根據(jù)機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)相對(duì)于海水脫硫裝置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系：

公式中，M40表示機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)相對(duì)于海水脫硫裝置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，Mc0表示機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)到防爆相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，Mcb表示跟蹤器到標(biāo)靶坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，M4b表示機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)到標(biāo)靶的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)和機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)，建立了標(biāo)靶坐標(biāo)系和防爆相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，采用對(duì)偶四元數(shù)建立了機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿特征點(diǎn)的目標(biāo)方程，完成鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿解算模型的建立。

2.2 測(cè)量機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

在機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿解算模型的基礎(chǔ)上，通過開發(fā)一個(gè)機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量程序，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿的測(cè)量。主要包括獲取機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿圖像的驅(qū)動(dòng)、預(yù)處理、識(shí)別靶標(biāo)位姿解算以及數(shù)據(jù)顯示等[14]。為了方便調(diào)試機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量程序，將灰度圖和深度圖像在上位機(jī)中顯示出來，從而查看機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿到的深度值。

為了準(zhǔn)確描述出靶標(biāo)的位置信息，先確定并選擇坐標(biāo)系，將其坐標(biāo)表示為（X,Y,Z）。本文選擇鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿的本體坐標(biāo)系和觀察坐標(biāo)系來描述靶標(biāo)的具體位置。在測(cè)量機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿之前，必須先確定相機(jī)的畸變參數(shù)和內(nèi)參數(shù)，在工作模式下，獲取機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿數(shù)據(jù)之后，測(cè)量機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿，具體步驟如下：

1)識(shí)別靶標(biāo)

采用畸變校正和降噪的方式來處理相機(jī)采集到的機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿圖像，利用閾值算法從處理的圖像中篩選靶標(biāo)，提取靶標(biāo)的形心坐標(biāo)，并從深度圖像中提取形心的機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿深度信息。

2)匹配靶標(biāo)

利用靶標(biāo)形心的深度值和坐標(biāo)、相機(jī)的內(nèi)參矩陣，計(jì)算出靶標(biāo)的三維坐標(biāo)值，從而求解出靶標(biāo)的相對(duì)距離矩陣[15]。計(jì)算物體坐標(biāo)系下機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿的相對(duì)距離矩陣，將計(jì)算得到了2 組相對(duì)距離矩陣作為測(cè)試程序的輸出，利用退火算法找到靶標(biāo)的序號(hào)對(duì)。

3)計(jì)算機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿

將正確匹配的靶標(biāo)序號(hào)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)值作為機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量程序的輸入，利用機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿解算模型求出旋轉(zhuǎn)矩陣和位移向量。

根據(jù)機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量步驟，設(shè)計(jì)了機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量流程。

綜上所述，在鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿解算模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量程序設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿的測(cè)量。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于傳感器不能識(shí)別鹽巴清理機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)加速度，因此不能適應(yīng)機(jī)器人的高動(dòng)態(tài)行走情況，在此基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)濾波器來增加空速計(jì)，從而識(shí)別機(jī)器人運(yùn)動(dòng)加速度的影響。利用Matlab 仿真工具來驗(yàn)證機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量系統(tǒng)的有效性。仿真試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 仿真試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of simulation experiment

仿真試驗(yàn)的鹽巴清理機(jī)器人行走參數(shù)見表2。

表2 鹽巴清理機(jī)器人行走軌跡參數(shù)Tab.2 Trajectory parameters of salt cleaning robot

3.2 機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿平移距離測(cè)量誤差試驗(yàn)

在3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別采用文獻(xiàn)[4]的位姿測(cè)量系統(tǒng)、文獻(xiàn)[5]的位姿測(cè)量系統(tǒng)以及本文提出的位姿測(cè)量系統(tǒng)來測(cè)量船舶海水脫硫裝置中鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿，得到機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿平移距離測(cè)量誤差對(duì)比結(jié)果，見圖4。

從圖4 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，文獻(xiàn)[4]的位姿測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量船舶海水脫硫裝置中鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿時(shí)，由于系統(tǒng)硬件的跟蹤設(shè)備精度不足，使得機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量產(chǎn)生的誤差達(dá)到10%左右，而且還低于實(shí)際測(cè)量結(jié)果；文獻(xiàn)[5]的位姿測(cè)量系統(tǒng)由于解算船舶海水脫硫裝置中鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿過程中不夠精確，使得機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果也存在一定誤差，達(dá)到4%左右，而本文提出的位姿測(cè)量系統(tǒng)建立了船舶鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿解算模型，簡(jiǎn)化了位姿解算步驟，使機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果之間的誤差較小，在1%以內(nèi)，從而提機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量的精度。

圖4 機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿平移距離測(cè)量誤差對(duì)比結(jié)果Fig.4 Comparison result of measurement errors for the translation distance of the positioning datum and pose of the salt cleaning robot

3.3 機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量角度誤差試驗(yàn)

在3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別采用文獻(xiàn)[4]的位姿測(cè)量系統(tǒng)、文獻(xiàn)[5]的位姿測(cè)量系統(tǒng)以及本文提出的位姿測(cè)量系統(tǒng)，來測(cè)量船舶海水脫硫裝置中鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿，得到鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量誤差對(duì)比結(jié)果，見圖5。

從圖5 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]的位姿測(cè)量系統(tǒng)由于只進(jìn)行了識(shí)別靶標(biāo)和匹配靶標(biāo)中的一步，使得到的船舶鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果之間的旋轉(zhuǎn)角度誤差達(dá)到了20%左右，而本文提出的位姿測(cè)量系統(tǒng)細(xì)化了機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿的測(cè)量步驟，使機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果之間的誤差在5%以內(nèi)，從而提高了機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量精度。

圖5 機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量誤差對(duì)比結(jié)果Fig.5 Comparison result of measurement errors for the Rotation Angle of the positioning datum and pose of the salt cleaning robot

4 結(jié)束語

本文提出了船舶海水脫硫裝置中鹽巴清理機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量系統(tǒng)研究，通過設(shè)計(jì)機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分，完成了機(jī)器人定位基準(zhǔn)位姿測(cè)量系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，該位姿測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量精度方面表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法。但本文方法因未考慮噪聲干擾，為進(jìn)一步提高測(cè)量精度，還需要在未來研究中著重探究深度識(shí)別算法和濾波跟蹤算法。