[发明专利]机器人足目标定方法和标定装置

摘要

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。基于一个带有车载计算机的可移动车体和摄像机，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，在机器人前方放置有一面平面反射镜靶标M，标定的步骤如下：1.建立坐标系；2.以平面镜为中介，建立摄像机坐标系与机器人坐标系的位置关系。本发明解决了移动机器人系统的足目标定问题，不需要简化待标定参数，对摄像机固联平台的运动自由度没有要求，也可用于手眼定标。在标定出摄像机内部参数的前提下，则只需在合适位置拍摄一幅平面镜图像即可完成标定任务，简单实用，可实现现场标定。

主权项

1、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：1.1、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；1.1.1、建立机器人坐标系Or-xryrzr；以可移动车体前后轮轴中心连线的中点为原点Or，yr、zr轴分别与车轴平行和垂直，按右手规则规定xr的方向；1.1.2、建立摄像机坐标系Oc-xcyczc；以摄像机光心为原点Oc，xc、yc轴分别与成像面的横、纵轴平行，zc轴即光轴；1.1.3、建立镜像坐标系Ori-xriyrizri；以车体坐标系原点Or的镜像点Ori为原点，yri与zri轴分别和yr与zr轴关于平面镜中心对称，xri与xr轴方向相反；1.1.4、建立平面镜坐标系Om-xmymzm；以平面镜左上角的特征点为坐标原点，xm与ym轴在镜平面Ω上，与镜平面Ω上四个特征点构成的矩形的两边重合，按右手规则规定zm轴的方向；1.1.5、在平面镜的反面Ω′上建立辅助坐标系Oom-xomyomzom；其原点与平面镜坐标系Om-xmymzm的原点重合，xom和xom分别与xm和zm相反，yom 与ym重合；1.2、标定过程；下面文字中的Xi＝(xiyizi)T(i＝c，m，…)表示坐标系i下的三维点坐标，i表示上述建立的5个坐标系的下标其中之一；Rij(i＝c，m，…，j＝m，om，…)与Tij(i＝c，m，…，j＝m，om，…)分别表示坐标系j到坐标系i的旋转和平移矩阵，j也表示上述建立的5个坐标系的下标其中之一，但是i不同于j；1.2.1、标定摄像机坐标系与平面镜坐标系之间的欧氏变换关系；根据已标定的摄像机内部参数，确定摄像机坐标系Oc-xcyczc与平面镜坐标系Om-xmymzm间的Rcm和Tcm，使得：Xc＝RcmXm+Tcm [1]1.2.2、标定摄像机坐标系与镜像坐标系之间的欧氏变换关系；以平面镜中的反射镜像点集Θ′为标定点，使用摄像机标定方法，确定Oc-xcyczc与Ori-xriyrizri间的Rcri和Tcri，使得：Xc＝RcriXri+Tcri [2]1.2.3、标定平面镜坐标系与镜像坐标系之间的欧氏变换关系；由[1]和[2]式，得出Ori-xriyrizri到Om-xmymzm的欧氏变换关系为：$R_{\mathrm{mri}}=R_{\mathrm{cm}}^{-1}{R}_{\mathrm{cri}},$ $T_{\mathrm{mri}}=R_{\mathrm{cm}}^{-1}(T_{\mathrm{cri}}-T_{\mathrm{cm}})---\left[3\right]$ 1.2.4、标定机器人坐标系与平面镜坐标系之间的欧氏变换关系；在平面镜两侧，Ori-xriyrizri和Om-xmymzm之间的关系与Or-xryrzr和Oom-xomyomzom的关系关于平面镜中心对称，因此可由(Rmri，Tmri)得到(Romr，Tomr)：设$R_{\mathrm{mri}}=\left(\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right),$ $T_{\mathrm{mri}}=\left(\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right),$ 由镜面反射成像关系得出：$R_{\mathrm{omr}}=\left(\begin{array}{ccc}{r}_{11}& -r_{12}& -r_{13}\\ {-r}_{21}& r_{22}& r_{23}\\ {-r}_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right),$ $T_{\mathrm{omr}}=\left(\begin{array}{c}{-t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right)---[4]$ Oom-xomyomzom绕yom轴逆时针旋转180°即是Om-xmymzm，因此两个坐标系之间相差一个旋转矩阵：以Oom-xomyomzom为中介坐标系，由式[4]～[5]得到Or-xryrzr与Om-xmymzm的欧氏变换关系：Rmr＝Rmom·Romr，Tmr＝Rmom·Tomr [6]1.2.5、标定足眼关系；由以上1.2.1～1.2.4各标定步骤，机器人坐标系到摄像机坐标系间的中间坐标系转换关系都已确定，根据中介坐标统一方法，机器人坐标系到摄像机坐标系之间的欧氏变换矩阵Rcr和Tcr即可确定：Rcr＝Rcm·Rmr，Tcr＝Rcm·Tmr+Tcm [7]而摄像机坐标系到机器人坐标系的欧氏变换矩阵Rrc和Trc为：$R_{\mathrm{rc}}=R_{\mathrm{cr}}^{-1},$ $T_{\mathrm{rc}}=-R_{\mathrm{cr}}^{-1}·T_{\mathrm{cr}}---\left[8\right]$