基于單目視覺(jué)的鉆桿位姿識(shí)別技術(shù)研究

馬斌，彭光宇

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

2015 年原國(guó)家安監(jiān)總局印發(fā)了關(guān)于開(kāi)展《“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)》的通知；2016 年中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)與國(guó)家能源局印發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030 年)》的通知；2020 年國(guó)家能源局等八部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》。這些重要的通知與意見(jiàn)均將煤礦井下設(shè)備的自動(dòng)化、智能化列為重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容之一[1-3]。為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，提高鉆機(jī)鉆進(jìn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)鉆桿裝卸自動(dòng)化，煤礦相關(guān)企業(yè)、科研院所均開(kāi)展了鉆桿自動(dòng)裝卸技術(shù)的相關(guān)研究[4-6]。

姚亞峰等[7]設(shè)計(jì)了一款煤礦坑道鉆機(jī)自動(dòng)加卸鉆桿裝置，利用擺動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手定位，再和轉(zhuǎn)輪式桿倉(cāng)相互配合完成鉆桿的自動(dòng)裝卸；王清峰等[8]設(shè)計(jì)了基于路徑規(guī)劃的鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)，通過(guò)主機(jī)械手、副機(jī)械手和轉(zhuǎn)運(yùn)器的相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)鉆桿自動(dòng)裝卸。這2 種鉆桿自動(dòng)系統(tǒng)主要依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)和接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)鉆桿的定點(diǎn)取放，在完成既定功能的同時(shí)，存在因機(jī)械磨損與累計(jì)誤差等因素導(dǎo)致系統(tǒng)定位精度低的問(wèn)題。同時(shí)，依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)定位的鉆桿自動(dòng)裝卸系統(tǒng)自動(dòng)化程度有限，智能化程度較低。如果將視覺(jué)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下鉆桿位姿識(shí)別中，勢(shì)必可以實(shí)現(xiàn)鉆桿定位智能識(shí)別，提高鉆桿自動(dòng)裝卸精度和鉆機(jī)裝備整體的智能化水平。

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)通常分為單目、雙目和多目等形式[9-11]。單目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)系統(tǒng)中得到了廣泛的認(rèn)可[12-13]。為此，提出一種基于單目視覺(jué)的鉆桿位姿識(shí)別技術(shù)，利用攝像機(jī)拍攝含有合作目標(biāo)的圖像，結(jié)合提取到的特征信息，解算攝像機(jī)與合作目標(biāo)之間的相對(duì)距離和相對(duì)姿態(tài)，并根據(jù)鉆桿與合作目標(biāo)之間的相對(duì)靜止關(guān)系以及攝像機(jī)與機(jī)械臂的相對(duì)靜止關(guān)系，推算出鉆桿相對(duì)機(jī)械臂的位姿數(shù)據(jù)，引導(dǎo)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)鉆桿自動(dòng)裝卸。

1 總體方案

單目視覺(jué)測(cè)量分為基于合作目標(biāo)和基于非合作目標(biāo)兩種?；诤献髂繕?biāo)單目測(cè)量在簡(jiǎn)化特征提取難度的同時(shí)提高了特征提取的精度[14]。在此，為了準(zhǔn)確獲得鉆桿的位姿信息，結(jié)合井下工作環(huán)境和鉆機(jī)工作特點(diǎn)，選擇簡(jiǎn)單方便的棋盤格作為合作目標(biāo)，既簡(jiǎn)化了相機(jī)標(biāo)定過(guò)程，同時(shí)也容易提取圖像特征，提高測(cè)量速度。系統(tǒng)的整體方案如圖1 所示。首先，固定攝像機(jī)，將攝像機(jī)放置在合適的地方，再對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，求取攝像機(jī)的內(nèi)參和外參；然后拍攝帶有合作目標(biāo)的圖片，將圖片進(jìn)行灰度和濾波預(yù)處理，再對(duì)合作目標(biāo)上距離世界坐標(biāo)系最近的方塊進(jìn)行特征點(diǎn)提取，結(jié)合標(biāo)定所得攝像機(jī)內(nèi)參和外參，對(duì)鉆桿進(jìn)行距離測(cè)量與姿態(tài)估計(jì)，獲得鉆桿當(dāng)前的位姿信息，將計(jì)算得到的鉆桿位姿參數(shù)矩陣傳輸給機(jī)械臂控制器，引導(dǎo)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿的自動(dòng)抓取。

圖1 系統(tǒng)整體方案Fig.1 Overall system scheme

2 攝像機(jī)成像模型及其標(biāo)定

在視覺(jué)測(cè)量中，通常利用攝像機(jī)模型將空間中三維點(diǎn)與攝像機(jī)上的二維點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)[15]。在實(shí)際應(yīng)用中，攝像機(jī)模型可用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，有小孔成像模型(線性模型)和非線性模型兩種，其中小孔成像模型最為成熟，也應(yīng)用最廣泛[16]。

2.1 攝像機(jī)成像模型

小孔成像模型包括了世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系4 個(gè)坐標(biāo)系，如圖2 所示。其中P為三維空間點(diǎn)，p為P在圖像平面投影的成像點(diǎn)。

圖2 小孔成像模型Fig.2 Pinhole imaging model

世界坐標(biāo)系(Ow-XwYwZw) 是三維空間中的絕對(duì)坐標(biāo)系，用于描述三維環(huán)境中任何一個(gè)物體的位置，一般用(Xw,Yw,Zw)表示其坐標(biāo)值。攝像機(jī)安放在三維空間中，其位置信息通過(guò)世界坐標(biāo)系這個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)系來(lái)描述。攝像機(jī)坐標(biāo)系(O-XYZ)以攝像機(jī)光心為原點(diǎn)，Z為主坐標(biāo)軸，與攝像機(jī)光軸重合。圖像坐標(biāo)系(O1-xy)中O1為攝像機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)，O-O1為攝像機(jī)的焦距，用(x,y)表示其坐標(biāo)值。

像素坐標(biāo)系以成像平面的左上角頂點(diǎn)為原點(diǎn)，u軸和v軸分別平行于圖像坐標(biāo)系的x軸和y軸，其與圖像坐標(biāo)系的關(guān)系如圖3 所示，用(u,v)表示其坐標(biāo)值。攝像機(jī)采集的圖像首先形成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變換為數(shù)字圖像。每幅圖像可定義為M×N的數(shù)組，M行N列的圖像中的每一個(gè)元素的數(shù)值代表的是圖像點(diǎn)的灰度。這樣的每個(gè)元素叫像素，像素坐標(biāo)系就是以像素為單位的圖像坐標(biāo)系。而圖像坐標(biāo)系是用物理單位(例如：mm)表示像素在圖像中的位置。像素坐標(biāo)和成像坐標(biāo)體現(xiàn)在同一圖像坐標(biāo)系中，成像坐標(biāo)的原點(diǎn)O1(u0,v0)位于中心像素點(diǎn)上。

圖3 像素坐標(biāo)系Fig.3 Pixels coordinate systems

理想情況下O1(u0,v0)位于圖像的中心處，設(shè)圖像中的一個(gè)像素對(duì)應(yīng)于圖像坐標(biāo)系在x軸的物理尺寸可表示為dx，對(duì)應(yīng)于y軸方向上的物理尺寸為dy，其具體尺寸可從攝像機(jī)的參數(shù)表中獲得。像素坐標(biāo)與其變換關(guān)系為：

那么，圖像坐標(biāo)系下點(diǎn)p與在世界坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)點(diǎn)P的關(guān)系可由以下表達(dá)式描述：

式中：f為焦距(像平面與攝影機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離)；t為三維平移向量；M1為內(nèi)部參數(shù)矩陣；ax、ay、u0、v0為內(nèi)部參數(shù)；M2為相機(jī)的外部參數(shù)矩陣；R和t1為相機(jī)外部參數(shù)；r1、r2、r3為矩陣R中的3 個(gè)矢量；M為投影矩陣；Pw為世界坐標(biāo)系中點(diǎn)坐標(biāo)組成的矩陣。

M1中只包含由相機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的焦距、主點(diǎn)坐標(biāo)等參數(shù)，M2中包含由相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。

實(shí)際上由于相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)存在加工和裝配誤差，相機(jī)圖像平面上實(shí)際所成的像與理想成像之間會(huì)存在畸變。畸變屬于成像的幾何失真，是由于焦平面上不同區(qū)域?qū)D像的放大率不同而形成的畫面扭曲變形現(xiàn)象，這種變形的程度從畫面中心至畫面邊緣依次遞增，主要在畫面邊緣反映比較明顯，包括徑向畸變、偏心畸變和薄棱鏡畸變等。實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，引入過(guò)多的非線性參數(shù)(如離心畸變和薄棱畸變)，不僅不能提高精度，還會(huì)引起解的不穩(wěn)定，一般情況下引入徑向畸變就足以描述非線性畸變。

2.2 張正友標(biāo)定法

相機(jī)標(biāo)定是指根據(jù)攝像機(jī)圖像像素位置與空間點(diǎn)位置之間的關(guān)系，建立攝像機(jī)模型，由已知特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)求解攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)的過(guò)程。“張正友標(biāo)定”[17]方法介于傳統(tǒng)標(biāo)定法和自標(biāo)定法之間，克服了傳統(tǒng)標(biāo)定法需要高精度標(biāo)定物的缺點(diǎn)，僅需使用打印出來(lái)的棋盤格就可以完成標(biāo)定。相對(duì)于自標(biāo)定而言，張正友標(biāo)定法精度高，操作簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面。使用大華DH-IPC-HF5221E 型號(hào)相機(jī)，其標(biāo)定的主要步驟如下：

(1)準(zhǔn)備標(biāo)定圖片。標(biāo)定板以浮法玻璃為基質(zhì)，棋盤格圖案由熱膨脹率較低的氧化鋁材料精密加工而成，棋盤圖案為12×9 棋盤格陣列，邊長(zhǎng)30 mm，角點(diǎn)位置精度為0.01 mm。選取18 張?jiān)诓煌恢?、不同角度、不同姿態(tài)下拍攝的標(biāo)定板圖片，如圖4 所示。

圖4 標(biāo)定照片F(xiàn)ig.4 Calibration photos

(2)提取每一張圖片的角點(diǎn)信息和亞像素角點(diǎn)信息。角點(diǎn)專指標(biāo)定板上的內(nèi)角點(diǎn)，與標(biāo)定板的邊緣不接觸。為了進(jìn)一步提高標(biāo)定精度，降低相機(jī)標(biāo)定偏差，在初步提取的角點(diǎn)信息基礎(chǔ)上進(jìn)一步提取亞像素信息。如圖5 所示。

(3)相機(jī)標(biāo)定。獲取到棋盤標(biāo)定圖的內(nèi)角點(diǎn)圖像坐標(biāo)之后，就可對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和外參系數(shù)，標(biāo)定中主要考慮影響較大的徑向畸變，標(biāo)定完后可生成相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和畸變系數(shù)。

對(duì)相機(jī)進(jìn)行3 次重復(fù)性標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 相機(jī)3 次標(biāo)定結(jié)果Table 1 Three calibration results of the camera

表1 中，第一行為未考慮徑向畸變時(shí)標(biāo)定所得的內(nèi)部參數(shù)，其余3 行為考慮徑向畸變時(shí)對(duì)相機(jī)進(jìn)行3 次實(shí)時(shí)標(biāo)定的結(jié)果。為了減少誤差，將3 次考慮畸變的標(biāo)定結(jié)果求平均值得到：=2 645.79，=2 645.66，像平面中心點(diǎn)像素=(959.76,540.06)。

dx、dy的計(jì)算指CCD 面陣單元水平和垂直間距，已知相機(jī)的分辨率為1 920×1 080 像素，成像尺寸為4.8 mm×3.6 mm，則dx=dy=0.002 5 mm，可求出焦距f=6.61 mm。

3 單目測(cè)距及姿態(tài)評(píng)估

機(jī)器視覺(jué)中，手眼系統(tǒng)是指攝像機(jī)與機(jī)械手相互協(xié)調(diào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和控制的系統(tǒng)。攝像機(jī)作為眼睛，引導(dǎo)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，攝像機(jī)和機(jī)械手的位置關(guān)系一般可分為2 種，一種是將攝像機(jī)(眼)固定在機(jī)械手(手)上面，眼隨手移動(dòng)；第二種是攝像機(jī)(眼)和機(jī)械手(手)分離，眼的位置相對(duì)于手是固定的。而手眼標(biāo)定則是得到像素坐標(biāo)系和機(jī)械手坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系。

手眼標(biāo)定需要將相機(jī)坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系和機(jī)械手坐標(biāo)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在本系統(tǒng)中，攝像機(jī)通過(guò)支架固定在機(jī)械臂底座上，在機(jī)械臂世界坐標(biāo)系的固定位置處，攝像機(jī)位置如圖6 所示，圖中鉆機(jī)主機(jī)可繞支撐點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)。世界坐標(biāo)系和機(jī)械手坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系固定不變，相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系可通過(guò)測(cè)量獲得，因此相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)械手坐標(biāo)系之間的關(guān)系也可通過(guò)計(jì)算獲得。

圖6 攝像機(jī)位置Fig.6 Schematic diagram of camera position

實(shí)際工作過(guò)程中，通過(guò)攝像機(jī)觀察鉆機(jī)上鉆桿的運(yùn)行情況，選取固定在鉆機(jī)上的合作目標(biāo)為標(biāo)志物，判斷攝像機(jī)距離標(biāo)志物之間的距離以及標(biāo)志物的空間姿態(tài)，并將此位姿信息傳輸給機(jī)械臂控制器，經(jīng)固定坐標(biāo)變換后，控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到指定位置，進(jìn)行鉆桿裝卸。

3.1 單目測(cè)距模型建立

為了節(jié)省資源和使用方便，使用棋盤格標(biāo)定板作為鉆機(jī)上的合作目標(biāo)，自定義合作目標(biāo)上特征點(diǎn)進(jìn)行距離計(jì)算。待測(cè)物為空間任意平面，參考張正友平面標(biāo)定方法，根據(jù)小孔成像模型和空間成像關(guān)系，建立空間任意平面的測(cè)距模型，如圖7 所示。

圖7 空間任意平面測(cè)距模型Fig.7 Spatial arbitrary plane ranging model

其中世界坐標(biāo)系建立在標(biāo)定板平面B上，滿足右手定則，標(biāo)定板平面B為空間中任意平面，已知平面B上任意點(diǎn)的Zw=0，結(jié)合攝像機(jī)成像數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖7 可知：

由式(4)可知，若已知平面B中4 個(gè)空間點(diǎn)的坐標(biāo)值，代入上式建立方程組聯(lián)合求解，即可得到投影矩陣M。反之，若已知投影矩陣M，即可根據(jù)空間平面B上任意點(diǎn)P的圖像像素坐標(biāo)值，求得該點(diǎn)的世界坐標(biāo)值。針對(duì)這個(gè)模型，單目測(cè)距算法的關(guān)鍵是求解線性方程式(4)，步驟如下：

(1)首先，選取標(biāo)定板的左上角為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)，平面上的點(diǎn)Zw=0，標(biāo)定板平面任意放置，已知標(biāo)定板上各個(gè)黑白相間矩形的邊長(zhǎng)為30 mm，可計(jì)算得到標(biāo)定板上角點(diǎn)的世界坐標(biāo)。

(2)取標(biāo)定板平面上距離原點(diǎn)坐標(biāo)最近的4 個(gè)角點(diǎn)(P1，P2，P3，P4)，根據(jù)標(biāo)定板尺寸可求得4 個(gè)點(diǎn)的世界坐標(biāo)值。

(3)在圖像中獲得這4 個(gè)點(diǎn)相應(yīng)的圖像像素坐標(biāo)值，根據(jù)式(4)，求解矩陣M。

(4)選取由4 個(gè)點(diǎn)所構(gòu)成的矩形中心點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的像素坐標(biāo)值，結(jié)合上一步已求解的矩陣M，計(jì)算該點(diǎn)的平移向量t。

(5)相機(jī)距離目標(biāo)點(diǎn)的距離可轉(zhuǎn)化為相機(jī)光心距目標(biāo)點(diǎn)P的距離L：

式中：C0P′為目標(biāo)點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的投影點(diǎn)P′到攝像機(jī)光心的距離。

3.2 姿態(tài)評(píng)估

通常以世界坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，描述空間中一個(gè)物體的姿態(tài)，合作目標(biāo)在空間中的姿態(tài)也是通過(guò)世界坐標(biāo)系來(lái)表述，求解合作目標(biāo)成像在世界坐標(biāo)系中的相對(duì)關(guān)系，即為姿態(tài)的估計(jì)。設(shè)定世界坐標(biāo)系固定不動(dòng)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣可求出相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角，即為待測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)角。設(shè)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度θ，等同于目標(biāo)點(diǎn)繞坐標(biāo)原點(diǎn)反方向旋轉(zhuǎn)同樣的角度θ。

計(jì)算時(shí)，設(shè)定物體進(jìn)行定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，即先圍繞X軸旋轉(zhuǎn)φ，然后圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)θ，最后圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)φ，注意逆時(shí)針為正方向。則旋轉(zhuǎn)矩陣為：

本系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)角主要來(lái)自鉆機(jī)自身的振動(dòng)和微小移動(dòng)，X軸的旋轉(zhuǎn)角度范圍為-90°＜φ＜90°，且φ≠±90°，合作目標(biāo)姿態(tài)可由以下公式獲得：

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

2021 年11 月進(jìn)行了試驗(yàn)。采用基于OpenCV 的VC++進(jìn)行程序的編寫，測(cè)距過(guò)程中，選取固定不變的棋盤格為合作目標(biāo)，合作目標(biāo)特征清晰，且不會(huì)因?yàn)橥饨绛h(huán)境的影響而難以識(shí)別。為了減少運(yùn)算量，測(cè)距時(shí)直接選取棋盤格作為特征區(qū)域，首先存一張標(biāo)定的棋盤格原始圖像，特征區(qū)域選取時(shí)，采用匹配的方法，在測(cè)距圖像中選定棋盤格區(qū)域定位，與標(biāo)定棋盤格在世界坐標(biāo)系中的選擇一樣，以棋盤格的左上角為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行特征點(diǎn)的提取。

鉆機(jī)在工作過(guò)程中，鉆桿平行鉆進(jìn)，鉆機(jī)的位置和姿態(tài)不會(huì)有太大的改變，噪聲主要來(lái)源于鉆機(jī)的振動(dòng)和微小移動(dòng)，因此引入的噪聲主要為無(wú)規(guī)律的椒鹽噪聲，預(yù)處理后圖像如圖8 所示。

圖8 預(yù)處理后的圖像Fig.8 Pre-processed images

根據(jù)實(shí)際測(cè)試鉆桿自動(dòng)裝卸所積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)識(shí)別的距離偏差大于0.2%，任意姿態(tài)角偏差大于1.2%時(shí)，鉆桿裝卸機(jī)械手與鉆機(jī)夾持器在交換鉆桿的瞬間會(huì)產(chǎn)生相互沖擊，影響機(jī)械手抓桿精度和鉆桿自動(dòng)裝卸系統(tǒng)的使用壽命。因此，鉆桿裝卸距離偏差不大于0.2%，任意姿態(tài)角偏差不大于1.2%，才能滿足使用要求。

試驗(yàn)選取了6 張現(xiàn)場(chǎng)圖片進(jìn)行鉆桿的距離測(cè)量和姿態(tài)的估計(jì)，對(duì)同一張圖片進(jìn)行4 次重復(fù)測(cè)距，求得其距離見(jiàn)表2。由于實(shí)際中準(zhǔn)確距離不易測(cè)量，在試驗(yàn)時(shí)以多次測(cè)量的平均值為基準(zhǔn)，計(jì)算單次測(cè)量值相對(duì)于平均測(cè)量值的偏差來(lái)分析視覺(jué)測(cè)量精度。從表2 中不難看出，測(cè)距的標(biāo)準(zhǔn)偏差均不大于0.12%，精度滿足要求。隨后對(duì)姿態(tài)角度進(jìn)行3 次測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表3，繞X軸的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.12%，繞Y軸的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差1.08%，繞Z軸的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.14%，均滿足鉆桿裝卸的精度要求。

表2 距離測(cè)量結(jié)果Table 2 Distance measuring results

表3 姿態(tài)角度測(cè)量結(jié)果Table 3 Attitude angle measurement results

實(shí)際鉆孔時(shí)，根據(jù)鉆孔傾角不同，會(huì)適當(dāng)調(diào)節(jié)鉆機(jī)主機(jī)相對(duì)履帶車體平臺(tái)的傾角和高度。由于鉆機(jī)主機(jī)可調(diào)范圍有限，無(wú)論如何調(diào)節(jié)，最終合作目標(biāo)都在攝像機(jī)的視野中心范圍內(nèi)。

試驗(yàn)中對(duì)每張照片測(cè)量的結(jié)果求平均值，引導(dǎo)機(jī)械手自動(dòng)裝卸鉆桿，機(jī)械手每次都能準(zhǔn)確地抓取到鉆桿。

3.3.2 偏差分析

由于攝像機(jī)的位置是固定的，而鉆機(jī)的移動(dòng)僅僅由鉆機(jī)工作過(guò)程中的振動(dòng)和微小移動(dòng)造成，所以在進(jìn)行鉆機(jī)的距離估計(jì)時(shí)其變化量微小。距離的測(cè)量計(jì)算在鉆機(jī)工作時(shí)同步實(shí)時(shí)進(jìn)行，實(shí)際距離不好測(cè)量，采用多次測(cè)量同一姿態(tài)下的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)驗(yàn)證測(cè)距的準(zhǔn)確性。由表2 可知，經(jīng)過(guò)4 次的距離測(cè)算，測(cè)距的標(biāo)準(zhǔn)偏差均不大于于0.12%，精度滿足要求。

在室內(nèi)進(jìn)行姿態(tài)評(píng)估試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中鉆機(jī)與合作目標(biāo)的姿態(tài)變化較小。輕微的振動(dòng)導(dǎo)致的姿態(tài)變化可從表3 中看出，繞X軸的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.12%，繞Y軸的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.08%，繞Z軸的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.14%，滿足鉆桿裝卸的精度要求。

在同一圖片中進(jìn)行多次測(cè)量仍會(huì)出現(xiàn)偏差，一是因?yàn)樵跇?biāo)定過(guò)程中直接采用了OpenCV 庫(kù)中自帶的標(biāo)定函數(shù)，雖然對(duì)于亞像素點(diǎn)的提取和畸變參數(shù)進(jìn)行了修正，但還不能完全消除，導(dǎo)致對(duì)角點(diǎn)的提取有一定的偏差，且越靠近攝像機(jī)中心的偏差越小，反之，距離越遠(yuǎn)，偏差就會(huì)漸漸增大。二是因?yàn)樵跍y(cè)距方法中，假定了棋盤格的世界坐標(biāo)系是已知的，但是由于拍攝角度不同，棋盤格在攝像機(jī)上的成像會(huì)有一定的畸變，畸變后的成像點(diǎn)投影到世界坐標(biāo)系中與原來(lái)的測(cè)量點(diǎn)無(wú)法完全重合，導(dǎo)致設(shè)定的世界坐標(biāo)系存在偏差，最終導(dǎo)致了距離偏差。

4 結(jié)論

a.通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)坑道鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)裝卸系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有鉆桿自動(dòng)裝卸系統(tǒng)主要依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)和接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行定位，存在定位精度差和自動(dòng)化程度低的問(wèn)題。利用基于合作目標(biāo)的單目視覺(jué)技術(shù)，建立了攝像機(jī)成像數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了空間任意平面的單目測(cè)距模型與合作目標(biāo)姿態(tài)矩陣，實(shí)現(xiàn)了鉆桿的位姿識(shí)別。

b.試驗(yàn)結(jié)果表明，基于單目視覺(jué)技術(shù)的鉆桿位姿識(shí)別算法真實(shí)有效，利用該方法推導(dǎo)的攝像機(jī)數(shù)學(xué)模型和鉆桿姿態(tài)估計(jì)矩陣準(zhǔn)確，為單目視覺(jué)技術(shù)在鉆桿自動(dòng)裝卸領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考依據(jù)，提高了鉆桿自動(dòng)裝卸精度。

c.在后續(xù)的研究工作中，可將單目視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于鉆桿安裝與拆卸的中間過(guò)程，進(jìn)一步提高鉆桿自動(dòng)裝卸系統(tǒng)的智能化程度。