用于幕墙的定位装置、作业设备及定位方法
技术领域
本发明涉及机器视觉领域，特别是一种用于幕墙的定位装置、作业设备及定位方法。
背景技术
随着城镇化快速推进与发展，城市的高层建筑越来越多，每年仅新建玻璃幕墙约为9000万平方米，若包含铝塑等其他幕墙装饰材料，面积将更为巨大。现人们对于幕墙的美观要求以及政府对高层外墙的清洗标准，使外墙清洗、监测维护等悬挂高空作业越来越多。而目前绝大部分高空作业仍采用人工方式，随着科技进步、无人化的发展，机器取代此类人工将是必然的趋势。
若采用智能清洗机器人去完成上述工作，定位将是智能清洗机器人在工作中面临的重要问题。由于高楼幕墙的外立面存在着结构复杂、光线环境复杂、信号干扰严重等问题，导致传统的定位方式更加难以适应。以传统的GPS为例，在理想条件下精度只能精确到米，而在建筑物复杂的情况下误差将难以估计，而北斗或实时动态载波相位差分(简称RTK)等更先进的定位技术，在幕墙的复杂情况下也难以保证厘米级的定位精度。若采用传统的机器视觉或毫米波雷达也会被建筑幕墙复杂的材料特性所干扰，难以维持定位精度。若采用安装轨道等方式强行定位，轨道的安装难度、维护成本将不可估量，更会影响建筑物本身的美观以及造成不必要的安全隐患。面对幕墙清洗或检测的复杂任务，厘米级甚至毫米级定位至关重要，这也是当前类似机器人未能大量普及的重要原因。
因此，针对复杂的幕墙外立面作业设备，需要一种能够达到厘米级或毫米级的高精度定位设备，使得幕墙外立面作业设备可以精准控制其作业轨迹，让机器完成幕墙清洗、幕墙检测等工作成为可能。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种用于幕墙的定位装置、作业设备及定位方法，能够提高在幕墙上的定位精度。
本发明提供了一种用于幕墙的定位装置，幕墙包括装饰面板和用于支撑装饰面板的框架，在所述装饰面板和所述框架的边缘结合位置具有缝隙，所述定位装置包括：
处理单元；
激光发射单元，用于发射激光至幕墙，所述控制单元和所述激光发射单元通过固定板固定连接；以及
电连接的设置于所述处理单元的摄像单元，所述摄像单元包括单目摄像头；
其中，所述摄像头的朝向和激光发射器的激光的光束之间呈预设夹角，所述摄像单元用于采集被激光照射的缝隙的像素参数，所述处理单元用于根据像素参数，获得所述摄像头与幕墙之间的位置信息。
如此设置，通过激光发射单元发射激光至幕墙，且照射到幕墙的间隙，由于幕墙的间隙或者框架与装饰材料对激光的折射率不同，能够通过摄像机采集到位于缝隙位置的X轴坐标和Y轴坐标，通过控制主机内预设的多项式函数能够获得所述摄像单元相对于边框或者缝隙的位置信息，且误差能够达到厘米级，能够实现精确的定位。
在本发明的一个实施例中，所述预设夹角为0度至90度之间。
如此设置，通过所述摄像单元的朝向和激光发射器的激光的光束之间呈0度至90度之间，使得激光发射单元发射的激光处于摄像单元的视野范围内，保证了摄像单元能够读取被激光照射到的缝隙的坐标。
在本发明的一个实施例中，所述激光发射单元发射的激光为一字型或者十字型激光。
如此设置，激光为一字型或者十字型，能够实现读取到缝隙位置处的坐标，以便于定位出所述摄像单元相对于边框或者缝隙的实际距离。
在本发明的一个实施例中，所述定位装置还包括云台组件，所述云台组件电连接于所述处理单元，所述云台组件包括第一固定架和第一电机，所述第一电机的一端固定于所述第一固定架，所述第一电机的另一端固定于所述固定板，所述第一电机的轴线平行或者垂直所述摄像单元的朝向，以使得第一固定架相对于处理单元旋转运动。
如此设置，当定位装置在运行过程中产生了不必要的震动或者变化，会影响摄像单元无法垂直照射于被照物，而(单轴)云台的设置能够对角度变化进行修正，从而能够保证定位的误差在可控范围内。
在本发明的一个实施例中，所述云台组件还包括第二固定架和第二电机，所述第二电机的一端固定于所述第二固定架，另一端固定于所述第一固定架，所述第一电机的轴线垂直于所述第二电机的轴线，以使得第一固定架相对于第一固定架旋转运动。
如此设置，当作业设备自身没有平稳运行的能力时，可以配备双轴云台来对定位误差进行修正，从而能够保证定位的误差在可控范围内。
在本发明的一个实施例中，所述云台组件还包括第三固定架和第三电机，所述第三电机的一端固定于所述第二固定架，另一端固定于所述第三固定架，所述第一电机的轴线、第二电机的轴线和第三电机的轴线相互垂直，以使得第三固定架相对于第二固定架旋转运动。
如此设置，是在定位装置中配备三轴云台，以便实现当作业设备自身完全不具有平稳运行能力时，也能对幕墙和摄像单元之间的相对位置进行精确定位，能够很好地克服定位过程中出现不必要的震动或者角度变化。
本发明还提供了一种用于幕墙的定位方法，其应用于上述所述的定位装置，所述定位方法包括步骤：
调整定位装置和幕墙之间的相对关系，以使得幕墙的缝隙位于摄像单元的视野范围内，且摄像头的朝向垂直于幕墙表面；
通过激光发射单元发射激光至幕墙并使得激光能够照射到缝隙；
通过摄像单元采集被激光照射的缝隙的图像；
通过处理单元获取所述图像中的缝隙的像素参数，并根据所述像素参数获得所述摄像头与幕墙之间的相对位置信息。
在本发明的一个实施例中，所述像素参数包括与X轴方向平行的激光与缝隙相交的像素坐标(x1,y1)以及当前图像中X轴的像素范围；和/或者与Y轴平行的激光与缝隙相交的像素坐标(x2,y2)以及当前图像中的Y轴的像素范围。
在本发明的一个实施例中，在步骤通过处理单元获取所述图像中的缝隙的像素参数，并根据所述像素参数获得所述摄像头与幕墙之间的相对位置信息中，还包括步骤：
将像素坐标(x1,y1)中的y1输入至预设的第一多项式函数，以获得所述摄像单元的摄像头距离幕墙之间的距离Zd；
将所述摄像单元的摄像头距离幕墙之间的距离Zd输入至预设的第二多项式函数，获得当前X轴方向的实际宽度范围；和/或者将所述摄像单元的摄像头距离幕墙之间的距离Zd输入至预设的第三多项式函数，获得当前Y轴方向的实际宽度范围；
将根据x1所占X轴像素范围的比例乘以当前X轴方向的实际宽度范围，获得摄像头与幕墙沿X轴方向的实际距离；和或者根据y2所占Y轴像素范围的比例乘以当前Y轴方向的实际宽度范围，获得摄像头与幕墙沿Y轴方向的实际距离。
本发明还提供了一种作业设备，包括如上述所述的用于幕墙的定位装置。
附图说明
图1为本发明的定位装置的结构示意图。
图2为本发明的定位装置的爆炸示意图。
11、固定板；12、处理单元；13、摄像单元；14、激光发射单元；20、云台组件；21、第一电机；22、第一固定架；23、第二电机；24、第二固定架；25、第三电机；26、第三固定架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1和图2，为本发明提供了一种用于幕墙的定位装置，幕墙包括装饰面板用于支撑装饰面板的框架，装饰面板可以为玻璃，瓷砖等装饰材料，框架用于将装饰面板固定形成幕墙，在框架和装饰面板的配合位置会自然的形成缝隙，或者说在框架的边缘位置和装饰面板之间会形成缝隙。在通常情况下，框架和装饰面板对光的折射率是不同，相应地，在缝隙处和装饰面板的折射率也是不同的。为了便于描述和解释，这里，将框架的边缘位置或者由边缘位置与装饰面板之间形成的间隙位置统称为缝隙，本发明的定位装置用于定位定位装置和缝隙之间的相对位置，且能够达到厘米级甚至毫米级的定位精度。更进一步地，相关领域的技术人员应当理解，对于幕墙的定位是指对幕墙的外立面的定位，以便于作业设备对幕墙进行作业，例如清洗。
如图1和图2所示，该定位装置包括处理单元12；激光发射单元14，用于发射激光至幕墙，处理单元12和激光发射单元14通过固定板11固定连接；以及电连接的设置于控制单元的摄像单元13，摄像单元13包括单目摄像头；其中，摄像头的朝向和激光发射单元14的激光光束之间呈预设夹角，摄像单元13用于采集被激光照射的缝隙的图像，处理单元12获取图像中的缝隙的像素参数，并根据像素参数，获得摄像头与幕墙之间的相对位置信息。这里，像素参数包括与X轴方向平行的激光与缝隙相交的像素坐标(x1,y1)以及当前图像中X轴的像素范围；和/或者与Y轴平行的激光与缝隙相交的像素坐标(x2,y2)以及当前图像中的Y轴的像素范围等。位置信息包括摄像头距离幕墙的距离，摄像头与幕墙沿X轴方向的距离以及摄像头与幕墙沿Y轴方向的距离等。
为了方便描述，在本说明书中，设定摄像头的朝向的方向为Z轴方向，摄像头的朝向垂直与幕墙，相对于幕墙，幕墙的上下方向定位为Y轴方向，幕墙所在的左右方向定义为X轴方向。
处理单元12具有控制信号和数据处理的能力，其内还可以设置有陀螺仪，以检测定位装置的位置是否发生角度变化。摄像单元13为单目摄像头能够用于获取视野范围内被拍摄的幕墙的位置参数，位置参数可以包括某一位置的坐标信息。处理单元12能够获取到摄像单元13中拍摄的位置参数，并能够针对位置参数进行数据处理，以能够获取摄像单元13和幕墙之间的位置关系。
激光发射单元14包括激光器能够发射激光，优选地，激光发射单元14发射一字型激光或者十字型激光至幕墙，当激光器发射一字型激光时，处理单元12能够根据摄像单元13所采集的图像获取X轴或者Y轴方向上缝隙的像素坐标；当激光器发射十字型激光时，处理单元12能够根据摄像单元13所采集的图像能够同时获取X轴和Y轴方向上缝隙的像素坐标。
具体地，通过激光发射单元14的激光器发射激光至幕墙，激光会照射到幕墙的框架和装饰面板，由于框架和装饰面板之间的折射率不同，处理单元12能够获取在单目摄像头采集到的激光照射缝隙的图像中X轴和/或者Y轴处缝隙的像素坐标，这里需要说明的是，在定位过程中，需要保持摄像头的朝向和幕墙所在的外立面垂直。通过处理单元12内预设的多项式函数能够获得单目摄像头相对于幕墙的相对位置信息，且误差能够达到厘米级，能够实现精确的定位。
在本发明的一个实施例中，摄像头的朝向和激光发射单元14的激光光束之间的预设夹角为0度至90度之间。具体地，在YZ平面内，摄像单元13的朝向和激光发射器的激光的光束之间的夹角为α，夹角α的角度范围为0度至90度之间，使得激光发射单元14发射的激光处于摄像单元13的视野范围内，保证了摄像单元13能够采集被激光照射的缝隙的图像。
如图1和图2所示，定位装置还包括云台组件20，云台组件20电连接于处理单元12，云台组件20能够用于对定位装置或者具有定位装置的作业设备发生震动负责角度变化时，进行角度修正，以保证获取的误差能够在可控范围内。
云台组件20包括第一固定架22和第一电机21，第一电机21的一端固定于第一固定架22，第一电机21的另一端固定于固定板11，第一电机21的轴线平行或者垂直摄像单元13的朝向，以使得第一固定架22相对于处理单元12旋转运，第一电机21电连接于处理单元12。
在本发明的一个实施例中，云台组件20还包括第二固定架24和第二电机23，第二电机23的一端固定于第二固定架24，另一端固定于第一固定架22，第一电机21的轴线垂直于第二电机23的轴线，以使得第一固定架22相对于第一固定架22旋转运动，第二电机23电连接于处理单元12。
在本发明的一个实施例中，云台组件20还包括第三固定架26和第三电机25，第三电机25的一端固定于第二固定架24，另一端固定于第三固定架26，第一电机21的轴线、第二电机23的轴线和第三电机25的轴线相互垂直，以使得第三固定架26相对于第二固定架24旋转运动，第三电机15电连接于处理单元12。
具体地，当定位装置用于作业设备上时，如果作业设备自身能够平稳度运行，可以不设置云台，依靠作业设备自身的平稳能力，来修正定位装置在工作过程中产生的震动或者角度变化。而当作业设备存在某一方向(可以为X轴、Y轴或者Z轴的任意一轴方向)的角度变化或者震动而无法修正时，可以通过在定位装置上设置该方向上的单轴云台。例如，当作业设备无法对Z轴方向的角度变化进行修正时，可以在定位装置上设置一个Z轴云台。或者当作业设备存在两个方向的角度变化或者震动无法修正时，可以在定位装置上设置这两个方向的双轴平台。例如，当作业设备无法对X轴和Y轴方向进行角度修正时，可以在定位装置上分别设置有X轴云台和Y轴云台。相似的，当作业设备无法平稳运行时，也可以在定位装置上分别设置有X轴云台、Y轴云台和Z轴云台形成的三轴云台。相关领域的技术人员应当理解，本发明提供的定位装置可以不用考虑作业设备的运行平稳性，而在定位装置上设置有三轴云台，以最大程度的保持平稳运行。
如图1和图2所示，进一步地，本发明提供的定位装置的云台组件20为三轴云台，其中，第一电机21的轴线平行于Z轴，故第一电机21和第一固定架22形成了Z轴云台；第二电机23的轴线平行于X轴，故第二电机23、第二固定架24结合第一固定架22形成了X轴云台；相似地，第三电机25和第二固定架24形成了Y轴云台。
本发明还提供了一种用于幕墙的定位方法，其应用于上述的定位装置，定位方法包括步骤：
调整定位装置和幕墙之间的相对关系，以使得幕墙的缝隙位于摄像单元13的视野范围内，且摄像头的朝向垂直于幕墙表面；
通过激光发射单元14发射激光至幕墙并使得激光能够照射到缝隙；
通过摄像单元13采集被激光照射的缝隙的图像；
通过处理单元12获取所述图像中的缝隙的像素参数，并根据所述像素参数获得所述摄像头与幕墙之间的相对位置信息。
在步骤调整定位装置和幕墙之间的相对关系，以使得幕墙的边框或者缝隙位于摄像单元13的视野范围内，且摄像单元13的朝向垂直于幕墙表面中，由于定位装置的摄像单元13和激光发射单元14的相对位置固定，在满足摄像单元13位置合适的情况下，激光发射单元14发射的激光能够被摄像单元13识别。
在步骤通过激光发射单元14发射激光至幕墙并使得激光能够照射到边框或者缝隙中，激光发射器可以发射一字型镭射激光或者发射十字型镭射激光，可以根据需求选择。当发射一字型镭射激光时，处理单元12能够根据摄像单元13所采集的图像获取X轴或者Y轴方向上缝隙的像素坐标；当激光器发射十字型激光时，处理单元12能够根据摄像单元13所采集的图像能够同时获取X轴和Y轴方向上缝隙的像素坐标。
像素参数包括与X轴方向平行的激光与缝隙相交的像素坐标(x1,y1)以及当前图像中X轴的像素范围；和/或者与Y轴平行的激光与缝隙相交的像素坐标(x2,y2)以及当前图像中的Y轴的像素范围。
在YZ平面内，激光发射单元14的光束和摄像头的朝向之间具有一交点，设定摄像头与该交点之间的距离为Fd，设定摄像单元13的单目摄像头距离幕墙之间的距离为Zd。
在本发明的一个实施例中，在步骤通过处理单元12获取所述图像中的缝隙的像素参数，并根据所述像素参数获得所述摄像头与幕墙之间的相对位置信息中，还包括步骤：
将像素坐标(x1,y1)中的y1输入至预设的第一多项式函数，以获得摄像单元13的摄像头距离幕墙之间的距离Zd；
将摄像单元13的摄像头距离幕墙之间的距离Zd输入至预设的第二多项式函数，获得当前X轴方向的实际宽度范围；和/或者将摄像单元13的摄像头距离幕墙之间的距离Zd输入至预设的第三多项式函数，获得当前Y轴方向的实际宽度范围；
将根据x1所占X轴像素范围的比例乘以当前X轴方向的实际宽度范围，获得摄像头与幕墙沿X轴方向的实际距离；和/或者根据y2所占Y轴像素范围的比例乘以当前Y轴方向的实际宽度范围，获得摄像头与幕墙沿Y轴方向的实际距离。
在步骤将像素坐标(x1,y1)中的y1输入至预设的第一多项式函数，以获得摄像单元13的摄像头距离幕墙之间的距离Zd中，第一多项式函数可以通过数据拟合获得，具体地，通过调整Fd，Zd，α的固定数值，使得在需要的被照射的测量范围内，激光发射器发射的激光均能够被摄像头采集到。在定位装置运行中，若产生震动变化或者幕墙表面有凹陷或者凸起，都会造成Zd将产生变化，通过不断测试Zd在变化范围内摄像头所采集到Z轴方向范围的距离，通过数据拟合得到第一多项式F1(x)，F1(x)＝-0.0000004*x3+0.0003*x2-0.1012*x+23.675。为了方便说明，一下假定激光发射器发射的为十字型镭射激光，通过摄像单元13能够同时采集到缝隙在X轴方向上的像素坐标(x1,y1)和Y轴方向上的像素坐标(x2,y2)，将y1带入到第一多项式函数中，能够获得Zd。
在步骤将摄像单元13的摄像头距离幕墙之间的距离Zd输入至预设的第二多项式函数，获得当前X轴方向的实际宽度范围；和/或者将摄像单元13的摄像头距离幕墙之间的距离Zd输入至预设的第三多项式函数，获得当前Y轴方向的实际宽度范围中，第二多项式函数F2(x)＝0.0038*x2+0.8811*x+3.9227，该第二多项式函数是通过不断测试在Zd的采集范围内，摄像头采集图像的Y轴像素高度与幕墙对应的真实Y轴高度的数据拟合形成，通过将上述获得的Zd带入到F2(x)中，能够获得当前X轴的宽度范围。相似地，将Zd带入至第三多项式F3(x)＝0.0108*x2+0.4054*x+4.9292，获得当前Y轴的宽度范围。
在步骤将根据x1所占X轴像素范围的比例乘以当前X轴方向的实际宽度范围，获得摄像头与幕墙沿X轴方向的实际距离；和/或者根据y2所占Y轴像素范围的比例乘以当前Y轴方向的实际宽度范围，获得摄像头与幕墙沿Y轴方向的实际距离中，从而能够获得摄像头与幕墙之间准确的相对位置。
本发明还提供了一种作业设备，包括如上述的用于幕墙的定位装置，例如幕墙清洗机器人等。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。
