[发明专利]一种基于机器视觉的盾构管片自动拼装方法

权利要求书

1.一种基于机器视觉的盾构管片自动拼装方法，其特征是，拼装方法具体步骤如下：

步骤一、工业相机安装和标定，获取工业相机内参数矩阵k；

工业相机(7)安装在管片拼装机上，管片拼装机提升机构由左提升液压缸(4)和右提升液压缸(8)构成，将工业相机(7)安装固定在右提升液压缸(8)下端；工业相机(7)的光心轴线平行于右提升液压缸轴线，使其能够跟随旋转机构(3)和右提升液压缸(8)作旋转和提升运动；建立工业相机坐标系O_C-X_CY_CZ_C，O_c为工业相机光心点，Y_c轴平行于平移机构轴线，Z_c轴平行于提升机构轴线，X_c轴可由左手定则得出；运用工业相机(7)在不同位置与角度下采集高精度靶标信息；

采用“张氏标定方法”对工业相机进行相机标定，获取工业相机内参数矩阵k，其形式为：

式中：k_x、k_y为相机在X轴和Y轴的尺度因子，(u₀,v₀)为工业相机光轴中心线与成像平面交点；

设一景物点在工业相机坐标系下的坐标为(x₁,y₁,z₁)，用内参数矩阵描述景物点与图像点之间的关系，则其像素坐标(u,v)为：

步骤二、在管片上布置靶标ArUco码；

靶标ArUco码内部由多个不同排列的黑白格组成，将靶标ArUco码A布置在每块待拼装管片一端对中的位置，靶标ArUco码A侧边与管片侧边平行且距离一致，确保ArUco码A安放在每片管片相同位置；

步骤三、特征点提取，

在工业相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c中，通过工业相机识别已拼装管片和待拼装管片上两张靶标ArUco码B、A的轮廓特征，即靶标ArUco码的四个角点C为特征点作为检测对象，并提取各自外轮廓的四个角点C的像素坐标，共两组，分别为A_i(u_Ai,v_Ai)和B_i(u_Bi,v_Bi)，i表示第i个角点，i＝1,2,3,4；

步骤四、预测待拼装管片的期望位置点；

将待拼装管片(1)和已拼装管片(2)进行预拼装，通过手动控制管片拼装机；设置工业相机不同位置，采集多组ArUco码A、B的角点坐标(u_Ai,v_Ai)、(u_Bi,v_Bi)数据作为训练集、测试集；预测待拼装管片的期望位置点d_i像素坐标(u_di,v_di)；采用机器学习的回归模型，假设回归模型的训练集为D：

D＝{(x₁,y₁),(x₂,y₂)...(x_n,y_n)} (3)

式中：x_i，i＝1,2,3...n,为输入值，即特征点B_i的坐标值；y_i，i＝1,2,3...n为输出值，即期望位置点d_i的坐标值；

回归模型将输入空间划分为m个单元R₁,R₂,...,R_m，假设每个单元上有一个固定的输出值C_m，则回归模型表述为：

若采用平方误差最小准则求解每个单元的最优输出值，则得到单元R_m上的最优数值；

式中：是R_m上的所有输入值x_i对应输出y_i的均值；

依据上述回归模型，实现期望位置点预测；

步骤五、计算待拼装点与期望位置点偏差；

计算待拼装管片当前位置四个角点A_i(u_Ai,v_Ai)与期望位置的四个角点d_i(u_di,v_di)的误差值e，采用四特征点下基于图像的视觉伺服算法得到管片拼装机平移、提升和回转的期望速度；

误差值e定义为：

结合公式(6)，采用基于图像的视觉伺服策略，其具体形式为：

式中：v＝(v_cx,v_cy,v_cz,w_cx,w_cy,w_cz)^T为工业相机坐标系下六自由度期望速度，λ_p为比例增益参数，为四特征点叠加图像雅可比伪逆矩阵，具体形式为：

式中：k_x,k_y,u₀,v₀为步骤一工业相机标定的有关参数，z_c为图像深度信息；

根据相机坐标系的建立规则，可知(v_cx,v_cy,v_cz)^T即为管片拼装机回转机构、平移机构、提升机构期望速度；(w_cx,w_cy,w_cz)^T为管片拼装机微调机构俯仰、平摇、横移的期望速度；

步骤六，计算平移、提升和回转机构当前速度与期望速度误差值；

计算平移机构、提升机构和回转机构当前速度与期望速度误差值β，通过PID控制算法得到平移油缸、提升油缸、回转伺服电机控制量，使管片进行初次定位，到达期望位置附近；

以平移机构为例，设当前速度为v_x，误差值β定义为：

β＝v_x-v_cx (9)

采用PID控制算法的平移油缸控制量：

式中：k_p，k_i，k_d为控制增益参数，根据系统参数设计；

根据上述方法，同理可得到提升油缸以及回转伺服电机控制量；

步骤七，初次定位后，计算微调机构俯仰、平摇、横移期望速度，

再次计算初次定位后，待拼装管片当前位置四个角点A_i(u_Ai,v_Ai)与期望位置的四个角点d_i(u_di,v_di)的偏差值e；采用四特征点下基于图像的视觉伺服算法得到管片拼装机微调机构俯仰、平摇、横移的期望速度，计算方法同步骤五；

步骤八，计算微调机构当前速度与期望速度；

通过PID控制算法得到偏转油缸、微调油缸控制量，计算方法同步骤六，使管片进行微调定位，到达期望位置；当待拼装管片的四个角点(u_Ai,v_Ai)与期望位置(u_di,v_di)按照位置对应关系重合时，完成待拼装管片的安装；

按照上述步骤，重复步骤五到八，直至完成一环管片的自动拼装。