[發(fā)明專利]一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的四足機(jī)器人本體位姿跟蹤方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610979615.2
• 申請(qǐng)日: 2016-11-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106525049B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊明強(qiáng);鄭慶河;王曉辰;張慶銳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/20
• 分類號(hào): G01C21/20
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 葉亞林

本發(fā)明涉及一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的四足機(jī)器人本體位姿跟蹤方法。本發(fā)明所述基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的四足機(jī)器人本體位姿跟蹤方法，通過(guò)給四足機(jī)器人本體配置兩個(gè)攝像頭，可以實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人的翻滾角以及俯仰角，通過(guò)圖像匹配可以達(dá)到亞像素級(jí)別的精度，優(yōu)化了傳統(tǒng)算法中的精確度問(wèn)題，同時(shí)算法具有較高的魯棒性，對(duì)噪聲具有較強(qiáng)的抵抗能力，優(yōu)化了傳統(tǒng)算法帶來(lái)的累計(jì)誤差問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的四足機(jī)器人本體位姿跟蹤方法，屬于智能機(jī)器人的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

四足仿生機(jī)器人被認(rèn)為是最佳的足式機(jī)器人形式，四足步行機(jī)器人比兩足步行仿人機(jī)器人承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，具備更加良好的適應(yīng)復(fù)雜路況環(huán)境的能力，同時(shí)相比于六足、八足步行機(jī)器人，四足機(jī)器人的電子機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于控制，使其在軍事行動(dòng)、反恐防暴以及工程建設(shè)等多種環(huán)境下具有廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)四足機(jī)器人本體姿態(tài)進(jìn)行的研究，為機(jī)器人規(guī)劃協(xié)調(diào)層接下來(lái)的路徑規(guī)劃、步態(tài)生成、平衡控制等具有重要的工程價(jià)值及實(shí)際意義。

機(jī)器人位姿標(biāo)定的傳統(tǒng)算法主要有兩種：1.運(yùn)動(dòng)學(xué)回路法，即在已知機(jī)器人初始位姿的情況下，通過(guò)測(cè)量裝置獲得機(jī)器人末時(shí)刻的位姿，然后通過(guò)求解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程來(lái)獲得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；2.軸線測(cè)量法，通過(guò)將機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸線抽象成一條空間中的直線，然后以該軸線為基礎(chǔ)建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，利用空間幾何關(guān)系解出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型中的相關(guān)參數(shù)。

機(jī)器人姿態(tài)估計(jì)的一般步驟：首先，建立四足機(jī)器人本體的幾何結(jié)構(gòu)模型，建立載體坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系、平臺(tái)坐標(biāo)系以及導(dǎo)航坐標(biāo)系，通過(guò)四者之間的關(guān)系，推導(dǎo)出載體坐標(biāo)與導(dǎo)航坐標(biāo)之間的捷聯(lián)轉(zhuǎn)換矩陣。然后，根據(jù)四足機(jī)器人狀態(tài)感知系統(tǒng)協(xié)調(diào)規(guī)劃層的需求，結(jié)合機(jī)器人本體幾何結(jié)構(gòu)模型，對(duì)四足機(jī)器人本體姿態(tài)求解，通過(guò)四元數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算，得出機(jī)器人本體速度、位置以及姿態(tài)的實(shí)時(shí)計(jì)算模型，從而計(jì)算出機(jī)器人本體的速度、位置信息以及機(jī)器人本體航向角、俯仰角、翻滾角的姿態(tài)信息。

傳統(tǒng)位姿估計(jì)需要用到加速度計(jì)來(lái)獲得航向角、俯仰角、翻滾角的角加速度，但是隨著時(shí)間的累積，由于加速度計(jì)本身的噪聲影響帶來(lái)的精度問(wèn)題，誤差會(huì)越來(lái)越大，而后續(xù)的累積誤差修正算法則會(huì)影響機(jī)器的實(shí)時(shí)性，增加系統(tǒng)運(yùn)算的時(shí)間，影響系統(tǒng)的性能。而采用更高精度的加速度計(jì)則會(huì)提高機(jī)器人的設(shè)計(jì)成本。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的四足機(jī)器人本體位姿跟蹤方法。

發(fā)明概述：

四足機(jī)器人Viroscope是一個(gè)以液壓為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人，本發(fā)明為其在trot對(duì)角小跑步態(tài)時(shí)對(duì)其位姿進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤并向MCU傳導(dǎo)更新，運(yùn)行環(huán)境涵蓋了除實(shí)驗(yàn)室外的曠野、山地以及夜間黑暗環(huán)境，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行軌跡為直線行走。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的四足機(jī)器人本體位姿跟蹤方法，包括步驟如下：

1)在四足機(jī)器人本體背面配置兩個(gè)單目攝像頭，1號(hào)攝像頭和2號(hào)攝像頭；1號(hào)攝像頭指向正前方，2號(hào)攝像頭指向側(cè)方，兩個(gè)單目攝像頭方向滿足嚴(yán)格正交；機(jī)器人采取雙攝像頭替換了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的高精度陀螺儀和加速度計(jì)，節(jié)省了機(jī)器人的生產(chǎn)成本。

2)圖像采集：

將機(jī)器人步態(tài)設(shè)置為對(duì)角小跑步態(tài)，運(yùn)動(dòng)路線設(shè)置為直線行走；運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)開(kāi)啟1號(hào)攝像頭和2號(hào)攝像頭，每個(gè)攝像頭每1S內(nèi)拍攝N張圖片；圖像采集不采用錄像的方式，而是使攝像頭每1S內(nèi)拍攝N張圖片的方式，有效減少了圖像的數(shù)量，節(jié)省了運(yùn)算量，改善了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3)圖像匹配：