基于双目视觉的轮胎温度测量机械手的研究与开发

摘要

航空轮胎性能的优劣直接影响到飞机起飞和降落的安全性。为了提高轮胎的安全性能,航空轮胎生产商迫切需要掌握轮胎内部温度的情况,以根据其改进轮胎的结构设计和材料配方。
　　近年来,随着机器人技术的飞速发展,机器人得到了广泛的应用,用来代替人类在危险的作业环境中工作。针对目前的机械手存在操作困难、作业效率低等问题,本文以测量轮胎温度为目的,设计了一种基于双目视觉的机械手。该机械手系统结合了双目立体视觉技术,使机械手能够实现自动定位,能自动完成对轮胎温度的测量,以提高机械手的智能性、作业效率以及定位的精确性。
　　本文介绍了基于双目视觉的轮胎温度测量机械手的系统的总体框架,重点研究了机械手机械结构的设计、运动学、双目立体视觉技术、控制硬件及控制仿真等,具体如下:
　　机械手机械结构方面,首先根据动态模拟试验机的工作特点,确定了轮胎温度测量机械手的各项基本参数、结构形式和驱动方式等,对机械手整体机械结构进行了完整的设计。
　　机械手运动学方面,通过推算求出了由视觉坐标系向世界坐标系转换的方法;利用机械手运动建模的 D-H方法,进行了正运动学和逆运动学的推算。其中在逆运动学推导中,利用一种简化的逆运动学算法,可以很好的简化求解过程和降低推算的复杂度。
　　机械手控制部分的双目立体视觉子模块,它是本系统重要的一部分,包括图像去噪、摄像机标定、图像匹配以及三维求距等研究内容。本文详细研究了双目立体视觉模块中图像预处理和摄像机标定的方法。以快速、准确匹配为目标,提出了一种基于点基元灰度的图像匹配算法。此算法在保证精度的前提下,能大大提高算法的实时性。此外,在考虑摄像机镜头畸变的基础上,分析了平行双目视觉系统的三维目标定位原理,用平行光轴视觉系统对目标点进行了三维定位。
　　机械手控制硬件和仿真方面,对基于 FPGA的 PCI接口的运动控制卡进行了研究设计;对本文设计的机械手进行了详细的动力学分析,并在此基础上对机械手在控制上采用了PID控制技术,通过仿真实验表明了该控制方法对轮胎温度测量机械手进行控制的有效性。

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第一章 绪论

§1.1选题背景与意义

§1.2国内外轮胎测温研究现状

§1.3机械手发展概况

§1.4机械手测量轮胎温度存在的问题

§1.5本文研究主要内容

第二章 基于双目视觉的轮胎温度测量机械手的方案设计

§2.1动态模拟试验机工作原理简述

§2.2机械手整体设计原则

§2.3机械手控制系统概述

§2.4机械手机械结构的设计

§2.5本章小结

第三章 机械手运动学分析

§3.1位姿描述和齐次变换

§3.2机械手运动学方程的D-H方法

§3.3机械手目标位置坐标转换

§3.4逆运动学求解

§3.5机械手运动学仿真

§3.6本章小结

第四章 双目立体视觉技术的研究与实现

§4.1双目立体视觉模块的研究内容

§4.2图像去噪

§4.3摄像机标定

§4.4双目系统立体匹配

§4.5三维求距

§4.6本章小结

第五章 机械手控制系统研究

§5.1机械手控制系统硬件设计

§5.2 机械手控制仿真分析

§5.3本章小结

第六章 总结与展望

§6.1论文研究总结

§6.2论文研究展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果