摘  要: 介紹了一種自動擦窗機中利用雙視覺系統(tǒng)進行精確定位的方法,對視覺定位中的“十”字線發(fā)生器電路作了詳細(xì)闡述,同時簡要介紹了系統(tǒng)精確定位原理。 

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

     在高大建筑自動擦窗機的控制系統(tǒng)設(shè)計中,擦窗機與被擦洗單元的相對位置的確定是一個必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。這個相對位置確定的過程分為兩個步驟,第一步是擦窗機找到被擦洗單元;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,為擦窗機自動擦洗提供必要的數(shù)據(jù)。在我們設(shè)計的擦窗機中,這兩個步驟是通過兩套視覺系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成的。在擦窗機上有一個普通攝像頭和一個CCD攝像頭,普通攝像頭的信號連接到一黑白監(jiān)視器上,黑白監(jiān)視器上有一個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)視器手動控制擦窗機找到被擦洗單元,并能通過監(jiān)視器上的“十”字線與被擦洗單元的邊緣對準(zhǔn)來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50mm;然后精確定位系統(tǒng)開始工作,把CCD攝像頭信號通過圖像采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,經(jīng)過計算機處理后便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3mm。整個視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是“十”字線的產(chǎn)生和視覺系統(tǒng)精確定位算法。下面將對“十”字線的產(chǎn)生進行詳細(xì)闡述,并簡要介紹視覺系統(tǒng)精確定位原理。 

1 “十”字線發(fā)生器的設(shè)計 

    視覺監(jiān)視器上的“十”字線是通過“十”字線信號發(fā)生器來實現(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)長度達到監(jiān)視器邊框的三分之二,線寬度為一個像素點的寬度;(3)“十”字線穩(wěn)定,不閃爍變形。“十”字線信號發(fā)生器的電路原理框圖如圖1所示。在圖1的方案中,從普通攝像頭來的電視信號被同步分離,得到場同步頭(V-sy)和行同步頭(C-sy)兩個信號。場同步頭用于啟動一個計數(shù)器,計數(shù)器以行同步頭為計數(shù)脈沖,計數(shù)輸出接入一個組合邏輯電路,當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到某一特定值時,控制電路輸出一個選通脈沖,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);同時,在顯示“十”字的橫線那一行得到另外一個選通脈沖(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、場同步頭分離器件。它把從普通攝像頭來的視頻信號分離出行同步頭和場同步頭。在每一場中,計數(shù)器CD4040在場同步頭結(jié)束時對行同步頭進行計數(shù)。GAL16V8對計數(shù)輸出進行譯碼,以判斷是否應(yīng)當(dāng)顯示“十”字。當(dāng)?shù)竭_規(guī)定行時,GAL16V8的SEL端將輸出一全選通脈沖,選通中間行脈沖發(fā)生器和點脈沖發(fā)生器,這兩個脈沖發(fā)生器是通過兩片單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)延時電路74HC423實現(xiàn)的。一旦來了一個行同步頭,將觸發(fā)74HC423(1)的延時功能,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。這個脈沖被送入GAL16V8,同時觸發(fā)74HC423(2),產(chǎn)生一個滯后于中間行脈沖T4、寬度為T3的點脈沖Narrow,經(jīng)GAL16V8選擇輸出最終的“十”字線信號脈沖。“十”字線產(chǎn)生時序如圖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。因此對于整屏需掃描262次,當(dāng)掃描行為131時,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)為“十”字線信號的輸入端。輸入脈沖為負(fù)極性,無“十”字時為高電平,有“十”字時在需要顯示的位置加負(fù)脈沖。Cross IN為高電平時,D1導(dǎo)通,P1截止,輸入視頻信號經(jīng)R4、R5輸出;負(fù)脈沖到來時,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中,以達到圖像疊加的目的。 

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

參考文獻 

1 汪 勇.高大建筑擦窗機器人控制系統(tǒng)設(shè)計.北京：北京航空航天大學(xué)研究生畢業(yè)論文,2001 

2 李曼娜. 高大建筑擦窗機器人視覺系統(tǒng)設(shè)計.北京：北京航空航天大學(xué)研究生畢業(yè)論文,2000 

3  Linear Databook. National Semiconductor Corp.， 1988