自動擦窗機視覺定位系統的設計

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

關鍵詞：自動擦窗機 視覺定位 “十”字線發生器

在高大建筑自動擦窗機的控制系統設計中，擦窗機與視擦洗單元的相對位置的確定是一個必須解決的關鍵技術。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先單元；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據。在我們設計的擦窗機中，這兩具步驟是通過兩套視覺系統協調完成的。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視器上，黑白監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視器手動控制擦窗機找到被擦洗單元，并能通過監視器上的“十”字線與被擦洗單元的邊緣對準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；然后精確定位系統開始工作，把CCD攝像頭信號通過圖像采集卡轉換成數字信號，經過計算機處理后例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。整個視覺系統的關鍵技術是“十”字線的產生和視覺系統確定位算法。下面將對“十”字線的產生進行詳細闡述，并簡要介紹視覺系統精確定位原理。

1 “十”字線發生器的設計

視覺監視器上的“十”字線是通過“十”字線信號發生器來實現的。該“十”字線滿足如下條件：（1）“十”字線位于監視器的中央；（2）長度達到監視器邊框的三分之二，線寬度為一個像素點的寬度；（3）“十”字線穩定，不閃爍變形。“十”字線信號發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器，計數器以行同步頭為計數脈沖，計數輸出接入一個組合邏輯電路，當計數器計數到某一特定值時，控制電路輸出一個選通脈沖，使其在規定的行（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選通脈沖（稱中間行選通脈沖）。

“十”字線發生器的電路如圖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，計數器CD4040在場同步頭結束時對行同步頭進行計數。GAL16V8對計數輸出進行譯碼，以判斷是否應當顯示“十”字。當到達規定行時，GAL16V8的SEL端將輸出一全選通脈沖，選通中間行脈沖發生器和點脈沖發生器，這兩個脈沖發生器是通過兩片單穩態觸發延時電路74HC423實現的。一旦來了個行同頭來，將觸發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74HC423（2），產生一個滯后于中間行脈沖T4、寬度為T3的點脈沖Narrow，經GAL16V8選擇輸出最終的“十”字線信號脈沖。“十”字線產生時序如圖3所示。以我們選用的日本松下公司的黑白監視器為例，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。輸入脈沖為負極性，無“十”字時為高電平，有“十”字時在需要顯示的位置加負脈沖。Cross IN為高電平時，D1導通P，1截止，輸入視頻信號R4、R5輸出；負脈沖到來時，D1截止，P1飽和導通，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，以達到圖橡疊加的目的。

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、邊緣提取以及坐標系間的位姿轉換計算等，限于篇幅，本文對此僅作簡要介紹，詳細闡述見參考文獻[1]。圖5所示為攝像機模型，坐標系OXYZ固定在機器人上，坐標系oxyx為攝像機坐標系，xoy為像平面，w為物點，（X,Y,Z）為其在OXYZ坐標系中的坐標，c為像點，（x,y,z）為其在像平面內的坐標，wh和ch之間采用矩陣表示為：Ch=Awh；其中，wh為w的齊次坐標，ch為像點c的齊次坐標，A為從坐標系OXYZ到像oxyz的變換矩陣。反解可得物點坐標（X，Y，Z）與像點坐標（x,y,z）及物距z之間的關系。