仿人多自由度立体双目视觉装置
专利汇可以提供仿人多自由度立体双目视觉装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种仿人多 自由度 立体 双目视觉 装置，包括双目视觉机械部分和电气控制部分，双目视觉机械部分包括底座、控制箱、 水 平旋转 电机 及减速箱、水平 支架 、 俯仰 旋转电机、摄像机连接架、聚散度调整电机和摄像机，水平旋转电机位于控制箱上方，水平支架与水平旋转电机相连，俯仰旋转电机固定于水平支架上，摄像机连接架与俯仰旋转电机相连，左右聚散度调整电机固定于摄像机连接架底座并与左右摄像机相连，电气控制部分通过摄像机的控制、视频 信号 接口 及控制箱与双目视觉机械部分相连。本发明具有仿人智能性、高 精度 的伺服控制性能、能完整地恢复环境的三维信息等特点，适用于移动 机器人 、自主车辆的视觉导航、工业加工等领域。，下面是仿人多自由度立体双目视觉装置专利的具体信息内容。
1.一种仿人多自由度立体双目视觉装置，包括双目视觉机械部分和电气控制部分，其特征在于所述的双目视觉机械部分包括底座(1)、控制箱(2)、水平旋转电机及减速箱(8)、水平支架(4)、俯仰旋转电机(9)、摄像机连接架(5)、聚散度调整电机(10)和摄像机(6)，所述的控制箱(2)固定于底座(1)上，水平旋转电机及减速箱(8)位于控制箱(2)上方，水平支架(4)与水平旋转电机及减速箱(8)相连，俯仰旋转电机(9)固定于水平支架(4)上，摄像机连接架(5)与俯仰旋转电机(9)相连，左右两聚散度调整电机(10)固定于摄像机连接架(5)底座，左右两台摄像机(6)位于摄像机连接架(5)中并与相应的聚散度调整电机(10)相连，电气控制部分通过摄像机(6)的控制接口、视频信号接口及控制箱(2)与双目视觉机械部分相连。
2.根据权利要求1所述的仿人多自由度立体双目视觉装置，其特征在于所述的水平旋转电机及减速箱(8)输出轴上设有精密平面轴承(3)，所述水平支架(4)设于精密平面轴承(3)上方并与水平旋转电机及减速箱(8)输出轴固接；固定于水平支架(4)上的俯仰旋转电机(9)为双输出轴电机，其双输出轴分别从水平支架(4)两侧伸出，输出轴一端直接与摄像机连接架(5)固接，另一端与连接座(11)固接，所述连接座(11)固接于摄像机连接架(5)上；固定于摄像机连接架(5)底座的左右两台聚散度调整电机(10)，其输出轴上分别固接有摄像机支架(7)，左右两台摄像机(6)分别固定于摄像机支架(7)上。
3.根据权利要求1或2所述的仿人多自由度立体双目视觉装置，其特征在于所述的水平旋转电机及减速箱(8)的电机、俯仰旋转电机(9)、聚散度调整电机(10)均为精密电机，减速箱为精密行星齿轮减速箱，各电机均设有电机编码器。
4.根据权利要求3所述的仿人多自由度立体双目视觉装置，其特征在于所述的控制箱(2)中包括水平旋转电机驱动器(21)、俯仰旋转电机驱动器(22)、左、右聚散度调整电机驱动器(23)、(24)，各驱动器与相应电机连接，并与电气控制部分相连。
5.根据权利要求4所述的仿人多自由度立体双目视觉装置，其特征在于所述的电气控制部分包括：主控PC机、图像采集卡、DSP运动控制卡、摄像机控制用解码器、RS-232/485转换电路、运动控制接口、摄像机控制接口和摄像机视频信号接口，主控PC机分别与DSP运动控制卡、图像采集卡相连，并通过构成RS-485通信网络的RS-232/485转换电路与摄像机控制用解码器相连，DSP运动控制卡通过运动控制接口与控制箱(2)中的水平旋转电机驱动器(21)、俯仰旋转电机驱动器(22)、左、右聚散度调整电机驱动器(23)、(24)相连，各驱动器与相应电机连接；各电机编码器通过运动控制接口与DSP运动控制卡连接；图像采集卡与摄像机视频信号接口相连，摄像机控制用解码器与摄像机控制接口相连。
6.根据权利要求3所述的仿人多自由度立体双目视觉装置，其特征在于所述的两摄像机(6)的基线长度L为110～550mm。
仿人多自由度立体双目视觉装置
技术领域
背景技术
发明内容
本发明的技术方案是：它包括双目视觉机械部分和电气控制部分，所述的双目视觉机械部分包括底座、控制箱、水平旋转电机及减速箱、水平支架、俯仰旋转电机、摄像机连接架、聚散度调整电机和摄像机，所述的控制箱固定于底座上，水平旋转电机及减速箱位于控制箱上方，水平支架与水平旋转电机及减速箱相连，俯仰旋转电机固定于水平支架上，摄像机连接架与俯仰旋转电机相连，左右两聚散度调整电机固定于摄像机连接架底座，左右两台摄像机位于摄像机连接架中并与相应的聚散度调整电机相连，电气控制部分通过摄像机的控制接口、视频信号接口及控制箱与双目视觉机械部分相连。
作为本发明的进一步改进，所述的水平旋转电机及减速箱输出轴上设有精密平面轴承，所述的水平支架设于精密平面轴承上方并与水平旋转电机及减速箱输出轴固接；固定于水平支架上的俯仰旋转电机为双输出轴电机，其双输出轴分别从水平支架两侧伸出，输出轴一端直接与摄像机连接架固接，另一端与连接座固接，所述连接座固接于摄像机连接架上；固定于摄像机连接架底座的左右两台聚散度调整电机，其输出轴上分别固接有摄像机支架，左右两台摄像机分别固定于摄像机支架上。
所述的水平旋转电机、俯仰旋转电机、聚散度调整电机均为精密电机，减速箱为精密行星齿轮减速箱，各电机均设有电机编码器。
所述的控制箱包括水平旋转电机驱动器、俯仰旋转电机驱动器、左、右聚散度调整电机驱动器，各驱动器与相应电机连接，并与电气控制部分相连。
所述的电气控制部分包括：主控PC机、图像采集卡、DSP运动控制卡、摄像机控制用解码器、RS-232/485转换电路，运动控制接口、摄像机控制接口和摄像机视频信号接口，主控PC机分别与DSP运动控制卡、图像采集卡相连，并通过构成RS-485通信网络的RS-232/485转换电路与摄像机控制用解码器相连，DSP运动控制卡通过运动控制接口与控制箱中的电机驱动器相连，各驱动器与相应电机连接；各电机编码器通过运动控制接口与DSP运动控制卡连接；图像采集卡与摄像机的视频信号接口相连，摄像机控制用解码器与摄像机控制接口相连。
本发明的有益效果在于：本发明的双目视觉机械部分基于仿生学的特点，通过设置水平旋转电机、俯仰旋转电机和聚散度调整电机，实现摄像机的水平旋转(头部的水平摆动)、俯仰动作(头部俯仰动作)、摄像机聚散度调整(双目的会聚功能)四个自由度方向的实时独立控制运动，并且通过计算机控制系统实现各运动部分快速、动态的交互调整，实现了人的眼睛和头部的机械运动功能，即具有多自由度的仿人智能性。
本发明采用的电机均为带编码器的精密电机。本发明的电气控制部分是由主控PC机通过与摄像机相连的图像采集卡采集立体图像信息，根据场景目标信息和人类视觉系统特点，实时控制调整双目视觉机械部分的水平、俯仰旋转和左右摄像机聚散度。主控PC机根据实时需要，发送控制命令到DSP运动控制卡，通过运动控制接口，启动控制箱中相应的电机驱动器，发送控制信号，驱动相应电机运转，电机编码器又实时将电机运动行程发送至主控PC机，主控PC机将期望运动行程与电机编码器反馈信息实时比较，实时调整电机控制指令，实现了各自由度的闭环控制，有力保证了本发明的高精密伺服控制性能。
本发明采用两台摄像机同时成像来获取空间物体的三维信息，其工作原理是：某一空间点在左右两个摄像机平面的投影分别与相应摄像机光心的联线在空间必相交于唯一点，即上述空间点。我们通过求出两摄像机对应图像平面对应点的坐标差值(视差)，借助两摄像机之间的距离(基线长度)和摄像机标定技术既可以恢复空间点的三维空间表示。在实际处理过程中利用左右摄像机对对场景物体或目标进行同时拍照，得到同一物体不同角度的两幅图片，通过主控PC机实现左右图像中对应点的匹配，根据对应图像点在相应图像坐标系中的坐标差值(视差)，得到空间物体的视差图，然后根据摄像机标定技术(从摄像机图像坐标系到空间坐标系之间的映射技术)和三维空间的重建技术实现场景目标(在两幅图像中具有重叠部分的空间物体)的空间三维信息重现，由此获取的三维信息是最为完整的。
本发明为移动机器人、自主车辆的视觉导航、工业加工等应用领域提供了一种获取三维环境信息的有效解决手段，为提高其自动化和智能化水平提供了一种有效途径。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；图2为本发明实施例双目视觉机械部分的结构示意剖视图；图3为本发明电气控制部分的结构方框图；图4为本发明用于机器人视觉导航系统的示意图。
图中各标号表示：1、底座，2、控制箱，3、精密平面轴承，4、水平支架，5、摄像机连接架，6、摄像机，7、摄像机支架，8、水平旋转电机及减速箱，9、俯仰旋转电机，10、聚散度调整电机，11、连接座，21水平旋转电机驱动器，22、俯仰旋转电机驱动器，23、24聚散度调整电机驱动器。
具体实施方式
本发明的水平旋转电机及减速箱8的电机、俯仰旋转电机9、聚散度调整电机10，均为精密电机，减速箱为精密行星齿轮减速箱，各电机均设有编码器，各编码器实时检测各相应电机实际运动行程。
如图3所示，控制箱2中包括水平旋转电机驱动器21、俯仰旋转电机驱动器22、左、右聚散度调整电机驱动器23、24，各驱动器与相应电机相接，并通过运动控制接口与DSP运动控制卡相连。
如图3所示，本发明的电气控制部分包括：主控PC机、图像采集卡、DSP运动控制卡、摄像机控制用解码器、RS-232/485转换电路，运动控制接口、摄像机控制接口和摄像机视频信号接口，主控PC机分别与DSP运动控制卡、图像采集卡相连，并通过构成RS-485通信网络的RS-232/485转换电路与摄像机控制用解码器相连，DSP运动控制卡通过运动控制接口与控制箱2中的各电机驱动器21、22、23、24相连，各电机驱动器与相应电机8、9、10连接，各电机编码器通过运动控制接口与DSP运动控制卡连接，实现各自由度的闭环控制回路；保证了本发明的高精密伺服控制性能。图像采集卡与摄像机视频信号接口相连，摄像机控制用解码器与摄像机控制接口相连。
本发明工作过程为：左、右摄像机6实时采集场景目标图像，得到同一场景目标在不同视角下的立体图像对，主控PC机通过图像采集卡实时采集立体图像信息，根据场景目标信息、人类视觉系统特点和实际需要，实时调整双目视觉机械部分的俯仰、水平旋转和左右摄像机聚散度。四个自由度控制均采用基于DSP运动控制卡+高精密编码器的闭环控制方案，并且四个自由度方向运动分别采用四个电机驱动器进行独立控制。
主控PC机根据实时需要，发送控制命令到DSP运动控制卡，通过运动控制接口，启动控制箱中相应的电机驱动器，发送电机运动控制信号，驱动相应电机运转，各电机编码器实时将电机运动行程通过运动控制接口发送至主控PC，主控PC机将期望运动行程与相应电机编码器反馈信号实时比较，实时调整电机控制指令，实现各自由度的闭环控制，有力保证了本装置的高精密伺服控制性能。
当场景图像发生改变或场景目标运动时，主控PC机不仅控制四个自由度方向的运动，还可根据实际需要通过RS-232/485转换电路、左右摄像机控制用解码器对左右摄像机6的聚焦、焦距和光圈参数进行控制调节。如当场景图像光线强度发生较大变化时，调整摄像机6的光圈，使采集后图像具有良好的亮度；当场景发生较大变化时调整聚焦和焦距，从而获得较为清晰图像。具体控制过程如图3所示：主控PC机串口与RS-232/485转换电路相连，构成RS-485通信控制网络；摄像机控制用解码器通过RS-485通信控制网络实现与主控PC机的实时通信，主控PC机根据需要发送摄像机参数控制指令至解码器，解码器接受命令后通过其中的运算处理电路分别控制摄像机6的光圈、聚焦、焦距，直至满足要求。
计算机获取立体图像对后，采用立体图像匹配技术得到场景目标在立体图像对中的视差关系图，然后根据已知的基线长度和摄像机标定标技术，获取场景目标的三维信息。
如图4所示，本发明应用于移动机器人视觉导航系统中，本发明设置于移动机器人上方，并与移动机器人控制平台相接，本发明的仿人多自由度立体双目视觉装置感知机器人三维场景图像信息并进行图像处理，得到环境的三维信息，生成相应的控制信息，分别传送给移动机器人导航控制平台并反馈控制本发明的装置，实现机器人系统的导航控制。
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