基于改进CVFH和CRH特征的随机堆放活塞位姿估计方法技术

基于改进CVFH和CRH特征的随机堆放活塞位姿估计方法，包括离线处理以及在线识别：离线处理先通过对Kinect进行离线标定，之后通过活塞的CAD模型自动渲染生成多视角点云，计算其点云特征，最后通过对点云和特征进行索引生成离线模板库；在线识别是对随机堆放的活塞进行位姿估计，首先使用标定好的Kinect对活塞点云进行采集和矫正，然后对点云进行预处理和分割，对于分割后的点云，计算其点云特征并与模板库进行初始配准，之后以该位姿为初值，通过ICP算法对点云进行精确配准，得到点云的精确位姿，对于生成的精确位姿，通过假设验证算法剔除错误匹配，最终完成活塞位姿的估计以及输出；本发明专利技术具有时间复杂度低，匹配模版获取方便，位姿估计准确率高的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于改进CVFH和CRH特征的随机堆放活塞位姿估计方法
本专利技术涉及机器视觉的物体位姿估计
，具体涉及基于改进CVFH和CRH特征的随机堆放活塞位姿估计方法。
技术介绍
在机械制造领域内，上料工序一直是较为薄弱的环节，其时间消耗较大、效率较低，而且该工序危险性较高，多数的安全事故均发生在上下料操作中。解决上料自动化的问题，对于减轻工人劳动强度、提高生产效率、实现多机床管理以及保证安全生产具有重要意义。目前，国产活塞生产线的上料工序先由人工将活塞按照要求的位姿放置，机械手再进行抓取，不能满足高效柔性加工生产线的要求。利用机器视觉算法识别工件的位姿，并引导机器人抓取工件，可省去人工环节，提高生产线的柔性，实现该目标的核心是位姿估计技术。现有的位姿估计方法存在以下一些问题：目标对象结构以及堆放形式简单，并未针对真正的工件以及完全随机的堆放进行研究以及试验，方法验证的条件较为简单，无法实现真正的工厂环境。匹配模板获取复杂，大多研究无法实现工件的CAD数字模型与传感器采集点云之间的匹配，其匹配模板一般通过人工进行采集。这种采集方式精度低、耗时长，还需要专业设备如三维旋转平台和激光扫描仪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于改进CVFH和CRH特征的随机堆放活塞位姿估计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)离线处理：离线处理只需在设备安装时进行一次，包括Kinect相机的标定以及活塞离线模版库的自动生成，具体步骤如下：1.1)对Kinect相机进行标定，并完成随机堆放活塞表面点云的采集：首先通过Kinect对标定板的彩色图像以及视差图像进行采集，之后通过彩色图像和深度图像的角点分别对彩色相机以及深度相机进行初始化标定，然后通过初始标定结果对彩色相机和深度相机的相对位姿进行求解，之后联合彩色相机和深度相机数据对标定参数和视差图畸变系数进行迭代优化，完成整个相机参数的标定；1.2)、离线模版库的构造，通过活塞的...

【技术特征摘要】
1.基于改进CVFH和CRH特征的随机堆放活塞位姿估计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)离线处理：离线处理只需在设备安装时进行一次，包括Kinect相机的标定以及活塞离线模版库的自动生成，具体步骤如下：1.1)对Kinect相机进行标定，并完成随机堆放活塞表面点云的采集：首先通过Kinect对标定板的彩色图像以及视差图像进行采集，之后通过彩色图像和深度图像的角点分别对彩色相机以及深度相机进行初始化标定，然后通过初始标定结果对彩色相机和深度相机的相对位姿进行求解，之后联合彩色相机和深度相机数据对标定参数和视差图畸变系数进行迭代优化，完成整个相机参数的标定；1.2)、离线模版库的构造，通过活塞的CAD模型自动生成离线匹配模版，具体的步骤如下：1.2.1)对待抓取的活塞进行CAD建模；1.2.2)在CAD模型外构造一正二十面体，并对正二十面体的每个三角形表面进行两次细化，在细化后的每个顶点放置虚拟相机，相机滚转轴指向中心；1.2.3)每个虚拟相机依次对CAD模型表面进行点云采样，并对采样结果进行体素化滤波，保证模板点云和匹配点云密度的一致性；1.2.4)计算每个模版点云的改进聚类视点特征直方图(ClusteredViewpointFeatureHistograms，CVFH)以及相机滚转角直方图(CameraRollHistograms，CRH)特征，对其进行层次聚类，并构造线性搜索索引；1.2.5)对点云及其对应位姿进行保存，完成离线模版的自动构建；2)在线识别：具体步骤如下：2.1)点云采集，通过Kinect对随机堆放活塞的彩色图像以及深度图像进行采集，并根据Kienct相机标定结果将其转化为具有颜色信息的点云，完成点云的采集；2.2)点云预处理；2.3)点云分割，采用改进的基于最小割的点云分割算法对活塞点云进行分割，改进算法首先将三维点云转换为二维的深度图像，通过构造的滤波模板对深度图像进行滤波，选取滤波后灰度值较大的点为前景点，实现多前景点的自动选取，以选取的每个前景点作为最小割算法的前景点进行点云分割，由此将最小割算法由交互式的半自动二分割算法扩展为全自动的多分割算法；2.4)特征计算，针对分割后的每个活塞点云，计算其改进的CVFH特征和CRH特征；改进的CVFH特征以及CRH特征，在特征原有的基础上，针对其视点位置固定以及聚类中心不稳定的缺点，通过在特征计算前对点云进行自适应的平移操作以及通过在点云最高点进行聚类选取聚类中心点的方法对其缺陷进行了改进；2.5)初始配准；2.6)精确配准，位姿的精确配准采用的是迭代最近点(IterativeClosestPoint)算法；2.7)假设验证，通过两点云之间的均方误差以及重合度两个指标进行综合验证的假设验证算法；点云间的均方误差E为ICP变换的返回值，反映了点云精匹配准确度，均方误差值越小，表示其匹配精度越高，设定均方误差的阈值为T1；定义点云间重合度C，其计算方式如下：设定搜索半径r，活塞点云为P，模板点云为Q，若点pi满足则定义其为重合点，重合度C定义为式：C＝n/N其中，n为重合点个数；N为点云P的大小；重合度值越接近1表明点云间的重合度越高以及匹配效果越好，设定重合度的阈值为T2；2.8)位姿输出，将位姿估计成功的活塞位姿进行输出，为活塞的抓取上料提供位姿估计值。2.根据权利要求1所述的基于改进CVFH和CRH特征的随机堆放活塞位姿估计方法，其特征在于：所述的步骤2.2)点云预处理，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶唐飞，贺华，郑翔，徐佳宇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61