[发明专利]合作目标的单目视觉误差测量系统及误差限量化方法

权利要求书

1.合作目标的单目视觉误差测量系统，其特征在于，包括：合作目标(1)、视觉标记(2)、标定靶(3)、相机(4)、光源(5)、经纬仪一(6)，经纬仪二(7)和计算机(8)；

所述合作目标(1)外表面安装有多个视觉标记点，作为相机(4)的观测目标；

所述标定靶(3)采用黑白棋盘格图案，标定靶(3)作为相机(4)的观测目标，用于进行相机(4)的内参标定和外参标定；

所述相机(4)用于单帧采集观测目标的图像并传输至计算机(8)，相机(4)其配备光源(5)，用于补偿观测目标所处的空间光照条件；

经纬仪一(6)和经纬仪二(7)用于观测所述标定靶(3)获得观测值A、观测所述视觉标记(2)获得观测值B，并将观测值A和观测值B传输至计算机(8)；

所述计算机(8)的功能包括：

功能一、接收所述相机(4)所采集的标定靶(3)的标定图像，依据标定图像对相机(4)进行内参标定和外参标定，所述外参标定即为相机(4)与标定靶(3)之间的相对位置关系；

功能二、接收所述相机(4)所采集的视觉标记(2)的标记图像，依据标记图像以及已经标定好的相机(4)的内参获得合作目标(1)相对于相机(4)的位姿测量值；

功能三、将观测值A转换为标定靶(3)相对于经纬仪一(6)和经纬仪二(7)的相对位置关系，并将观测值B转换为视觉标记(2)相对于经纬仪一(6)和经纬仪二(7)的相对位置关系，结合功能一中的外参标定结果，最终解算获得合作目标(1)相对于相机(4)的位姿真值；

功能四、通过合作目标(1)相对于相机(4)的位姿测量值以及位姿真值，计算获得测量误差；

以所述相机(4)的光心O_C为原点建立相机坐标系O_C-X_CY_CZ_C，相机光轴为Z_C轴，图像平面的水平和垂直方向分别为X_C轴和Y_C轴；以合作目标(1)的质心O_W为原点建立目标坐标系O_W-X_WY_WZ_W，X_W、Y_W、Z_W与相机坐标系中的X_C、Y_C、Z_C轴相平行，且正方向均保持一致；以标定靶(3)中心O_T为原点建立标定靶坐标系O_T-X_TY_TZ_T，X_T、Y_T、Z_T与相机坐标系中的X_C、Y_C、Z_C轴相平行，且正方向均保持一致；以经纬仪一(6)和经纬仪二(7)中心连线的中点O_E为原点建立经纬仪坐标系O_E-X_EY_EZ_E，X_E、Y_E、Z_E与相机坐标系中的X_C、Y_C、Z_C轴相平行，且正方向均保持一致；

所述功能一中，相机(4)的内参标定对相机(4)的有效焦距以及主点坐标进行标定；内参标定的方法为：

将标定靶(3)摆放不同的位置姿态，相机(4)采集不同姿态下的标定图像传输至计算机(8)，提取标定图像中的各角点中心二维图像坐标，根据标定图像中各角点的三维空间坐标及其二维图像坐标之间的映射关系，计算出有效焦距的水平、垂直分量以及主点坐标；

所述外参标定为计算相机坐标系O_C-X_CY_CZ_C与经纬仪坐标系O_E-X_EY_EZ_E之间的相对位姿；外参标定的方法为：固定标定靶(3)，一方面，令相机(4)采集标定图像输入计算机(8)，解算出标定靶坐标系O_T-X_TY_TZ_T与相机坐标系O_C-X_CY_CZ_C之间的坐标转换关系；另一方面，计算机(8)依据标定靶(3)的位姿真值，计算出标定靶坐标系O_T-X_TY_TZ_T与经纬仪坐标系O_E-X_EY_EZ_E之间的坐标转换关系，并在上述两组坐标转换关系的基础上，进一步得出相机坐标系O_C-X_CY_CZ_C相对于经纬仪坐标系O_E-X_EY_EZ_E之间的坐标转换关系；

所述功能二中，合作目标(1)相对于相机(4)的位姿测量值的计算方法为：采用光源(5)对空间光照环境实施补偿后，相机(4)单帧采集合作目标(1)外表面所携带的视觉标记(2)的标记图像并传输至计算机(8)，提取标记图像中各视觉标记点的中心二维坐标值，根据各视觉标记点的三维空间坐标及其二维图像坐标之间的一一对应关系，计算目标坐标系O_W-X_WY_WZ_W与相机坐标系O_C-X_CY_CZ_C之间的相对位姿，即为合作目标(1)相对于相机(4)的位姿测量值；

所述功能三中，位姿真值获取方法具体为：接收观测值A转换为标定靶(3)相对于经纬仪坐标系O_E-X_EY_EZ_E的相对位置关系，并将该观测值B转换为视觉标记(2)相对于经纬仪坐标系O_E-X_EY_EZ_E的相对位置关系，依据外参标定结果，解算出目标坐标系O_W-X_WY_WZ_W与相机坐标系O_C-X_CY_CZ_C之间的相对位置姿态，即为合作目标(1)相对于相机(4)的位姿真值；

所述计算机(8)的功能四中，计算获得的合作目标(1)相对于相机(4)的测量误差以向量形式表示为(Δt_x,Δt_y,Δt_z,Δα,Δβ,Δγ)；

则t_x,t_y,t_z分别为合作目标(1)沿目标坐标系中X_W、Y_W、Z_W轴的平移分量，α,β,γ分别为合作目标(1)围绕目标坐标系中X_W、Y_W、Z_W轴的旋转角度；

所述输入参数误差包括相机(4)内参标定误差、视觉标记点三维空间坐标值获取误差及其在标记图像中二维坐标定位误差；

所述相机(4)内参标定误差包括有效焦距误差的水平分量和垂直分量Δf_x,Δf_y，主点坐标误差的水平分量和垂直分量Δu₀,Δv₀；

所述第i个视觉标记点三维空间坐标值获取误差为[ΔX_wi,ΔY_wi,ΔZ_wi]，其中以合作目标(1)的质心为原点建立空间坐标系X_wY_wZ_w，X_w、Y_w、Z_w轴依次对应与X、Y、Z轴平行；ΔX_wi,ΔY_wi,ΔZ_wi分别为第i个视觉标记点在坐标系X_wY_wZ_w中X_w、Y_w、Z_w轴坐标的获取误差；

所述第i个视觉标记点在标记图像中二维坐标的水平分量和垂直分量定位误差分别为Δu_i,Δv_i；

其中Δf_x,Δf_y属于同类型误差，使用Δf_xy代表；Δu_i,Δv_i属于同类型误差，使用Δuv_i代表；Δu₀,Δv₀属于同类型误差，使用Δuv₀代表，且

则采用如下公式计算获得Δf_xy,Δuv₀,Δuv_i,ΔX_wi,ΔY_wi,ΔZ_wi，即为各输入参数误差的误差限的量化值：

Δtx=(ui-u0)fx·Δtz+tzfx·2·(Δuvi-Δuv0)-tz·(ui-u0)fx2·2·ΔfxyΔty=(vi-v0)fy·Δtz+tzfy·2·(Δuvi-Δuv0)-tz·(vi-v0)fy2·2·ΔfxyΔtz=fx(ui-u0)·12Xwi2+Ywi2·(Xwi·ΔXwi+Ywi·ΔYwi)+Xwi2+Ywi2(ui-u0)·2·Δfxy-Xwi2+Ywi2(ui-u0)2·fx·2·(Δuvi-Δuv0)cos(αmax2)·12·Δα=tz2·|Zwi|·fy·2·(Δuvi-Δuv0)+(vi-v0)2·|Zwi|·fy·Δtz-(vi-v0)·tz2·Zwi2·fy·ΔZwi-(vi-v0)·tz2·|Zwi|·fy2·2·Δfxycos(βmax2)·12·Δβ=tz2·|Zwi|·fx·2·(Δuvi-Δuv0)+(ui-u0)2·|Zwi|·fx·Δtz-(ui-u0)·tz2·Zwi2·fx·ΔZwi-(ui-u0)2·|Zwi|·fx2·2·Δfxysin(γmax2)·12·Δγ=tz2·Xwi2+Ywi2·fx·2·(Δuvi-Δuv0)+(ui-u0)2·Xwi2+Ywi2·fx·Δtz-(ui-u0)·tz2·(Xwi2+Ywi2)·fx·12Xwi2+Ywi2·(Xwi·ΔXwi+Ywi·ΔYwi)-(ui-u0)·tz2·Xwi2+Ywi2·fx2·2·Δfxy.]]> 3