基于双目视觉的刚体自动对接系统的研究

论文摘要

刚体对接是航空航天、造船、机械、桥梁建筑等领域中常见的工程项目。在目前的对接系统中,对接工作主要靠手工操作,这种方式效率低、精度差,劳动强度大,在自动化装配中并不适用。因此本文提出了一种利用机器视觉技术来指导完成刚体自动对接的方法,该系统自动化程度高,成本低,精度高,操作方便。该技术的研究在工业自动化技术中具有一定的实际指导意义。本文的主要研究内容包括如下几个部分：1、对摄像机的标定做了一个系统的分析,利用张正友标定方法对本文的刚体对接系统进行了标定,获得了摄像机的内部参数、畸变参数和左右摄像机的相对位置关系参数。2、根据实际的刚体对接系统,分析了各种图像预处理算法,并通过实验验证了各种算法的优劣性,选用了适合本系统的算法,同时通过分析Hough变换圆心检测算法,提出了一种基于随机Hough变换的快速、高精度的圆心检测算法。3、建立了刚体对接系统中摄像机坐标系和系统世界坐标系之间的关系,利用该关系计算得到了刚体对接面中心的三维坐标,然后根据对接面中心到基准面中心的三维偏移量信息模拟实现了刚体对接面中心的自动对准。4、根据刚体自动对接系统的硬件要求,合理选择了CCD摄相机、镜头、图像采集卡及三轴运动平台,并搭建了系统硬件平台；同时结合所选的硬件和所选的图像处理算法,设计并编程实现了对接系统软件平台。经过实验验证,利用机器视觉技术来指导刚体自动对接的方法能指导完成实际应用场合中对接面为圆形的刚体的自动对接。该方法结构简单,价格低廉,对准精度为0.17mm,满足实际应用中的对准需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 概述
• 1.2 选题依据及研究现状
• 1.3 课题研究内容及论文安排
• 第2章 摄像机标定
• 2.1 摄像机常用坐标系
• 2.1.1 图像坐标系
• 2.1.2 成像平面物理坐标系
• 2.1.3 摄像机坐标系
• 2.1.4 世界坐标系
• 2.2 摄像机模型
• 2.2.1 针孔摄像机模型
• 2.2.2 摄像机的畸变模型
• 2.3 摄像机标定
• 2.3.1 立体靶标标定
• 2.3.2 平面靶标标定
• 2.4 双目立体视觉标定
• 2.5 标定实验结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 刚体对接面图像中心检测算法
• 3.1 图像预处理
• 3.1.1 图像滤波
• 3.1.2 阈值分割
• 3.1.3 边缘检测
• 3.2 Hough变换圆心检测算法
• 3.2.1 Hough变换原理
• 3.2.2 标准Hough变换圆心检测算法
• 3.2.3 随机Hough变换圆心检测算法
• 3.3 快速、高精度圆心检测算法
• 3.3.1 相关性质
• 3.3.2 改进的Hough变换圆心检测算法
• 3.3.3 亚像素圆心定位算法
• 3.4 圆心检测算法比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 刚体对接系统中心对准技术
• 4.1 刚体对接系统模型
• 4.2 对接面中心三维计算
• 4.2.1 摄像机坐标系与世界坐标系的关系
• 4.2.2 投影校正
• 4.2.3 对接面中心三维坐标计算
• 4.3 对接系统中心对准精度分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 刚体对接系统的设计与实现
• 5.1 系统硬件平台
• 5.2 系统硬件的选择
• 5.2.1 系统硬件设计要求
• 5.2.2 CCD摄像机的选择
• 5.2.3 镜头的选择
• 5.2.4 图像采集卡的选择
• 5.2.5 三轴运动平台的选择
• 5.3 软件平台的建立
• 5.3.1 系统软件设计流程
• 5.3.2 系统软件平台开发
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果