自动擦窗机视觉定位系统的设计

    摘要：介绍了一种自动擦窗机中利用双视觉系统进行精确定位的方法，对视觉定位中的“十”字线发生器电路作了详细阐述，同时简要介绍了系统精确定位原理。

    关键词：自动擦窗机 视觉定位 “十”字线发生器

在高大建筑自动擦窗机的控制系统设计中，擦窗机与视擦洗单元的相对位置的确定是一个必须解决的关键技术。这个相对位置确定的过程分为两个步骤，第一步是擦窗机找到被擦先单元；第二步是擦窗机找到被擦洗单元后，精确地确定擦窗机与被擦洗单元的相对位置，为擦窗机自动擦洗提供必要的数据。在我们设计的擦窗机中，这两具步骤是通过两套视觉系统协调完成的。在擦窗机上有一个普通摄像头和一个CCD摄像头，普通摄像头的信号连接到一黑白监视器上，黑白监视器上有一个固定的白色或黑色的“十”字线，地面操作员可以通过黑白监视器手动控制擦窗机找到被擦洗单元，并能通过监视器上的“十”字线与被擦洗单元的边缘对准来初步确定擦窗机与被擦洗单元的相对位置，位置误差范围不超过50mm；然后精确定位系统开始工作，把CCD摄像头信号通过图像采集卡转换成数字信号，经过计算机处理后例能确定擦窗机与被擦洗单元的精确位置，定位误差范围不超过3mm。整个视觉系统的关键技术是“十”字线的产生和视觉系统确定位算法。下面将对“十”字线的产生进行详细阐述，并简要介绍视觉系统精确定位原理。

1 “十”字线发生器的设计

视觉监视器上的“十”字线是通过“十”字线信号发生器来实现的。该“十”字线满足如下条件：（1）“十”字线位于监视器的中央；（2）长度达到监视器边框的三分之二，线宽度为一个像素点的宽度；（3）“十”字线稳定，不闪烁变形。“十”字线信号发生器的电路原理框图如图1所示。在图1的方案中，从普通摄像头来的电视信号被同步分离，得到场同步头（V-sy）和行同步头（C-sy）两个信号。场同步头用于启动一个计数器，计数器以行同步头为计数脉冲，计数输出接入一个组合逻辑电路，当计数器计数到某一特定值时，控制电路输出一个选通脉冲，使其在规定的行（显示“十”字线的那些行）可以得到选通（称全选通脉冲）；同地，在显示“十”字的横线那一行得到另外一个选通脉冲（称中间行选通脉冲）。

“十”字线发生器的电路如图2所示。图中，LM1881是行、场同步头分离器件。它把从普通摄像头来的视频信号分离出行同步头和场同步头。在每一场中，计数器CD4040在场同步头结束时对行同步头进行计数。GAL16V8对计数输出进行译码，以判断是否应当显示“十”字。当到达规定行时，GAL16V8的SEL端将输出一全选通脉冲，选通中间行脉冲发生器和点脉冲发生器，这两个脉冲发生器是通过两片单稳态触发延时电路74HC423实现的。一旦来了个行同头来，将触发74HC423（1）的延时功能，并在其输出端Q2得到滞后于行同步头T1、宽度为T2的中间行脉冲Wide。这个脉冲被送入GAL16V8，同时触发74HC423（2），产生一个滞后于中间行脉冲T4、宽度为T3的点脉冲Narrow，经GAL16V8选择输出最终的“十”字线信号脉冲。“十”字线产生时序如图3所示。以我们选用的日本松下公司的黑白监视器为例，其扫描线为525行，采用NTSC制式，隔行扫描。因此对于整屏需扫描262次，当扫描行为131时，输出中间行脉冲，显示“十”字线的横线；从第40行开始，至220行为止，输出全选通脉冲，显示“十”字线的竖线。视频叠加电路如图4所示，Cross IN(与图2中的Cross OUT为同一信号)为“十”字线信号的输入端。输入脉冲为负极性，无“十”字时为高电平，有“十”字时在需要显示的位置加负脉冲。Cross IN为高电平时，D1导通P，1截止，输入视频信号R4、R5输出；负脉冲到来时，D1截止，P1饱和导通，P1射极电位比集电极电位高。该脉冲反向加到电视图像信号中，以达到图橡叠加的目的。

2 擦窗机的精确定位

擦窗机的精确定位算法包括图像处理算法，如图像分割、边缘提取以及坐标系间的位姿转换计算等，限于篇幅，本文对此仅作简要介绍，详细阐述见参考文献[1]。图5所示为摄像机模型，坐标系OXYZ固定在机器人上，坐标系oxyx为摄像机坐标系，xoy为像平面，w为物点，（X,Y,Z）为其在OXYZ坐标系中的坐标，c为像点，（x,y,z）为其在像平面内的坐标，wh和ch之间采用矩阵表示为：Ch=Awh；其中，wh为w的齐次坐标，ch为像点c的齐次坐标，A为从坐标系OXYZ到像oxyz的变换矩阵。反解可得物点坐标（X，Y，Z）与像点坐标（x,y,z）及物距z之间的关系。