一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法技术方案

一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法，属于图像处理领域。现有的机械式聚焦技术，存在变焦能力差、速度慢的问题，难以满足视觉伺服实时性要求。本发明专利技术方法为机器人机械臂末端相机安装液态镜头；多次采集获得图像时的液态镜头的电流，以及相机与目标物体之间的距离数据；确定最大锐度的图像及对应的液态镜头的电流以及相机与目标物体之间的距离数据；重复上述内容，获得多组最大锐度的电流及距离数据，建立最大锐度的电流与距离之间的关系模型，通过系统辨识方法得到模型参数；利用建立的关系模型，结合距离信息，得到液态镜头变焦所需的电流值，进而控制液态镜头进行变焦。本发明专利技术方法保证视觉伺服系统的快速聚焦，和目标物体成像清晰度。

A Fast Focusing Method for Robot Visual Servo System

A fast focusing method for robot vision servo system belongs to the field of image processing. The existing mechanical focusing technology has the problems of poor zoom ability and slow speed, and it is difficult to meet the real-time requirements of visual servo. The method of the invention is that the liquid lens is installed on the end camera of the robot manipulator; the current of the liquid lens and the distance data between the camera and the target object are collected many times when the image is acquired; the current of the maximum sharpness image and the corresponding liquid lens and the distance data between the camera and the target object are determined; the above contents are repeated to obtain the current and distance of multiple sets of maximum sharpness. The relationship model between the maximum sharpness of current and distance is established, and the model parameters are obtained by system identification method. The current value needed for zooming of liquid lens is obtained by using the established relationship model and distance information, and then the liquid lens is controlled to zoom. The method of the invention ensures the fast focusing of the visual servo system and the imaging clarity of the target object.

【技术实现步骤摘要】
一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法
本专利技术涉及一种聚焦方法，特别涉及一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法。
技术介绍
使用相机获取图像，并对图像进行处理，分析和理解，从而给机器人提供反馈信息，对机器人进行控制的技术称为视觉伺服技术。目前，随着无人工厂概念的提出与发展，视觉伺服技术在工业中使用越来越广泛。将相机安装在机器人末端的视觉伺服系统，最大特点是相机将随机器人末端一起运动，图像变化迅速。在视觉伺服系统中，图像的清晰程度决定了视觉伺服中机器人控制的稳定性和精度。因此我们需要在机器人移动过程中，相机可以实时快速变焦，获取清晰的图像，从而可以保证视觉伺服的稳定性。传统的机械式聚焦技术，通过计算图像的清晰度，改变感光片的位置，调整透镜与感光片之间距离的方法，变焦能力差，速度慢，难以满足视觉伺服实时性条件。为此，需要为相机安装在机器人末端位置的视觉伺服系统提供一种快速的自动聚焦技术，满足视觉伺服对实时性以及图像清晰度的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的机械式聚焦技术，存在变焦能力差、速度慢的问题，难以满足视觉伺服实时性要求，而提出一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法。一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法，所述方法为，首先，采集多组最大锐度下的电流，以及相机距离目标物体的距离数据；然后，建立电流与距离之间的关系模型，并通过系统辨识和参数拟合方法确定模型中的未知参数，确定最终的关系模型；最后，获得相机与目标物体间的距离数据，代入确定的最终的关系模型，反推液态镜头变焦所需要的电流值，进而控制液态镜头进行变焦。具体包括以下步骤：步骤一、将相机安装在机器人的机械臂末端，使相机能够随机械臂一起移动，并能利用相机采集目标物体图像的程度；之后为相机安装液态镜头，调节液态镜头的电流为零；步骤二、移动机器人至位形空间内的位置，多次调整电流并采集获得图像时的液态镜头的电流，以及相机与目标物体之间的距离数据；位形空间内，是指机器人进行正常目标物体拍摄工作的位置；步骤二一、将机器人移动至机械臂的位形空间内，调节机械臂末端安装的相机至可拍摄目标物体的位置，将液态镜头的电流设置为零，调节相机，使相机视野内图像清晰；步骤二二、移动机械臂，计算此时相机距离目标物体顶部表面的垂直距离；且小步长调节电流，观察锐度变化值，直到得到锐度最大时的电流，记录此时电流和距离数据；步骤二三、多次重复步骤步骤二二，获取多组电流与距离数据；步骤三、计算获得的图像的锐度，确定获得的图像中具有最大锐度的图像，并确定具有最大锐度的图像对应的液态镜头的电流以及相机与目标物体之间的距离数据；步骤四、重复步骤二和步骤三的内容，获得多组最大锐度的图像对应的液态镜头的电流以及相机与目标物体之间的距离数据，以建立确定出的最大锐度的图像对应的电流与距离之间的关系模型，通过系统辨识的方法得到模型参数；步骤四一、根据液态镜头焦距和电流关系以及透镜投影的物理定律，建立如下电流与距离关系模型公式：式中，i表示电流值，d为距离值，p、q表示待估计的常量参数；步骤四二、根据获得的电流与距离数据，对建立的电流与距离关系模型进行辨识，对参数进行拟合，确定参数p、q的数值；步骤五、利用步骤四建立的关系模型，结合得到的距离信息，即得到液态镜头变焦所需要的电流值，进而控制液态镜头进行变焦；本专利技术的有益效果为：本专利技术适用于机器人机械臂末端设置的视觉伺服系统，首先建立快速聚焦的数学模型，然后对数学模型进行拟合消除未知常量进而得到距离与电流关系式，利用距离与电流关系式，结合机器人模型得到距离信息，快速得到液态镜头变焦所需要的电流值，进而控制液态镜头进行快速变焦，实现相机快速聚焦，为视觉伺服系统提供实时清晰的图像，且能保证图像清晰度。相机快速自动聚焦时长缩短80-90％。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术涉及的伺服装置的结构示意图；图3为本专利技术涉及的锐度与清晰度关系图；图中，横坐标表示电流；纵坐标表示锐度值；图4为本专利技术涉及的建立的电流与距离模型的参数辨识拟合效果图；图中，横坐标表示距离；纵坐标表示电流；具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法，所述方法为，首先，采集多组最大锐度下的液态相机的电流，以及液态相机距离目标物体的距离数据；然后，建立电流与距离之间的关系模型，并通过系统辨识和参数拟合方法确定模型中的未知参数，确定最终的关系模型；最后，获得相机与目标物体间的距离数据，代入确定的最终的关系模型，反推液态镜头变焦所需要的电流值，进而控制液态镜头进行实时变焦。具体实施方式二：与具体实施方式一不同的是，本实施方式的一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法，如图1所示的流程图，所述方法包括以下步骤：步骤一、将相机安装在机器人的机械臂末端，使相机能够随机械臂一起移动，并能利用相机采集目标物体图像的程度；之后为相机安装液态镜头，调节液态镜头的电流为零；步骤二、移动机器人至位形空间内能进行目标物体拍摄工作的位置，多次调整电流并采集获得图像时的液态镜头的电流，以及相机与目标物体之间的距离数据；位形空间内，是指机器人进行正常目标物体拍摄工作的位置；步骤三、计算获得的图像的锐度，确定获得的图像中具有最大锐度的图像，并确定具有最大锐度的图像对应的液态镜头的电流以及相机与目标物体之间的距离数据；步骤四、重复步骤二和步骤三的内容，获得多组最大锐度的图像对应的液态镜头的电流以及相机与目标物体之间的距离数据，以建立确定出的最大锐度的图像对应的电流与距离之间的关系模型，通过系统辨识的方法得到模型参数；步骤五、利用步骤四建立的关系模型，结合通过机器人模型得到的距离信息，即快速得到液态镜头变焦所需要的电流值，进而控制液态镜头进行快速变焦，实现相机快速聚焦，为视觉伺服系统提供实时清晰的图像。具体实施方式三：与具体实施方式二不同的是，本实施方式的一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法，所述的步骤二中移动机器人至位形空间内能进行目标物体拍摄工作的位置，多次调整电流并采集获得图像时的液态镜头的电流，以及相机与目标物体之间的距离数据的过程为：步骤二一、将机器人移动至机械臂的位形空间内，调节机械臂末端安装的相机至可拍摄目标物体的位置，将液态镜头的电流设置为零，调节相机，使相机视野内图像具有较好的清晰度；步骤二二、移动机械臂，根据机器人模型计算此时相机距离目标物体顶部表面的垂直距离；且小步长调节电流，观察锐度变化值，直到得到锐度最大时的电流，记录此时电流和距离数据；步骤二三、多次重复步骤二二，获取多组电流与距离数据。具体实施方式四：与具体实施方式二或三不同的是，本实施方式的一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法，所述的步骤三中确定获得的图像中具有最大锐度的图像的过程中，其中确定最大锐度的方法为：图3显示了不同锐度下图片的清晰程度。可以看出，锐度越高，图像越清晰。构建下式的图像锐度计算方法：其中，(x,y)表示图片上的像素点的坐标；L(x,y)表示图像的锐度，I(x,y)是在图片坐标(x,y)位置处的像素值，I(i,y)表示在图片坐标(i,y)处的像素值；I(x,j)表示在图片坐标(x,j)处的像素值；i、j分别表示图像上点(i,y)和(x,j)的横、纵坐标；参数J和K是图像的高度和宽度；G本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法，其特征在于：所述方法为，首先，采集多组最大锐度下的电流，以及相机距离目标物体的距离数据；然后，建立电流与距离之间的关系模型，并通过系统辨识和参数拟合方法确定模型中的未知参数，确定最终的关系模型；最后，获得相机与目标物体间的距离数据，代入确定的最终的关系模型，反推液态镜头变焦所需要的电流值，进而控制液态镜头进行变焦。

【技术特征摘要】
1.一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法，其特征在于：所述方法为，首先，采集多组最大锐度下的电流，以及相机距离目标物体的距离数据；然后，建立电流与距离之间的关系模型，并通过系统辨识和参数拟合方法确定模型中的未知参数，确定最终的关系模型；最后，获得相机与目标物体间的距离数据，代入确定的最终的关系模型，反推液态镜头变焦所需要的电流值，进而控制液态镜头进行变焦。2.根据权利要求1所述的一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一、将相机安装在机器人的机械臂末端，使相机能够随机械臂一起移动，并能利用相机采集目标物体图像的程度；之后为相机安装液态镜头，调节液态镜头的电流为零；步骤二、移动机器人至位形空间内的位置，多次调整电流并采集获得图像时的液态镜头的电流，以及相机与目标物体之间的距离数据；位形空间内，是指机器人能够进行正常目标物体拍摄工作的位置；步骤三、计算获得的图像的锐度，确定获得的图像中具有最大锐度的图像，并确定具有最大锐度的图像对应的液态镜头的电流以及相机与目标物体之间的距离数据；步骤四、重复步骤二和步骤三的内容，获得多组最大锐度的图像对应的液态镜头的电流以及相机与目标物体之间的距离数据，以建立确定出的最大锐度的图像对应的电流与距离之间的关系模型，通过系统辨识的方法得到模型参数；步骤五、利用步骤四建立的关系模型，结合获得的距离信息，即得到液态镜头变焦所需要的电流值，进而控制液态镜头进行变焦。3.根据权利要求2所述的一种机器人视觉伺服系统的快速聚焦方法，其特征在于：所述的步骤二中移动机器人至位形空间内的位置，多次调整电流并采集获得图像时...

【专利技术属性】
技术研发人员：林伟阳，刘晨璐，李湛，佟明斯，潘惠惠，高会军，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23