鄒建軍 王衛(wèi)平 孫振忠 四庫(kù)

(東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

核設(shè)施當(dāng)中的核心部件如靶體插件、慢化器和反射體插件等長(zhǎng)期運(yùn)行于高輻射區(qū)域，需要考慮輻照損傷對(duì)其壽命的影響，應(yīng)在設(shè)計(jì)中考慮常規(guī)的維護(hù)和更換［1］。由于部件材料在高輻射區(qū)域受到輻射后會(huì)引起感生放射性 (即活化)，對(duì)于那些活化或表面污染部件的維護(hù)都必須在具備防護(hù)的條件下遙控操作，避免輻射對(duì)維護(hù)人員的危害［2］。遙控維護(hù)是設(shè)備維護(hù)人員在遠(yuǎn)離維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的安全區(qū)域，通過(guò)操縱機(jī)械手 (人)或?qū)ｉT的自動(dòng)化設(shè)備在核設(shè)施的內(nèi)部開展設(shè)備監(jiān)測(cè)和維護(hù)工作［3］。過(guò)去維護(hù)過(guò)程采用全手工遙控的方式來(lái)完成，這樣導(dǎo)致工作低效且成本貴，使用遙操作需要的時(shí)間是直接操作的十到百倍，并且質(zhì)量不高［4］?；跈C(jī)器人在自動(dòng)化執(zhí)行方面的優(yōu)勢(shì)，建立自動(dòng)化的遙控維護(hù)過(guò)程是提高遙控維護(hù)水平的重要途徑。

任務(wù)空間就是機(jī)器人在執(zhí)行該任務(wù)過(guò)程中，機(jī)器人系統(tǒng)可能到達(dá)或者涉及的周圍空間區(qū)域的整體。遙控維護(hù)的任務(wù)空間的三維重建就是指遙控維護(hù)機(jī)器人系統(tǒng)檢測(cè)，分析和建立執(zhí)行任務(wù)所需要的環(huán)境幾何模型［5］。系統(tǒng)標(biāo)定就是獲得立體視覺(jué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的過(guò)程，包括攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)，兩攝像機(jī)之間的位置關(guān)系，攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)系等。標(biāo)定的結(jié)果相當(dāng)于獲得圖像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間直線的方程［6］。標(biāo)定的精確與否，直接影響了立體視覺(jué)系統(tǒng)重建的精度。

傳統(tǒng)的標(biāo)定方法需要使用精密加工的標(biāo)定塊，通過(guò)標(biāo)定塊上三維坐標(biāo)已知的點(diǎn)與其圖像點(diǎn)的對(duì)應(yīng)來(lái)計(jì)算攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。該方法可以獲得比較高的精度，但標(biāo)定過(guò)程成本較高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不適合在線標(biāo)定和無(wú)法使用標(biāo)定塊的場(chǎng)合［7］。考慮到遙控維護(hù)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化，非確定性和放射性，傳統(tǒng)的標(biāo)定方法不能滿足遙控維護(hù)任務(wù)空間三維重建的要求。

立體視覺(jué)技術(shù)是近年來(lái)新興的三維重建技術(shù)，由于其原理簡(jiǎn)單，發(fā)展成熟，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的三維重建工作［3］。針對(duì)遙控維護(hù)任務(wù)空間三維重建的特點(diǎn)，本文提出了面向遙控維護(hù)任務(wù)空間三維重建的立體視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定方法，采用平面模板的攝像機(jī)標(biāo)定算法實(shí)現(xiàn)了空間位置精度標(biāo)定，最終實(shí)現(xiàn)遙控維護(hù)任務(wù)空間三維重建工作。

1 立體視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定方法

立體視覺(jué)三維重建包括三個(gè)最基本步驟:系統(tǒng)標(biāo)定，立體匹配和深度確定。立體視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo)定首先要對(duì)攝像機(jī)的標(biāo)定。立體視覺(jué)用兩個(gè)攝像機(jī)來(lái)代替人的雙眼，由計(jì)算機(jī)來(lái)模仿人類視覺(jué)［6］。在立體視覺(jué)中，空間某點(diǎn)的三維幾何位與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的映射關(guān)系是由攝像機(jī)成像的幾何模型決定的。在大多數(shù)條件下，幾何模型的參數(shù)必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算才能得到。攝像機(jī)標(biāo)定就是獲得幾何模型參數(shù)的過(guò)程。攝像機(jī)標(biāo)定包括內(nèi)參數(shù)的標(biāo)定和外參數(shù)的標(biāo)定。內(nèi)參數(shù)的標(biāo)定是指確定攝像機(jī)內(nèi)部幾何和光學(xué)特征參數(shù)，其目的是校正攝像機(jī)的各種參數(shù)誤差，如焦距、攝像機(jī)畸變等。外參數(shù)標(biāo)定是指確定攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)某一固定坐標(biāo)系 (即世界坐標(biāo)系)的位置和姿態(tài)［7］。在遙控維護(hù)的應(yīng)用中，立體攝像機(jī)的標(biāo)定，除了對(duì)兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，還需要標(biāo)定兩個(gè)攝像機(jī)位置關(guān)系。

本文使用平面模板標(biāo)定算法對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，該算法使用制作簡(jiǎn)便的二維模板，標(biāo)定過(guò)程中只需要攝像機(jī)從不同方向拍攝平面模板的多幅圖像，攝像機(jī)與平面模板間可自由移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的參數(shù)無(wú)需已知。通過(guò)求取平面模板與每個(gè)視點(diǎn)圖像間的單應(yīng)性矩陣來(lái)計(jì)算攝像機(jī)參數(shù)。

2 攝像機(jī)的標(biāo)定

攝像機(jī)的標(biāo)定首先是選取合適的攝像機(jī)模型，攝像機(jī)模型是光學(xué)成像幾何關(guān)系的簡(jiǎn)化。一般來(lái)說(shuō)，模型中參數(shù)越多，越能真實(shí)地反應(yīng)攝像機(jī)的光學(xué)特性，但同時(shí)也造成需要標(biāo)定的攝像機(jī)參數(shù)也越多，增加了標(biāo)定過(guò)程的復(fù)雜性。本文采用了針孔攝像機(jī)模型，該模型的精度能夠達(dá)到滿足要求，而且標(biāo)定過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠滿足遙控維護(hù)的需求。

2.1 針孔攝像機(jī)成像模型

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)中，利用所拍攝的圖像來(lái)計(jì)算出三維空間中被測(cè)物體幾何參數(shù)。圖像時(shí)空間物體通過(guò)成像系統(tǒng)在像平面上的反映，即空間物體在像平面上的投影。圖像上每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度反映了空間物體表面某點(diǎn)的反射光的強(qiáng)度，而該點(diǎn)在圖像上的位置則與空間物體表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的幾何位置有關(guān)。這些位置的相互關(guān)系，由攝像機(jī)成像系統(tǒng)的幾何投影模型所決定的。三維空間中的物體到像平面的投影關(guān)系即為成像模型，理想的投影成像模型是光學(xué)中的中心投影，也成為針孔模型。針孔模型假設(shè)物體表面的反射光都經(jīng)過(guò)一個(gè)針孔而投影到像平面上，即滿足光的直線傳播條件。針孔模型主要有光心，成像面和光軸組成。小孔成像由于透光量太小，因此需要很長(zhǎng)的曝光時(shí)間，并且很難得到清晰的圖像。實(shí)際攝像系統(tǒng)都是由透鏡組成。兩種模型具有相同的成像關(guān)系，即像是物點(diǎn)和光心的連線與圖像平面的交點(diǎn)。因此，可以用針孔模型作為攝像機(jī)成像模型。

2.2 基于平面模板的攝像機(jī)標(biāo)定

目前對(duì)于攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的線性標(biāo)定方法有很多種，而基于平面模板的標(biāo)定方法簡(jiǎn)單易行，該方法只需要攝像機(jī)從不同方向拍攝平面模板的多幅圖像，攝像機(jī)與平面模板之間可自由移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的參數(shù)無(wú)需已知，通過(guò)求解平面模板與每個(gè)視點(diǎn)圖像間的單應(yīng)性矩陣來(lái)計(jì)算攝像機(jī)參數(shù)。該方法假定標(biāo)定目標(biāo)是平面的，而世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系在同一平面，這樣的話，只要標(biāo)定內(nèi)部參數(shù)，從而簡(jiǎn)化標(biāo)定。以下為標(biāo)定的關(guān)鍵算法:由于世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系在同一平面，所以在標(biāo)定平面點(diǎn)的坐標(biāo)可寫成(Xw，Yw，0)。由于Zw=0，可以得到:

若采用線性擬合方法求解這兩個(gè)等式還無(wú)法直接求出，因此，定義一個(gè)參數(shù)向量 {η}使之與標(biāo)定參數(shù)之間建立起線性關(guān)系。

這樣就把線性標(biāo)定的過(guò)程只需兩個(gè)步驟。首先對(duì)線性方程進(jìn)行求解得到每一個(gè)視角方向上的參數(shù){η}i。第二步，實(shí)際的攝像機(jī)參數(shù)如焦距和視圖中心可以通過(guò)參數(shù) {η}i求解出來(lái)。從上面的公式可以看出總共有8個(gè)η未知數(shù)，當(dāng)攝像機(jī)從同一個(gè)視角方向拍攝超過(guò)四幅以上的圖片后可以通過(guò)相應(yīng)的矩陣變換求解出這8個(gè)未知量，矩陣變換過(guò)程如下:

2.3 攝像頭相互位置標(biāo)定

在對(duì)兩個(gè)攝像分別進(jìn)行標(biāo)定以后，還需要標(biāo)定兩個(gè)攝像頭之間的位置關(guān)系。在對(duì)兩個(gè)攝像機(jī)分別進(jìn)行標(biāo)定以后，還需要標(biāo)定出兩個(gè)攝像機(jī)之間的相互位置關(guān)系。在上面的標(biāo)定過(guò)程中，認(rèn)為世界坐標(biāo)系固定在模板上，所以攝像機(jī)拍攝的每幅圖像都有外參數(shù)表示了攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的聯(lián)系。

xl=RlXW+T1; xr=R2XW+T2，消去XW得到:

Rrl=， Trl=T2－R2T1。對(duì)于拍攝的每一幅圖像都有一組［Rrl，Trl］，就可以根據(jù)上面的矩陣計(jì)算，求解去兩個(gè)攝像頭之間的位置關(guān)系。

3 遙控維護(hù)立體視覺(jué)標(biāo)定試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

雙目標(biāo)定首先要進(jìn)行單目標(biāo)定，得到左右相機(jī)的內(nèi)參數(shù)和畸變參數(shù)。并在此基礎(chǔ)上拍平板模型圖像對(duì)，賦予每個(gè)點(diǎn)相同世界坐標(biāo)，這樣可標(biāo)定得到每路相機(jī)的外參數(shù)矩陣，進(jìn)行變換可得到雙目參數(shù)(R，t)，為了得到更高的精度，可從不同的角度拍攝。

試驗(yàn)中使用安裝在三腳架視線交匯配置的兩個(gè)CCD構(gòu)成的立體視覺(jué)系統(tǒng)，放置在機(jī)器人任務(wù)工作空間以外，以便于觀察到任務(wù)空間的全景，實(shí)物如圖1所示。為了驗(yàn)證該方法的正確性，本文采用自制的平板模型進(jìn)行標(biāo)定 (如圖2所示)。標(biāo)定過(guò)程中，把平板模型擺放于不同位置，攝像機(jī)從不同的方向拍攝10幅圖像。

圖1 立體視覺(jué)系統(tǒng)

圖2 試驗(yàn)用的平板模型

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

首先對(duì)攝像機(jī)分別進(jìn)行標(biāo)定，兩個(gè)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果如下:兩攝像機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)矩陣為:R0=

并通過(guò)計(jì)算，標(biāo)定結(jié)果的平均誤差為1.5 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

提高遙控維護(hù)自動(dòng)化水平是遙控維護(hù)改進(jìn)的一項(xiàng)重要的內(nèi)容，而遙控維護(hù)環(huán)境的三維重建是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的前提和基礎(chǔ)。本文結(jié)合遙控維護(hù)的特點(diǎn)，利用立體視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遙控維護(hù)機(jī)器人任務(wù)空間精度標(biāo)定方法。最后，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提方法的可行性與實(shí)用性。

［1］Gottfried R，Bauer R，Lagerbauer B.ITER Port Handling System Design，F(xiàn)inal RePort from ITER International Team，Contract No:FU05 －CT－2002 －00071，2003.

［2］Gottfried R，Bauer R.ITER Port Handling System Design，F(xiàn)inal RePort from Intemational ITER Team，Deeember 2003，Contraet，2000.

［3］陳衛(wèi)東，蔡鶴皋，趙杰，等.主從式遙控機(jī)器人力覺(jué)臨場(chǎng)感技術(shù)的研究［J］.高技術(shù)通訊，1996，6(12):19－22.

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