[發(fā)明專利]一種基于光束平差的機(jī)器人方位與手眼關(guān)系同時(shí)標(biāo)定方法

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• 申請日: 2020-09-04
• 公開（公告）號(hào): CN111986271A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李巍;張立國;張旗;安成剛;李會(huì)祥;王增志;吳程飛;張志強(qiáng);史明亮
• 申請（專利權(quán)）人: 廊坊和易生活網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司
• 主分類號(hào): G06T7/80
• 分類號(hào): G06T7/80;G06T17/00
• 代理公司: 北京科億知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11350
• 代理人: 李興林

本發(fā)明公開了一種基于光束平差的機(jī)器人方位與手眼關(guān)系同時(shí)標(biāo)定方法，包括以下步驟：通過單目立體視覺算法對檢測目標(biāo)進(jìn)行三維重建，獲得缺失尺度因子α的攝像機(jī)外參數(shù)矩陣；利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程獲得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方位矩陣；利用矩陣直積參數(shù)法表示A(α)X＝ZB標(biāo)定方程，求解機(jī)器人方位與手眼關(guān)系初值；利用光束平差優(yōu)化模型對機(jī)器人方位與手眼關(guān)系初值以及單目立體視覺算法得到的三維重建結(jié)果一同進(jìn)行迭代優(yōu)化。本發(fā)明提供的基于光束平差的機(jī)器人方位與手眼關(guān)系同時(shí)標(biāo)定方法，基于光束平差模型，能夠在求解機(jī)器人方位與手眼關(guān)系同時(shí)對目標(biāo)進(jìn)行精確三維定位，在擺脫了對靶標(biāo)的依賴的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了檢測目標(biāo)的精確定位，進(jìn)而賦予智能機(jī)器人感知與定位的功能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及工業(yè)機(jī)器人視覺標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光束平差的機(jī)器人方位與手眼關(guān)系同時(shí)標(biāo)定方法。

背景技術(shù)

模擬人的視覺功能，從客觀世界的圖像中提取有效信息進(jìn)行處理并加以理解是仿生視覺一個(gè)主要研究目的，其促使智能機(jī)器人可以通過視覺傳感器感知三維環(huán)境信息的能力，并根據(jù)自身需要將這些信息傳遞到最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成手眼協(xié)調(diào)任務(wù)。自從1966年世界上第一臺(tái)具有視覺傳感器的智能機(jī)器人Shakey誕生以來，視覺傳感器廣泛應(yīng)用于機(jī)器人自主避障和導(dǎo)航、醫(yī)療手術(shù)、汽車制造等領(lǐng)域。在利用機(jī)器人視覺系統(tǒng)進(jìn)行自主作業(yè)時(shí)，需要將攝像機(jī)與機(jī)器人手臂連接一起構(gòu)成手眼系統(tǒng)，即通過視覺傳感器給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供眼的定位功能。評(píng)估上述機(jī)器人視覺系統(tǒng)測量精確度的關(guān)鍵步驟之一是準(zhǔn)確地測算出機(jī)器人坐標(biāo)系與視覺傳感器坐標(biāo)系間的相對方位關(guān)系，即智能機(jī)器人手眼標(biāo)定問題。該問題當(dāng)前主流數(shù)學(xué)模型主要有以下3種：

1)AX＝XB標(biāo)定模型，該模型通過平面靶標(biāo)來確定攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)位姿矩陣A，利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型得到工具坐標(biāo)系到基坐標(biāo)系的變換矩陣B，從而得到攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人工具坐標(biāo)系的手眼變換矩陣X；2)AX＝ZB標(biāo)定模型，該模型在利用平面靶標(biāo)求解手眼關(guān)系X時(shí)，也可以同時(shí)求解標(biāo)定方程中機(jī)器人基坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系方位關(guān)系Z；3)A(α)X＝XB或A(α)X＝ZB標(biāo)定模型，該模型在缺失靶標(biāo)的情況下可以利用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法(SFM)得到缺失尺度因子α攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)位姿矩陣A(α)，然后利用非線性優(yōu)化方法對標(biāo)定方程中尺度因子α和手眼關(guān)系X，由于在標(biāo)定模型求解過程多引入一個(gè)尺度因子α為待求參數(shù)，造成方程求解精度不穩(wěn)定，因此第三種無靶標(biāo)參照物手眼標(biāo)定模型精度較前兩種標(biāo)定模型往往準(zhǔn)確性較低，不能滿足當(dāng)前智能機(jī)器人視覺導(dǎo)航和定位日益增長的準(zhǔn)確性需求。

因此，在沒有靶標(biāo)作為參照物的情況下，如何消除尺度因子對手眼標(biāo)定模型的影響是當(dāng)前擴(kuò)展手眼標(biāo)定方法應(yīng)用范圍的難點(diǎn)。此外，考慮到手眼標(biāo)定的目的是讓機(jī)器人準(zhǔn)確感知周圍三維環(huán)境信息，賦予機(jī)器人眼的定位功能，因此還有必要在求解機(jī)器人和攝像機(jī)手眼關(guān)系的同時(shí)對目標(biāo)在世界坐標(biāo)系下進(jìn)行精確三維定位。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于光束平差的機(jī)器人方位與手眼關(guān)系同時(shí)標(biāo)定方法，基于光束平差算法，能夠在求解機(jī)器人和攝像機(jī)手眼關(guān)系的同時(shí)對目標(biāo)進(jìn)行精確三維定位，在擺脫了對靶標(biāo)的依賴的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了檢測目標(biāo)在世界坐標(biāo)系下定位，真正賦予機(jī)器人眼的定位功能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種基于光束平差的機(jī)器人方位與手眼關(guān)系同時(shí)標(biāo)定方法，該方法包括以下步驟：

S1，通過單目立體視覺SFM算法進(jìn)行三維重建，利用RANSAC數(shù)據(jù)篩選算法對相機(jī)外參數(shù)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值自適應(yīng)篩選；

S2，對手眼標(biāo)定方程A(α)X＝ZB做等價(jià)變換，消除標(biāo)定方程中尺度因子α，利用矩陣直積法建立齊次線性方程組，代入篩選后的標(biāo)定數(shù)據(jù)，進(jìn)行奇異值分解，得到機(jī)器人方位與手眼關(guān)系初值；

S3，利用光束平差優(yōu)化模型對機(jī)器人方位與手眼關(guān)系初值以及單目立體視覺算法得到的三維重建結(jié)果一同進(jìn)行迭代優(yōu)化；