基于機器人運動過程中應對黑暗環境的光源亮度調節方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及機器人、工業現場場景視覺檢測領域，具體的說是一種基于機器人運 動過程中應對黑暗環境的光源亮度調節方法，在機器人沿著規劃的運動軌跡運動的過程 中，光源亮度自動調節以保證機器人末端相機的成像質量，避免出現圖像過暗或過亮的情 況。
【背景技術】
[0002] 在一些不適合人工作業的極端（高溫，黑暗等）工作環境中，常通過在機器人機械 臂末端固定安裝相機和LED光源，利用遙操作機械臂運動來檢測監控極端環境內部的現場 信息，為后續的維護操作提供重要信息。機械臂末端的相機成像質量對整個視覺檢測系統 至關重要，而在黑暗的環境中，由于機械臂的運動，相機和光源距離觀測物的表面的觀測距 離不是固定的，而是會發生變化，在系統對圖形采集速度有要求的情況下，相機曝光參數常 常是固定不變的，此時，如果光源亮度恒定不調節，圖像傳感器就會出現曝光不足或飽和， 導致圖像畫面過暗或過亮，失去檢測物體表面的細節信息，因此在光源的光照穩定性和均 勻性均得到保證時，光源的亮度調節成為獲取高質量原始圖像的重要因素。隨著工業自動 化程度的提高，對光源的控制不再僅僅局限于手動的設置與調節，為了在機器人運動過程 中，達到自動控制調節光源的亮度，保障相機成像質量，有必要研究一種基于機器人運動的 視覺檢測過程總應對黑暗環境的光源亮度調節方法。
【發明內容】
[0003] 針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基于機器人運動過程中應對黑 暗環境的光源亮度調節方法。
[0004] 當機器人在黑暗環境下運動的過程中，為了保證視覺檢測相機成像質量以及實現 光源亮度的自動化調節，本發明提供一種基于機器人運動過程中應對黑暗環境的光源亮度 調節方法，該方法首先通過對機器人視覺檢測系統進行標定實驗，得到光源亮度等級、圖像 亮度質量以及機器人觀測距離三者之間的數學模型，然后將此數學模型運用在機器人運動 軌跡規劃的優化過程中，從而得到與運動軌跡相對應的最優光源亮度值軌跡，從而在機器 人沿著優化的軌跡運動的過程中，光源亮度值按照優化得到的光源亮度值軌跡調節來保證 相機成像質量。
[0005] 為實現上述技術目的，本發明所采用的技術方案是：基于機器人運動過程中應對 黑暗環境的光源亮度調節方法。具體包括以下步驟：
[0006] 步驟1 :為了量化人對圖像亮度質量的主觀評價，建立圖像亮度質量評價指標A。
[0007] 步驟2 :在主要由機器人、相機、光源、光源控制器構成的機器人視覺檢測系統中， 相機和光源均安裝在機器人的末端執行器上，由于待檢測物體表面的材料屬性，光源控制 器的亮度等級范圍和觀測距離范圍的不同，需要對機器人視覺檢測系統進行標定實驗，為 建立光源亮度等級E、圖像亮度質量A以及觀測距離D三者之間的數學模型提供實驗數據。
[0008] 步驟3 :根據步驟2提供的實驗數據進行數據擬合來建立光源亮度等級E、圖像亮 度質量A以及觀測距離D之間的數學模型A=F(E，D)，其中，F(E，D)表示關于E、D的函數。
[0009] 步驟4 :將步驟3中得到的關于A，E，D之間的數學模型運用在機器人軌跡規劃的 優化過程中，建立一個時間和光源亮度最優的機器人運動軌跡優化模型
[0010] 步驟5 :通過求解步驟4中的優化模型，得到時間最短的機器人運動軌跡和與運動 軌跡相對應的最優光源亮度值軌跡。在機器人的運動過程中觀測距離變化的情況下，該光 源亮度值軌跡能保證安裝在機器人末端的相機的成像質量，不會出現圖像過暗或過亮的情 況。
[0011] 步驟6 :機器人按照步驟5得到的時間最短的機器人運動軌跡運動的同時，給光源 控制器也按照步驟5得到的與運動軌跡相對應的最優光強亮度值軌跡下發亮度調節控制 指令以遵照軌跡，從而能夠解決觀測距離變化帶來的圖像過暗或過亮的問題，保證相機在 機器人運動過程中的成像質量。
[0012] 在上述技術方案中，步驟1具體包括：為實現通過圖像亮度質量準確評價光強變 化，選擇與人類視覺相接近的HSV彩色空間進行圖像分析，將原始圖像由RGB彩色空間轉換 為HSV彩色空間后，計算圖像V分量（亮度分量）的平均灰度值作為圖像亮度質量評價指
在圖像平面的分布，u表示圖像平面像素坐標系下的橫向坐標，V表示圖像平面坐標系下的 縱向坐標。
[0013] 在上述技術方案中，步驟2具體包括：對機器人視覺檢測系統進行標定實驗，具體 過程為：
[0014] 步驟2. 1 :首先固定相機距離待檢測物體的觀測距離D，然后將光源的亮度等級范 圍劃分為K份（比如250份），改變光源亮度等級并獲取對應的圖像，計算圖像亮度質量評 價指標A。
[0015] 步驟2.2:固定某個光源亮度等級（比如130)，然后改變觀測距離D，獲取對應圖 像并計算圖像亮度質量評價指標A。
[0016] 在上述技術方案中，步驟3具體包括：建立圖像亮度質量A，光源亮度等級E，觀測 距離D三者間的數學模型A=F(E，D)，具體過程為：
[0017] 步驟3. 1 :由于A=F(E，D)是個非線性的復雜關系，為擬合的方便性與準確性，對 A=F(E，D)式子兩邊取對數InA=InF(E，D)，記為：
[0018] a=InA,e=InE,d=InD,
[0019] 得到：a=f(e,d) 〇
[0020] 步驟3. 2 :由步驟2(1)中得到的實驗數據，對各變量E，A取對數后，進行多項式線 性擬合，得到線性擬合結果a=f\(e) =Pie3+P2e2+P3e+P4;其中，fde)表示線性擬合得到的 結果即a與e之間的函數關系表達式，P1,P2,P3,P4表示函數表達式中多項式的常數系數。
[0021] 步驟3.3 :同理，由步驟2(2)中得到的實驗數據，對各變量D，A取對數后，進行多 項式線性擬合得到《 = ./4/) = 1??2+?? + /;1 ;其中，f2(d)表示線性擬合結果即a與(!的 函數關系表達式，W，允，4表示函數關系表達式中多項式的常數系數
[0022] 步驟3. 4 :綜合⑵和⑶擬合結果由下列公式
量評價指標A初值取對數后的值，e。表示光源亮度E初值取對數后的值，d。表示觀測距離D初值取對數后的值，C表示a=f(e，d)具體函數表達式中的常數項值。
[0026] 步驟3. 5 :把a=InA,e=InE,d=InD代入步驟3. 4中得到的所述a=f(e,d) 的具體表達式中可得到A=F(E,D)表達式。
[0027] 在上述技術方案中，步驟4具體包括：建立時間和光源亮度最優的機器人運動軌 跡優化模型，具體過程為：
[0028] 步驟4. 1 :設Q1,Q2,……，Qn是軌跡規劃在操作空間中經過的點序列，相應的給出 各點的理想光源亮度等級E1,E2,……，En，將操作空間中的點序列仏~Q"經過逆運動學轉 換為機械臂關節空間中的關節變量后，在相鄰給定點序列1與Q1+1對應的關節變量之間按 照三次樣條插值得到關節變量隨時間變化的三次多項式函數表達式S1 (t) =cl4t3+cl3t2+cl2 t+cu，其中，i= 1，2,......，n;ci4,ci3,ci2,Cil表示多項式函數表達式的常數系數，t表示經 過相鄰給定點序列％與Q1+1的時間間隔；
[0029] 同理，在相鄰給定點序列％與Q1+1所對應的E1與E1+1之間利用三次樣條插值得到 光源亮度等級隨時間變化的三次多項式函數表達SE1U) =Ai4t3+Ai3t2+Ai2t+AU，其中 i=I, 2,......,n;Ai4，Ai3，Ai2，Au表示多項式函數表達式的常數系數，t表示經過相鄰 給定點序列％與Q1+1的時間間隔。
[0030] 步驟4. 2 :設定優化模型的兩個目標函數，
[0032] Ii1表示經過相鄰給定點序列的時間間隔，AA表示在采樣時間T內圖像亮度質量 指標A的改變量。minT表示求最小值運算符號，E(t+T)表示t+T時刻的光源亮度值，D(t+T) 表示t+T時刻的觀測距離，E(t)表示t時刻的光源亮度值，D(t)表示t時刻的觀測距離；
[0033]步驟4. 3:給定優化目標函數的約束條件：