基于视觉传感器系统的管道车辆纠偏方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于视觉传感器系统的管道车辆纠偏方法。其步骤为：对相机和结构光进行标定，得到相机内参数以及光平面参数；对采集的图像进行高斯平滑，去除噪声干扰；利用阈值分割对高斯平滑后的图像进行前景图像提取；通过形态学分析和轮廓大小特征去除光条纹附近的杂点；对得到的光条纹进行去畸变，分别计算两个光条纹所有点在相机坐标系下的三维点坐标；通过得到的三维点坐标计算车体的偏差信息；根据得到的偏差信息对车体进行在线实时纠偏，不断消除位姿偏差，将车体纠正道管道的中心线上。本发明专利技术克服了实际管道中缺乏道路信息以及无标志点机器车体无法进行直线行走的困难，检测速度快，可以实现实时导航控制，具有较高的检测精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及车式机器人控制领域，具体的说是一种面向输电线路巡检应用的无人直升机地面控制系统。
技术介绍
管道作为一种重要的传输媒介在很多方面发挥着越来越重要的作用。由于管道较窄，在恶劣的环境下有效地对管道进行除尘、清洗在预防安全事故、减少环境污染以及避免经济损失等方面具有重要的价值。然而维持车体的直线行驶是车体进入管道的基本要求，也是有效除尘以及清洗的重要保证。针对方式管道，车辆在进入管道以及行走过程中不可避免地存在跑偏问题，为了避免车辆与管道内壁发生不必要的碰撞，导致管道以及车体零部件受损，将车体与管道中心线保持高度的重合性尤为重要。然而当前方法的处理方式主要是解决有明显管道道路信息以及标记信息的情况，对于缺少道路信息以及反光较严重的特殊管道，现有方法无法解决。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于视觉传感器系统的管道车辆纠偏方法，实现车式机器人在管道中直线行走本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于视觉传感器系统的管道车辆纠偏方法，包括以下步骤：将两个线结构光传感器平行放置于相机两侧，垂直于车体中轴，安装在车体一侧；用圆形标定板标定相机的内参数和线结构光传感器的光平面参数；利用相机对图像进行采集以及数字化存储，对采集到的图像进行处理，得到去除噪声和干扰的感兴趣区域图像；将感兴趣区域图像的二值轮廓中所有非零点图像像素坐标值按横坐标区分为两组非零点，去畸变，并将其转换到相机坐标系下；分别对区分后的两组非零点的三维点坐标值求取平均值，得到相应的两个点的坐标值；车体在管道中运行过程中，实时计算车体的偏移角度以及偏移量，并将偏移角度以及偏移量转换到舵机中心点坐标系上；同时，将车体的姿态进行在线反馈，进行姿态补偿，不断消除位姿偏差以使车体与管道中心线保持重合。所述对采集到的图像进行处理包括以下步骤：对采集的图像进行高斯平滑处理；将平滑后的图像进行全局阈值分割，即对整幅图像使用同一阈值做分割处理，提取出感兴趣的前景光条纹区域；对分割后的图像做两次腐蚀操作，去除前景光条纹区域边缘的杂点，进而提取图像中的轮廓，去除轮廓区域面积较大和较小的区域。所述将感兴趣区域图像的二值轮廓中所有非零点图像像素坐标值进行区分，去畸变，并将其转换到相机坐标系下，包括以下步骤：令Pi(x,y)是二值化图像后的非零点，其中i＝1,2,3…W，W表示点数，x,y表示像素坐标值；遍历所有的非零点，如果x＞width/2，其中，width表示图像宽度，则将该非零点作为相机右侧结构光传感器发射到管道壁上的点；如果x＜width/2，将该非零点作为相机左侧结构光传感器发射到管道壁上的点；利用相机内参数对图像进行去畸变，并转换到图像的物理坐标系下，然后通过标定好的两组光平面参数将结构光传感器发射到管道壁上的点转换到相机坐标系下；将Pr经转换后的点记为Pri(x,y,z)，i＝1,2,3…m，Pl经转换后的点记为Pli(x,y,z)，i＝1,2,3…n，按照下式求取点prp和plp：prpx=Σi=1mPrixm,prpy=0,prpz=Σi=1mPrizm---(1)]]>plpx=Σi=1nPlixn,prpy=0,prpz=Σi=1nPlizn---(2)]]>其中，prpx,prpy,prpz是点prp的坐标值，Prix,Priz分别是Pri的x,z坐标值，plpx,plpy,plpz是点plp的坐标值，Plix,Pliz分别是Pli的x,z坐标值。所述车体的偏移角度以及偏移量通过下式计算：θ=(P1z-P2z)(P1x-P2x)P1x≠P2xθ=0P1x=P2x---(3)]]>d=(P2z+|P2x|*tanθ1)*cosθ1-LP1z>P2zd=(P1z+|P1x|*tanθ1)*cosθ1-LP1z<P2z---(4)]]>其中，θ是相机坐标系下车体偏转角，P1x,P1z分别是相机右侧线结构光平均x和z坐标值，P2x,P2z分别是相机左侧线结构光平均x和z坐标值，d是相机光心位置处距基准位置的偏移量，L是车体在管道中心线基准位置处相机光心离管道壁的距离。所述将偏移角度以及偏移量转换到舵机中心点坐标系上，具体为：θ2＝θ1(5)d2＝d+m*sinθ2+n*(cosθ2-1)(6)其中，d2是以舵机中心点为参考点的偏移量，m是舵机的中心点离相机中心点的纵向距离，θ2是以舵机中心点为参考点的车体偏移角度，n是舵机的中心点离相机中心点的横向距离。所述将车体的姿态进行在线反馈，进行姿态补偿，包括以下步骤：对车体的姿态进行检测，获得当前时刻i的偏差信息di,θi；通过驱动电机的反馈信息及内存的存储信息获得此时的速度信息与舵角信息μi,φi；将上述信息作为控制的输入量，利用纠偏控制算法得到为消除上述偏差信息舵机需要转过的角度信息φi+1，利用公式(7)计算舵角信息对应的脉冲宽度，控制舵机以实现一次纠偏流程；pwi＝(((90-φi)/180)*2+0.5)*1000+50(7)其中φi是舵角大小，pwi是舵角大小对应的脉冲宽度；通过实时闭环控制，在有限时间内使得θ→0,d→0，不断消除位姿偏差以使车体与管道中心线保持重合。本专利技术具有以下优点及有益效果：(1)本专利技术所述的车辆纠偏方法采用一个相机和两个线结构光进行特殊组合形成视觉传感器系统，成本低。(2)本专利技术所述的车辆纠偏方法利用视觉传感器系统进行导航，对管道有无道路信息没有要求，仅需要将车体放置于方形管道中，车体即可沿直线行走，避免车体和管道壁进行碰撞，避免损坏车体以及管道壁。(3)本专利技术所述的车辆纠偏方法采用了有效的图像处理技术，可以将车体的姿态实时反馈给控制系统，便于车体进行及时纠偏，因此车体在行驶过程中不会有较大的偏移，操作速度较快，节省了操作时间。附图说明图1为本专利技术流程图；图2为车体导航示意图；图3为视觉控制对于车体偏移量以及偏移角度的影响示意图；图4为车体前进中的视觉导航控制曲线图；图5为车体后退中的视觉导航控制曲线图；图6为车体前进和后退中的视觉导航控制曲线图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。采用结合一个相机和两个线结构光的视觉测量技术，标定相机内参数以及线结构光光平面参数，然后利用相机实时采集管道内壁图像，对采集的图像进行阈值分割、形态学分析等一系列图像处理技术，根据车辆行驶过程中跑偏定义，对车体的姿态(偏移量和偏移角度)进行测量，进而对车体进行动力学分析，利用有效的控制算法将车辆实时纠正到准确的基准位置，以避免车体与管道内壁发生不必要的接触。该系统检测速度快、精度高，能满足车辆在管道中进行直线行走的要求。参照附图1和2，本专利技术所述基于视觉传感器系统的管道车辆纠偏方法的具体步骤如下：步骤1：设计视觉传感器系统，将两个线结构光平行放置于相机两侧，垂直于车体中轴，安装在车体一侧；步骤2：用100mm*80mm规格的圆形标定板标定相机的内参数和结构光的光平面参数；步骤3：利用相机对图像进行采集以及数字本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视觉传感器系统的管道车辆纠偏方法，其特征在于，包括以下步骤：将两个线结构光传感器平行放置于相机两侧，垂直于车体中轴，安装在车体一侧；用圆形标定板标定相机的内参数和线结构光传感器的光平面参数；利用相机对图像进行采集以及数字化存储，对采集到的图像进行处理，得到去除噪声和干扰的感兴趣区域图像；将感兴趣区域图像的二值轮廓中所有非零点图像像素坐标值按横坐标区分为两组非零点，去畸变，并将其转换到相机坐标系下；分别对区分后的两组非零点的三维点坐标值求取平均值，得到相应的两个点的坐标值；车体在管道中运行过程中，实时计算车体的偏移角度以及偏移量，并将偏移角度以及偏移量转换到舵机中心点坐标系上；同时，将车体的姿态进行在线反馈，进行姿态补偿，不断消除位姿偏差以使车体与管道中心线保持重合。

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉传感器系统的管道车辆纠偏方法，其特征在于，包括以下步骤：将两个线结构光传感器平行放置于相机两侧，垂直于车体中轴，安装在车体一侧；用圆形标定板标定相机的内参数和线结构光传感器的光平面参数；利用相机对图像进行采集以及数字化存储，对采集到的图像进行处理，得到去除噪声和干扰的感兴趣区域图像；将感兴趣区域图像的二值轮廓中所有非零点图像像素坐标值按横坐标区分为两组非零点，去畸变，并将其转换到相机坐标系下；分别对区分后的两组非零点的三维点坐标值求取平均值，得到相应的两个点的坐标值；车体在管道中运行过程中，实时计算车体的偏移角度以及偏移量，并将偏移角度以及偏移量转换到舵机中心点坐标系上；同时，将车体的姿态进行在线反馈，进行姿态补偿，不断消除位姿偏差以使车体与管道中心线保持重合。2.根据权利要求1所述的基于视觉传感器系统的管道车辆纠偏方法，其特征在于，所述对采集到的图像进行处理包括以下步骤：对采集的图像进行高斯平滑处理；将平滑后的图像进行全局阈值分割，即对整幅图像使用同一阈值做分割处理，提取出感兴趣的前景光条纹区域；对分割后的图像做两次腐蚀操作，去除前景光条纹区域边缘的杂点，进而提取图像中的轮廓，去除轮廓区域面积较大和较小的区域。3.根据权利要求1所述的基于视觉传感器系统的管道车辆纠偏方法，其特征在于，所述将感兴趣区域图像的二值轮廓中所有非零点图像像素坐标值进行区分，去畸变，并将其转换到相机坐标系下，包括以下步骤：令Pi(x,y)是二值化图像后的非零点，其中i＝1,2,3…W，W表示点数，x,y表示像素坐标值；遍历所有的非零点，如果x＞width/2，其中，width表示图像宽度，则将该非零点作为相机右侧结构光传感器发射到管道壁上的点；如果x＜width/2，将该非零点作为相机左侧结构光传感器发射到管道壁上的点；利用相机内参数对图像进行去畸变，并转换到图像的物理坐标系下，然后通过标定好的两组光平面参数将结构光传感器发射到管道壁上的点转换到相机坐标系下；将Pr经转换后的点记为Pri(x,y,z)，i＝1,2,3…m，Pl经转换后的点记为Pli(x,y,z)，i＝1,2,3…n，按照下式求取点prp和plp：prpx=Σi=1mPrixm.prpy=0,prpz=Σi=1mPrizm---(1)]]>plpx=Σi=1nPlixn...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵吉宾，陈月玲，齐智峰，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21