[发明专利]一种基于单目视觉的大型刚体构件自动对接方法

说明书

本发明提供了一种基于单目视觉的大型刚体构件自动对接方法，该方法具有实现简单、稳定性高、柔性好、精度高等优点，其主要步骤包括：1、视觉系统的内参标定；2、视觉系统的外参标定；3、标定对接状态下移动端标靶与固定端标靶在调姿平台坐标系下的旋转矩阵以及平移向量；4、求解实际对接过程中调姿平台坐标系下移动端标靶从待对接状态到对接状态下的旋转矩阵以及平移向量；5、求取实际对接过程中移动端刚体构件在调姿平台坐标系下的运动角度与位移；6、将步骤5的结果解算为调姿平台各轴的具体动作值，控制调姿平台动作从而实现对接。

技术领域

本发明属于工业自动化领域，具体涉及一种基于单目视觉的大型刚体构件自动对接方法，可应用于航天、航空、装配等领域。

背景技术

在航天、航空领域，大型刚体构件的对接工作主要依靠人工完成，通过肉眼估算移动端刚体构件与固定端刚体构件之间的距离偏差与角度偏差，再通过手摇调姿机构进行移动端刚体构件位姿调整，逐步完成对接工作，其效率低下，调姿难度大。

为了解决目前采用人工方式进行大型刚体构件对接工作所带来的效率低下，调姿难度大的问题，一些公司已经研究出基于激光测量的方式来实现大型刚体构件对接工作，基于激光测量的方式主要有以下两种基本设计思路：

第一种是：采用激光跟踪仪测量方法测量零部件的位置，对接时在刚体构件表面固定三个以上跟踪靶球，组成靶球框架，构件局部坐标系，激光跟踪仪可以实时测量各个靶球的三维坐标，计算靶球框架的空间姿态，从而获取待对接刚体构件的空间姿态，根据姿态结果引导对接平台完成大型刚体构件的空间对接。

第二种是：采用激光轮廓扫描法对待对接刚体构件进行三维测量，获取的接面或对接特征的三维形貌数据，计算待对接刚体构件的空间姿态，根据姿态结果引导对接平台完成大型刚体构件的空间对接。

上述采用激光测量技术实现大型刚体构件的对接工作虽然具有精度高、抗干扰能力强的优点，但激光测量设备价格昂贵，而且对一些有严格安全要求的目标该类方法就无法使用。

相比激光测量法，立体视觉法具有成本低、使用便捷以及安全性更高等优点。但是目前的立体视觉法均采用两个或两个以上的相机组成立体视觉，对目标体进行姿态跟踪，完成目标体的引导对接，而实际应用过程中立体视觉系统容易受工业环境影响，需要定期标定系统参数保证测量精度，如果工作现场存在振动，则标定的频次会增加从而影响应用效果。

针对现阶段立体视觉存在需要定期标定的问题，本发明提出基于单目视觉定位的大型刚体构件自动对接方法，实现大型刚体构件的对接工作。

发明内容

为了克服背景技术中激光测量法存在激光测量设备价格昂贵，安全性低的问题，以及现有立体视觉法容易受工业环境影响，需要定期标定系统参数从而会影响精度的问题，本发明提供了一种基于单目视觉的大型刚体构件自动对接方法。

本发明的基本实现思路主要包括两个方面：单目视觉系统的内、外参标定以及对接位姿求解，其基本是原理为：

一、视觉系统标定主要包括以下步骤：

1、采用内参标定板对视觉系统中图像采集设备的内参进行标定

图像采集设备的内参包括：视觉坐标系中X轴、Y轴方向单位像素尺寸值与焦距的比值(f_x,f_y)，以及图像采集设备的光轴与图像平面的交点在视觉坐标系下的坐标(u₀,v₀)；

2：视觉系统的外参标定，获取视觉坐标系与对接调姿平台坐标系的位姿关系；

2.1：将外参标定板与调姿平台固连，确定调姿平台坐标系；

2.2：构建两个手眼标定方程：A1X＝XB1，A2X＝XB2，从而求解出视觉坐标系到调姿平台坐标系的旋转矩阵以及视觉坐标系到调姿平台坐标系下的平移向量从而完成视觉系统的外参标定。