拼圖機(jī)器人的視覺識別系統(tǒng).pdf

1、近年來隨著傳感與智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)從工業(yè)應(yīng)用的領(lǐng)域走進(jìn)了我們的生活。競賽機(jī)器人和娛樂機(jī)器人作為機(jī)器人融入我們生活的先遣部隊，已經(jīng)成為國際上一個熱門的研究課題。機(jī)器視覺作為機(jī)器人智能化的一個重要環(huán)節(jié)，得到了國內(nèi)外機(jī)器人研究者們的廣泛重視，利用視覺傳感器獲得的信息來控制機(jī)器人的行為是當(dāng)今機(jī)器人研究的一種趨勢。由此我們受廣東東莞科技館所托，以拼圖機(jī)器人為平臺，開發(fā)了一個適合拼圖機(jī)器人特點與工作環(huán)境的視覺識別系統(tǒng)。機(jī)器人的視覺識

2、別系統(tǒng)利用采集的圖像，進(jìn)行圖像分析處理、特征提取以及智能識別，實現(xiàn)對圖像中25塊打亂拼圖模塊的識別，然后把識別結(jié)果傳輸給機(jī)器人控制器，控制機(jī)器人完成拼圖工作。 本文主要的研究內(nèi)容與研究成果如下： 1．設(shè)計了一種適用于拼圖機(jī)器人視覺識別系統(tǒng)的光源。由于要 識別25塊拼圖，所以在圖像采集過程中要求打在每塊拼圖上的光線盡量均勻，否則在光線不均勻下取得的圖像將一定程度上影響識別的準(zhǔn)確性。為了使得拼圖塊表面光照的均勻，最大

3、程度降低光照不均勻?qū)ψR別的影響，本文設(shè)計了一種由多個點光源轉(zhuǎn)化成一個面光源的光源系統(tǒng)。 2．設(shè)計了一種適應(yīng)光線變化的自動閾值分割方法。由于拼圖機(jī) 器人是一種娛樂機(jī)器人，需要放置在開放的環(huán)境下與人類比賽拼圖，供人們參觀，所以光線變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的擾動是一個不可避免的問題。眾所周知，在不同光線下的灰度圖像會有差別，從而影響圖像分割的閾值選擇。在拼圖的識別過程中，圖像的分割是一個重要的環(huán)節(jié)，直接影響拼圖的特征提取。為了提高圖像

4、分割的質(zhì)量，本文設(shè)計了一種在不同光線強(qiáng)度下系統(tǒng)自動選擇分割閾值的方法。 3．設(shè)計了一種對圖像中多塊拼圖逐個分割和特征提取的算法。要提取每塊拼圖的特征，就要在圖像中將每塊拼圖分割出來。由于拼圖顏色是沒有規(guī)律，而且要利用一幅圖像對25個對象進(jìn)行分割，實驗證明利用經(jīng)典的色塊提取和邊緣檢測等算法不是有效的方法。所以本文提出了一種基于輪廓跟蹤的拼圖分割算法。 4．設(shè)計了一種有效的去噪聲方法。具有一定厚度的拼圖塊在光線照射下產(chǎn)生的陰

5、影在圖像就表現(xiàn)為噪聲。由于有些陰影面積相對其它噪聲比較大，無法利用經(jīng)典濾波的方法濾去，所以本文采取了一種計算連通域面積的方法判斷噪聲，并且在文中給出實驗結(jié)果來證明這種方法的可行性。 5. 利用圖像幾何變化和雙線性插值相結(jié)合的算法旋轉(zhuǎn)拼圖，然后計算完全轉(zhuǎn)正拼圖塊所需的角度。 拼圖完全轉(zhuǎn)正需要的角度就是拼圖的姿態(tài)信息，由于當(dāng)拼圖轉(zhuǎn)正后還會有朝上、朝下、朝左、朝右四種姿態(tài)，必須將其完全轉(zhuǎn)正。所以本文采用了將拼圖模塊先轉(zhuǎn)正，然后從四個不

6、同的方向匹配，來判斷這四種姿態(tài)的方法，實現(xiàn)拼圖模塊完全轉(zhuǎn)正。 6．改進(jìn)了模板匹配的算法。在拼圖的識別中，拼圖號的識別是拼圖機(jī)器人視覺識別系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)之一，要求達(dá)到99.9％以上的識別準(zhǔn)確率，否則完成的拼圖將是雜亂無章的。本文在經(jīng)典模板匹配算法的基礎(chǔ)上作了一些改進(jìn)，建立了一個全局匹配的矩陣，用全局匹配的判決標(biāo)準(zhǔn)來識別拼圖號，從而使得識別準(zhǔn)確率達(dá)到99.9％以上，隨后文中對識別系統(tǒng)進(jìn)行了魯棒性分析。 7．計算機(jī)仿真拼圖

7、結(jié)果。在拼圖識別結(jié)束后，設(shè)計了一段計算機(jī)仿真拼圖的程序，本文將給出仿真結(jié)果，直觀與客觀的驗證拼圖識別的準(zhǔn)確性。 8. 設(shè)計了數(shù)據(jù)通訊協(xié)議與機(jī)器人控制的方法。識別完成后需要將識別數(shù)據(jù)傳遞給機(jī)器人控制器用于控制機(jī)器人運(yùn)動以及拿起放下拼圖塊。本文設(shè)計了一套計算機(jī)與機(jī)器人控制器間的通訊協(xié)議；然后通過控制氣泵所產(chǎn)生的負(fù)壓，利用吸盤將拼圖吸起和放下。 綜上所述，本文設(shè)計了一個適合拼圖機(jī)器人特點與工作環(huán)境的有效的、魯棒的視覺識別系統(tǒng)。