[发明专利]机器人足目标定方法和标定装置

说明书

技术领域

本发明属于机器人视觉导航技术领域，涉及对摄像机与机器人位置关系标定方法的改进。

背景技术

在工业机器人应用研究中，手爪平台坐标系和与之固联的摄像机坐标系之间的位置关系需要事先确定，为此，手眼定标技术得到了深入的研究。文献“Calibration of Wrist Mounted Robotic Sensors bySolving Homogeneous Transform Equations of the Form AX＝XB”(Shiu，1989)给出了经典算法，要求控制手爪平台作两次非纯平移运动，而且两次运动旋转轴不平行，这样才能获取(R，T)的唯一解。Tsai等人也对机器人手眼定标进行了研究，仍然把标定问题归结于方程AX＝XB的求解，可参见文献“A New Technique for Fully Autonomous and Efficient 3DRobotics Hand/Eye Calibration”(Tsai，1989)。

在移动机器人视觉导航系统中，通常把机器人坐标系建立在里程计航位推算中心上，因此传感器与机器人两个坐标系不统一。二者之间的旋转平移关系也需标定，这类问题可称为足目标定。足目标定类似于手眼定标，但与之不同，不能用手眼定标方法解决。这是因为，对于工业机器人末端执行器，即摄像机所在平台，一般具有较多的旋转自由度，满足“两次运动旋转轴不平行”这一条件，而移动机器人一般在某一平面上运动，其旋转方向始终垂直于运动平面，不满足手眼定标条件。目前足目标定的大多数解决方案是把标定问题简化，因此限制了其应用。例如在文献“一种新颖实用的基于视觉导航的三维重建算法”(林强，2004)中，作者借助平面靶标为中间桥梁，以摄像机的精确安装和靶标垂直于地面为假设前提，把摄像机坐标系与车体坐标系之间的三个自由度的旋转关系简化为俯仰方向一个自由度，再用视觉方法标定出俯仰角大小，该方法的主要问题在于过多的简化。目前，该问题在移动机器人应用中一直未能较好解决。

发明内容

本发明的目的是：提出一种简便有效的视觉标定方法和标定装置，该方法可用于标定摄像机与单旋转运动自由度的移动平台相对位置关系，而且不需以摄像机的精确安装为前提。

本发明的技术方案是：机器人足目标定方法，基于以下的标定装置，一个带有车载计算机的可移动车体，在该可移动车体上固定着摄像机，其特征在于，在可移动车体上分布着10～30个位置固定的特征点，这些特征点是车体棱边的交点或者固定在车体上的机械构件棱边的交点或者固定在车体上的摄像机支架棱边的交点，上述特征点在机器人坐标系下的坐标是已知的，构成特征点集Θ；在机器人前方放置有一面平面反射镜靶标M，使车体上特征点的镜像点集Θ′能够在摄像机中成像，在平面镜靶标M上有四个已知特征点，它们是一个矩形的四个顶点；标定的步骤如下：

1、建立坐标系；

符号说明：下文出现的下标字母代表不同的坐标系：c-摄像机坐标系，m-平面镜坐标系，om-辅助坐标系，ri-镜像坐标系，r机器人坐标系；

1.1、建立机器人坐标系O_r-x_ry_rz_r；以可移动车体前后轮轴中心连线的中点为原点O_r，y_r、z_r轴分别与车轴平行和垂直，按右手规则规定x_r的方向；

1.2、建立摄像机坐标系O_c-x_cy_cz_c；以摄像机光心为原点O_c，x_c、y_c轴分别与成像面的横、纵轴平行，z_c轴即光轴；

1.3、建立镜像坐标系O_ri-x_riy_riz_ri；以车体坐标系原点O_r的镜像点O_ri为原点，y_ri与z_ri轴分别和y_r与z_r轴关于平面镜中心对称，x_ri与x_r轴方向相反；