基于多特征融合的客机充电插座识别定位对接系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了基于多特征融合的客机充电插座识别定位对接系统与方法，通过对传统模板匹配方法进行改进，使其能适应大范围、尺度变化情况下充电插座图像的模板匹配；其次，建立待对接的充电插座与机械臂末端插座的运动耦合关系，利用二次非线性动态规划法得到最优的位置和姿态偏差调整系数，实现快速地对接充电插座的目的。本发明专利技术提高了视觉识别效率、定位和轨迹控制的精度，同时也提高了对接目标的效率，可广泛应用于机器人视觉测量和控制领域。

【技术实现步骤摘要】
基于多特征融合的客机充电插座识别定位对接系统与方法
本专利技术涉及视觉测量和机械臂控制领域，具体涉及基于多特征融合的客机充电插座自主识别、定位与对接系统与方法。技术背景随着民用客机行业的飞速发展，如何提高客机的飞行效率，一个很重要的技术就是开发客机的智能自主充电技术。由于客机充电插座容易受光线干扰，而充电插座很容易反光，这给插座的识别和图像处理带来加大的困难。此外，充电装置执行对充电插座识别时是在大范围的机场，很难快速找到和对接充电插座，这给插座的识别、定位和对接效率提出更高的要求。传统的针对新能源汽车的充电技术是将圆形的插头作为视觉识别的对象，通过空间圆与投影椭圆锥的映射关系，求得圆形充电柱的位置和法向量信息。首先，从多个圆柱中找到特定的圆柱，通过图像识别里面的剔除机制是很困难的。齐次，传统基于圆柱体定位的方法只能解决单个圆柱的位置和法向量求解问题，而单纯依靠法向量很难解决包含有多个圆柱体的客机充电插座的对准问题。因此，想要对航空客机的充电插座进行有效识别，需要考虑大空间下的图像分割，同时需要对充电插座的三维姿态进行测量，而不单纯是2维的法向量。此外，如何通过机械臂快速地对接空间充电插座是一个非常有意义的热门话题。传统的研究大都只考虑点对点的对接策略，对接效率低，对接能力差。为了提高客机充电插座的识别和对接速度同时又兼顾定位精度，因此该技术有必要进行改进。
技术实现思路
鉴于现有技术的缺陷，本专利技术旨在于提供基于多特征融合的客机充电插座识别定位对接系统与方法，通过本专利技术高了视觉识别效率、定位和轨迹控制的精度，同时也提高了对接的效率，可广泛应用于机器人视觉测量和控制领域。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下，基于多特征融合的客机充电插座识别定位对接系统，包括与所述客机充电插座插接的机械臂，所述系统包括：图像处理单元，用于执行对充电插座图像进行改进型模板匹配，提取出目标插座的局部有效图像，并通过边缘直线几何约束找到4个端点；位姿求解单元，用于执行4个端点的位姿解算任务，进而得到插座参考原点在相机系下的齐次变换矩阵；数据采集单元，用于执行步骤获取机械臂末端插头与插座对接参考点的相对位姿偏差；对接判断单元，用于执行步骤根据上述所得相对位姿偏差，判断是否满足对接条件；轨迹控制单元，根据所述相对位姿偏差，获得机械臂末端充电插头期望线速度及角速度。需要说明的是，本专利技术中的客机插座指的是对客机整机蓄电池充电的插座，位于客机外面，而非机舱内的插座。优选的，所述轨迹控制单元在获得机械臂末端期望的关节的角速度后，驱动所述机械臂的各个关节的运动，完成对所述充电插座的对接任务。本专利技术还提供基于多特征融合的客机充电插座识别定位对接系统的方法，所述方法包括以下步骤：S1根据不同距离、不同方向插座端口图像制作模板图像，通过对模板图像与真实插座图像的相似度对模板图像进行优化，得到使得对应直线欧拉距离最小的最优模板图像；S2根据模板图像对真实插座图像进行改进型模板匹配，提取充电端口有效图像，并通过直线约束找到4个端点像素坐标，并通过4个点的共面性和3-D空间相对关系已知的约束，求得插座参考坐标系在相机系下的关系；S3根据上述视觉测量结果，结合充电机械臂的正运动学关系，计算机械臂末端充电插头相对于插座对接参考点的相对位姿偏差；S4根据上述所得相对位姿偏差，比较实际位姿偏差与对接位姿容错阈值的关系，判断是否满足对接条件；S5若满足，则对充电插座进行对接；若不满足，进行下一步；S6若未能进行对接，则根据所述相对位姿偏差，获得充电插头期望的线速度及角速度；S7根据规划速度与机械臂雅可比矩阵的关系以及关节与机械臂末端最大速度的约束关系建立目标优化方程；S8根据上述求得的目标约束方程，利用动态二次规划方法求得使目标函数取最小值时期望的关节角速度；S9驱动机械臂各个关节的运动，完成对充电插座的对接任务。需要说明的是，对机械臂的关节角和末端速度进行限制，即构成不等式约束方程在运动耦合关系下，得到充电机械臂对接充电插座的等式约束方程使得机械臂快速对接充电插座的运动约束关系可表示为：其中，为t时刻关节i的关节角速度；Jg(i)表示充电机械臂雅克比矩阵的第i行；表示关节角速度；λv为速度的权值系数；vlim,ωlim分别表示机械臂的最大关节角速度、末端最大线速度与角速度。需要说明的是，机械臂快速对接充电插座的多目标优化方程为：其中，Δret为充电口插座参考坐标系圆点与机械臂末端充电插头的相对位姿偏差，对应的姿态偏差欧拉角。本专利技术的有益效果在于，有效地解决了客机智能快速充电的问题。通过对传统模板匹配方法进行改进，使其能适应大范围、尺度变化情况下充电插座图像的模板匹配。根据模板匹配找到充电插座局部图像，再对该图像进行直线提取，找到充电插座边缘的4个端点，其4个端点的排序通过充电插座内6个圆柱体在像平面内的椭圆大小进行排序。根据排序结果得到已知相对排布规律的4个顶点，再根据4点定位方法求得客机插座参考点在相机坐标系下的相对位置和姿态。进而实现对客机充电插座的自主识别和定位。建立待对接的充电插座与机械臂末端插头的运动耦合关系，利用非线性二次动态规划法得到最优的位置和姿态偏差调整系数，实现快速地对接充电插座的目的。附图说明图1是本专利技术一实施例的机械臂快速对接充电插座的轨迹规划流程图；图2是本专利技术一实施例的插座定位示意图；图3是本专利技术一实施例的充电插座对接系统的组成图。具体实施例以下将结合附图对本专利技术作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围并不限于本实施例。本专利技术为一种基于多特征融合的客机充电插座识别定位对接系统，包括与所述客机充电插座插接的机械臂，所述系统包括：图像处理单元，用于执行对充电插座图像进行改进型模板匹配，提取出目标插座的局部有效图像，并通过边缘直线几何约束找到4个端点；位姿求解单元，用于执行4个端点的位姿解算任务，进而得到插座参考原点在相机系下的齐次变换矩阵；数据采集单元，用于执行步骤获取机械臂末端插头与插座对接参考点的相对位姿偏差；对接判断单元，用于执行步骤根据上述所得相对位姿偏差，判断是否满足对接条件；轨迹控制单元，根据所述相对位姿偏差，获得机械臂末端充电插头期望线速度及角速度。优选的，所述轨迹控制单元在获得机械臂末端期望的关节的角速度后，驱动所述机械臂的各个关节的运动，完成对所述充电插座的对接任务。本专利技术还提供基于多特征融合的客机充电插座识别定位对接系统的方法，所述方法包括以下步骤：S1根据不同距离、不同方向插座端口图像制作模板图像，通过对模板图像与真实插座图像的相似度对模板图像进行优化，得到使得对应直线欧拉距离最小的最优模板图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多特征融合的客机充电插座识别定位对接系统，包括与所述客机充电插座插接的机械臂，其特征在于，所述系统包括：/n图像处理单元，用于执行对充电插座图像进行改进型模板匹配，提取出目标插座的局部有效图像，并通过边缘直线几何约束找到4个端点；/n位姿求解单元，用于执行4个端点的位姿解算任务，进而得到插座参考原点在相机系下的齐次变换矩阵；/n数据采集单元，用于执行步骤获取机械臂末端插头与插座对接参考点的相对位姿偏差；/n对接判断单元，用于执行步骤根据上述所得相对位姿偏差，判断是否满足对接条件；/n轨迹控制单元，根据所述相对位姿偏差，获得机械臂末端充电插头期望线速度及角速度。/n

【技术特征摘要】
1.基于多特征融合的客机充电插座识别定位对接系统，包括与所述客机充电插座插接的机械臂，其特征在于，所述系统包括：
图像处理单元，用于执行对充电插座图像进行改进型模板匹配，提取出目标插座的局部有效图像，并通过边缘直线几何约束找到4个端点；
位姿求解单元，用于执行4个端点的位姿解算任务，进而得到插座参考原点在相机系下的齐次变换矩阵；
数据采集单元，用于执行步骤获取机械臂末端插头与插座对接参考点的相对位姿偏差；
对接判断单元，用于执行步骤根据上述所得相对位姿偏差，判断是否满足对接条件；
轨迹控制单元，根据所述相对位姿偏差，获得机械臂末端充电插头期望线速度及角速度。


2.根据权利要求1所述的基于多特征融合的客机充电插座自主识别、定位与对接系统，其特征在于，所述轨迹控制单元在获得机械臂末端期望的关节的角速度后，驱动所述机械臂的各个关节的运动，完成对所述充电插座的对接任务。


3.一种实现如权利要求1所述的基于多特征融合的客机充电插座识别定位对接系统的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1根据不同距离、不同方向插座端口图像制作模板图像，通过对模板图像与真实插座图像的相似度对模板图像进行优化，得到使得对应直线欧拉距离最小的最优模板图像；
S2根据模板图像对真实插座图像进行改进型模板匹配，提取充电端口有效图像，并通过直线约束找到4个端点像素坐标，并通过4个点的共面性和3-D空间相对关系已知的约束，求得插座参考坐标系在相机系下的关系；
S3根据上述视觉测量结果，结合充电机械臂的正运动学关...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭东清，杨柳，向佳佳，
申请(专利权)人：深圳市华艺鑫电子有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44