面向大口径器件装配的三维检测与位姿估计方法研究

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题名	面向大口径器件装配的三维检测与位姿估计方法研究
作者	覃政科
答辩日期	2017-05-25
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	乔红
关键词	大口径器件装配视觉检测六自由度位姿估计视觉跟踪
英文摘要	大口径器件装配是航空航天、船舶、汽车、大科学装置等制造过程的重要环节之一，随着我国智能制造战略的推进，对大口径器件的装配质量要求越来越高，装配技术也更趋向于自动化和智能化方向发展，对装配对象和装配位置的精确三维检测和位姿估计是实现大口径器件自动化装配的重要前提。由于装配对象尺寸大、作业跨度大、精度要求高，给大口径器件装配过程的三维检测和位姿估计带来了挑战：（1）装配过程作业空间跨度大，从米级别到几十毫米级别，动态范围大；（2）装配对象尺寸大（百毫米甚至米级），而装配精度要求高（毫米或亚毫米级）。本文针对大口径器件装配过程三维检测与位姿估计存在的瓶颈问题开展研究，对于测量范围的问题，本文论将从米级到亚毫米级别的测量空间进行划分，得到远距离引导和近距离对准子问题。对于精度问题，对远距离引导提出基于链接模型与梯度方向三维模板匹配的目标检测与六自由度位姿估计方法，对近距离对准过程中提出了基于多参考点的表面跟踪方法以及基于激光位移传感器的对准方法。更详细地，本论文主要内容和贡献包括：（1）针对大口径器件装配中对三维检测与位姿估计的实时性要求，提出基于链接模型的多边形快速三维检测与位姿估计方法。在图像经过去阴影和平滑的预处理之后，提取图像中的直线段，根据线段的端点之间的几何关系选择邻边，构建链接模型，最后通过深度优先法搜索链接模型中的闭合线段搜索多边形，依据多边形顶点之间的几何关系，计算出三维空间内的平面多边形和非平面多边形的位姿。通过对大口径器件的两个同心矩形进行检测，完成对大口径器件的快速检测和位姿估计。相对于一般的匹配方法，通过直线检测方式避免了在巨大的像素空间的搜索，将检测搜索问题复杂度变换到直线段条数的数量级，达到快速检测与初步位姿估计的目的。此外，针对于大口径器件的检测和位姿估计中的去阴影问题，本文还提出一种检测阴影的方法，基于几何信息和纹理信息，以“求位姿-去阴影进行迭代”模式，去除图像中和物体有着相似的轮廓的阴影，提高器件位姿估计精度。（2）针对大口径器件装配中的远距离的实时性、高精度三维位姿估计要求，以及链接模型方法在精度上的不足，提出基于链接模型和梯度方向三维模板匹配的三维检测与位姿估计方法。基于链接模型检测图像中的所有多边形，并且通过五点交比不变量筛选出表达检测目标的多边形，快速地得到目标的初步六自由度位姿。然后通过梯度方向三维模板匹配方法获取目标精确的六自由度位姿，其中包括构建目标投影模板库，搜索最相近模板以及三维模型的动态对准。使用链接模型可以快速得到大口径器件的初步位姿，限定梯度三维模板匹配的搜索空间。使用梯度方向三维模板匹配的方法可以在达到一个很高的位姿估计精度。该方法有效利用了两者的优势，在检测速度和检测精度上达到很好的平衡，对于大口径器件的装配更加实用。（3）针对于大口径器件装配过程中的近距离连续对准问题，提出基于多参考点与单应性矩阵的表面位置跟踪方法。基于 Shi-Tomasi 角点检测方法提取图像中的参考点，并且对参考点赋予梯度方向直方图特征，基于最近邻匹配方法对参考点进行匹配，基于相邻两帧图像的单应性矩阵估计目标跟踪点。通过该跟踪方法，完成了在近距离大口径器件对准过程中的图像伺服目标点实时、准确的跟踪。为大口径器件的对准过程提供两个平移自由度以及一个旋转自由度的精确反馈。（4）在上述算法研究的基础上，针对大口径器件大范围、高精度装配任务，提出基于视觉-激光位移传感器的大口径器件三维检测、位姿估计与装配方法。通过远近两个相机和三个激光位移传感器完成对大口径器件装配过程中由远及近的测量范围的覆盖。基于三个串行装配阶段：远距离视觉引导，近距离视觉-位移传感器对准以及自动插入，完成大口器件由远及近、完全自动化的精确安装。其中，链接模型-梯度方向三维模板匹配方法保证了远距离引导的实时性与精确性。多参考点跟踪表面跟踪方法与基于激光位移传感器测量方法保证了近距离对准与插入的精确性。基于链接模型与梯度方向三维模板匹配方法检测大口径器件的基础上，为装配系统提出了一种基于期望安装位姿的相机-机器人手眼标定方法，只需要使用梯度方向三维模板匹配的方法从不同姿态对目标进行若干次检测定位，以及完成一次期望安装即可，节省标定工作量。论文的研究成果应用于大口径光学器件的自动化装配过程，为提高我国大科学装置的建设质量和效率提供了技术支撑，相关的成果也可推广应用于航空航天、汽车制造等领域。
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/14758]
专题	毕业生_博士学位论文
作者单位	中国科学院自动化研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	覃政科. 面向大口径器件装配的三维检测与位姿估计方法研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2017.