[发明专利]一种嵌入式喷枪位姿实时测量装置及方法

权利要求书

1.一种嵌入式喷枪位姿实时测量装置，其特征在于，该测量装置通过安装支架与喷枪一起固接在喷涂机器人的机械臂末端，喷枪与测量装置之间的位姿相对固定，喷涂时，机械臂带动支架以及固定其上的喷枪和位姿测量装置一同运动，位姿测量装置实时检测自身相对于被喷涂物体的表面位姿，并换算成喷枪相对于被喷涂表面的位姿传送给机器人控制器，机器人控制器根据反馈信息对喷枪位置和姿态进行实时调整，以保证最佳的喷涂效果；

所述位姿测量装置含有一个面阵CCD摄像机，多个点状激光器以及一块图像处理卡，多个点状激光器不少于三个，其中：

所述点状激光器的激光线出射端与被测喷涂物体表面相对放置，用于将激光线投射到被测喷涂物体的表面，在被测喷涂物体表面形成激光点；

所述面阵CCD摄像机的镜头与被测喷涂物体表面相对放置，用于拍摄被测喷涂物体表面激光点的图像；

图像处理卡与面阵CCD摄像机电气连接，图像处理卡处理面阵CCD摄像机所拍摄的激光点图像，确定每个激光点光斑中心在激光点图像中的二维位置坐标(u，v)，通过标定将激光点二维位置坐标转换成在面阵CCD摄像机坐标系中的三维坐标(x，y，z)，使用最小二乘法对激光点三维坐标进行平面拟合，该拟合平面的法线与面阵CCD摄像机坐标系Z轴的夹角即为面阵CCD摄像机与被测喷涂物体表面的相对姿态，该拟合平面与面阵CCD摄像机坐标系原点的距离即为面阵CCD摄像机相对于被测喷涂物体表面的距离，根据喷枪与面阵CCD摄像机相对的安装位姿，将面阵CCD摄像机相对于被测喷涂物体表面的姿态和距离通过坐标转换，换算成喷枪相对于被测喷涂物体表面的姿态和距离，完成喷枪位姿实时测量。

2.根据权利要求1所述的嵌入式喷枪位姿实时检测装置，其特征在于，所述多个激光器使用六个点激光源，六个点激光源按照60度等间距沿圆周排列，面阵CCD摄像机位于由六个点激光源组成的圆周圆心。

3.根据权利要求1所述的嵌入式喷枪位姿实时检测装置，其特征在于，位姿测量装置的安装位置高于喷枪的枪口处10cm-20cm并且置于喷枪运动方向的前侧20cm，高于喷枪的枪口用以保证所有的激光斑点均在CCD摄像机的视场范围内和防止喷枪在喷涂过程中的雾状涂料覆着于面阵CCD摄像机的镜头表面；位于喷枪运动方向前侧用于保证机器人控制器可以根据前馈信息对喷枪的位置和姿态进行实时调整。

4.根据权利要求1所述的嵌入式喷枪位姿实时检测装置，其特征在于，图像处理卡使用基于数字信号处理器和现场可编程逻辑器件的嵌入式图像处理卡，所述现场可编程逻辑器件硬件实现计算量较大的底层图像处理，所述底层图像处理包括滤波、边缘提取、中心点二维坐标的确定，用于减轻后端处理器的处理的负担；所述数字信号处理器作为中央处理单元，用于控制图像处理卡的处理顺序、控制逻辑、高层算法处理以及与机器人控制器的通讯；所述嵌入式图像处理卡上图像信号的数据处理采用并行流水线的方式实现，图像信号采集即时被处理。

5.一种使用权利要求1所述嵌入式喷枪位姿实时测量装置的嵌入式喷枪位姿实时测量方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

步骤S1：设置面阵CCD摄像机坐标系为全局坐标系；

步骤S2：激光点在图像中二维位置坐标(u，v)与三维坐标(x，y，z)关系方程参数的标定；

步骤S3：喷枪位姿实时测量的步骤：

步骤S3a：利用现场可编程逻辑器件内的高斯滤波硬件单元，对图像进行高斯平滑去除噪声；

步骤S3b：利用现场可编程逻辑器件内部的Canny算子硬件单元，对图像进行边缘提取，得到二值化后的斑点边缘图像；

步骤S3c：利用现场可编程逻辑器件内部的硬件单元，确定斑点中心的位置坐标(u，v)，即斑点中心处于图像中的第u列、第v行；

步骤S3d：利用数字信号处理器并通过标定的关系方程解算出激光点在面阵CCD摄像机坐标系下的三维坐标(x，y，z)；

步骤S3e：数字信号处理器利用六个光点的三维坐标，使用最小二乘法拟合出光点所在的被测喷涂物体表面的平面方程，从而解算出喷枪与被测喷涂物体表面的平面相对位置和姿态，同时将测量结果传送给机器人控制器。

6.如权利要求5所述的嵌入式喷枪位姿实时测量方法，其特征在于，所有测量步骤使用并行流水线的实现方式，所有步骤同步并行执行，图像信号采集即被处理。

7.根据权利要求5所述的喷枪位姿实时测量方法，其特征在于：所述将激光点二维位置坐标通过标定得到的关系方程转换成在面阵CCD摄像机坐标系中的三维坐标，关系方程由如下公式表示：

x=eu-b+d,]]>

y=pv-n+q,]]>

z=au-b,]]>

其中，x、y、z为激光光斑点在面阵CCD摄像机坐标系下的三维坐标，u、v为光斑点在光斑图像中的二维位置坐标，a、b、d、e、p、q均为与面阵CCD摄像机的内、外参数相关的常数，通过标定确定。