[發明專利]一種基于單目視覺的大型剛體構件自動對接方法

有效

• 申請號: 202011156320.8
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112381881B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 羅華;尚俊云;李中偉;鐘凱;劉崗;郭靜;楊娜;李瑞峰
• 申請（專利權）人: 西安航天精密機電研究所
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80;G06T7/73
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 唐沛

1.一種基于單目視覺的大型剛體構件自動對接方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：視覺系統的內參標定

所述視覺系統的內參包括：視覺坐標系中X軸、Y軸方向單位像素尺寸值與焦距的比值(f_x,f_y)，以及視覺系統中相機的光軸與圖像平面的交點在視覺坐標系下的坐標(u₀,v₀)；

步驟2：視覺系統的外參標定

步驟2.1：將外參標定板與調姿平臺固連，確定調姿平臺坐標系；

步驟2.2：控制調姿平臺將外參標定板沿一個方向移動至少兩個位置，這一過程下外參標定板在調姿平臺坐標系下旋轉變換為B1，在視覺坐標系下的旋轉變換為A1；令視覺坐標系到調姿平臺坐標系的轉換關系為X，從而構建第一個典型的手眼標定方程：A1X＝XB1；當視覺系統和控制調姿平臺相對固定時，為視覺坐標系到調姿平臺坐標系下的旋轉矩陣，為視覺坐標系到調姿平臺坐標系下的平移向量；

步驟2.3：控制調姿平臺沿另一個方向移動至少兩個位置，這一過程下外參標定板在調姿平臺坐標系下旋轉變換為B2，在視覺坐標系下的旋轉變換為A2；令視覺坐標系到調姿平臺坐標系的轉換關系為X，從而構建第二個典型的手眼標定方程：A2X＝XB2；

步驟2.4：根據兩個手眼標定方程求解出X，即可得到從而完成視覺系統的外參標定；

步驟3：標定對接狀態下移動端標靶與固定端標靶在調姿平臺坐標系下的旋轉矩陣以及平移向量

所述移動端標靶與固定端標靶上均設有標志點陣列，并將移動端標靶與固定端標靶的四個角的標志點作為編碼標志點，用于對靶標的身份進行識別和靶標上非編碼標志點排序；

步驟3.1：設定剛體構件的移動端和剛體構件的固定端對接狀態時移動端標靶與固定端標靶之間的位姿關系，并獲取當前位姿關系下移動端標靶與固定端標靶上的各標志點在世界坐標系下的坐標值，定義為m₁和m₂，同時獲取移動端標靶與固定端標靶上的各標志點在視覺坐標系下的坐標值定義為S₁和S₂；

步驟3.2：根據步驟2.3中視覺坐標系到調姿平臺坐標系的轉換關系X、步驟3.1中獲取的m₁和m₂，以及S₁和S₂，標定出移動端標靶與固定端標靶對齊時，移動端標靶與固定端標靶在調姿平臺坐標系下的旋轉矩陣以及平移向量

步驟4：求解實際對接過程中調姿平臺坐標系下移動端標靶從待對接狀態到對接狀態下的旋轉矩陣R_b以及平移向量t_b；

步驟4.1：將移動端標靶與固定端標靶分別安裝于移動端和固定端；

步驟4.2：利用與移動端調姿平臺固連的圖像采集設備拍攝待對接狀態圖像；

步驟4.3：對采集的圖像進行處理，提取移動端標靶在視覺坐標系下待對接狀態時各標志點的視覺坐標；

步驟4.4：利用正交迭代算法分別計算出世界坐標系下待對接狀態時移動端標靶上的各標志點轉換到視覺坐標系下的旋轉矩陣以及平移向量以及固定端標靶上標志點轉換到視覺坐標系下的旋轉矩以及平移向量

步驟4.5：計算對接狀態下，移動端標靶到調姿平臺坐標系的旋轉矩陣以及平移向量具體計算公式為：

步驟4.6：計算對接狀態下，移動端標靶在調姿平臺坐標系下的三維坐標具體計算公式為：

步驟4.7：獲取移動端標靶在待對接狀態下，從世界坐標系到調姿平臺坐標系的旋轉矩陣以及平移向量具體計算公式為：

步驟4.8：計算待對接狀態下，移動端標靶在調姿平臺坐標系下的三維坐標具體計算公式為：

步驟4.9：根據移動端標靶上各標志點在待對接狀態和對接狀態下的三維坐標求解出調姿平臺坐標系下移動端標靶從待對接狀態到對接狀態下的旋轉矩陣R_b以及平移向量t_b；

步驟5：求取實際對接過程中移動端剛體構件在調姿平臺坐標系下的運動角度與位移；

從步驟4.5求解的平移向量t_b中分離出移動端剛體構件基于調姿平臺坐標系下每個方向平移量，利用歐拉角與步驟4.5求解的旋轉矩陣R_b的關系，解算出移動端剛體構件基于調姿平臺坐標系的俯仰角θ，偏航角ψ，滾轉角φ；

步驟6：將步驟5的結果解算為調姿平臺各軸的具體動作值，控制調姿平臺動作從而實現對接。