伴随着大规模海洋开发,水下机器人在世界范围内得到了广泛应用。水下机器人作业系统决定了水下机器人的整体性能,但目前水下机械手基本不配置太多传感器,还达不到手爪的信息感知水平。要实现无缆水下机器人(自治机器人)自主地从事比较复杂的未知环境下操作,必须突破手爪信息感知中的关键难题。 图像识别技术在水下机器人中的应用是实现手爪信息感知系统的重要内容。本文以实现基于图像识别技术的水下环境目标识别定位为目标,针对水下环境的特殊情况,设计并研制成功一套基于水下 CCD 视觉传感的水下机器人手爪信息感知系统。该系统由视觉传感、图像预处理及 PUMA560 机械手、水下手爪等组成。根据系统的功能要求,在 Windows 环境下利用 VisualC++6.0 编写了水下机器人手爪信息感知系统测试软件,以实现水下环境目标识别定位要求。 采用水下 CCD 摄像头直接拍摄水下环境目标图像时,由于水下目标表面、辅助光源、水下环境的不规律扰动的干扰,及手爪移动产生的气泡影响了所摄取图像中的水下目标的清晰度,故难以获得信噪比高的水下目标图像。必须对图像首先进行滤波去噪、边缘检测或二值化等预处理,使经过处理的水下环境目标图像特征比较突出,然后才能由手爪信息感知系统进行水下环境目标的识别定位。 本文通过分析实时采集的水下环境目标图像,采用了各种不同的图像预处理方法对它进行处理。通过这些方法的比较,选定中值滤波法进行降噪处理,由自适应阈值法二值化处理后,采用小波多尺度变换进行水下环境目标边缘提取,结果保留了大多数的细节,得到了有利于水下环境目标特征提取的预处理图像。 在理论分析基于 CCD 视觉传感水下机器人手爪信息感知系统结构的基础上,采用PUMA560 作为水下手爪感知系统的驱动平台,大大提高了系统的精度,并且采用基于直接将图像坐标映射到机器人参考坐标的“黑箱”思想,无需标定水下 CCD 的内外参数,实现水下目标的识别定位,减少了实验的复杂性。通过手-眼视觉目标定位的实验表明:1)系统在 X-Y 平面上的定位误差<+1mm,在 Z 轴方向上的定位误差<+1.5mm;2)系统在与轴方向上的重复定位误差<0.2mm,在轴方向上的重复定位误差<0.8mm,考虑到 PUMA560 机械手的重复定位误差<+0.3mm。这说明了系统达到了较高的精度,满足了手爪的信息感知要求。