[发明专利]一种基于圆形标志点布局的视觉定位方法

摘要

本发明涉及一种基于圆形标志点布局的视觉定位方法，包括如下步骤：步骤1：获得相机内部参数；步骤2：得到已知物体的位置；步骤3：利用相机得到标志点在图像中的坐标；步骤4：得到圆环形物体与已知物体的相对位置。本发明解决了传统视觉定位方法过于复杂，且易受外界干扰的问题，可以直接得到待测物体与已知物体的相对位置，具有重要的意义和实用价值。

主权项

1.一种基于圆形标志点布局的视觉定位方法，认定待测物体表面非等间距布置标志点，在利用视觉测量过程中，应保持待测物体、已知物体和相机姿态稳定；通过视觉数据提取标志点在图像中的坐标，将标志点拟合为一个圆，根据相机小孔成像模型，得到待测物体与已知物体的相对位置；该定位方法涉及到三个坐标系：相机坐标系oc‑xcyczc，已知物体坐标系od‑xdydzd，图像坐标系oi‑uv；相机坐标系原点位于相机中心，相机指向前方为xc轴，指向右方为yc轴，指向下方为zc轴；已知物体坐标系原点位于物体中心，其坐标轴指向与相机坐标系相同，指向前方为xc轴，指向右方为yc轴，指向下方为zc轴；在相机拍摄的图片中，任一标志点的坐标为对应的相机坐标系坐标已知物体坐标系坐标根据相机小孔成像原理，在当前位置拍摄照片有其中，为相机成像的尺度因子，M表示相机的参数矩阵，与相机内部特性有关，α_x,α_y,u₀,v₀为相机的内部参数；为旋转矩阵，由已知物体相对于相机坐标系的旋转决定；为平移向量，由已知物体相对于相机坐标系的平移决定；和表示了从已知物体到相机的坐标系变换，其满足由于已知物体与相机在拍摄过程中姿态保持稳定，所以认为其中，t1，t2，t3分别表示已知物体坐标系在x、y、z三个轴向的平移；因此便得到每个标志点与已知物体的相对位置关系；由于各个标志点布置成一个圆形，其在图像上的投影表示为(x‑a)2+(y‑b)2＝r2                  (6)其中，(a,b)表示圆心在图像坐标系的坐标，r表示半径；如果有N个标志点被检测到，残差表示为εi＝(xi‑a)2+(yi‑b)2‑r2                 (7)取代价函数为残差的平方根据最小二乘原理，当拟合结果最优时应有代价函数达到极值，即因此得到圆参数如下根据相机小孔成像原理，标志点在图像坐标系中的深度s表示为其中，R_dr为实际半径，f为相机焦距；假设已知物体在图像中的坐标为已知物体与相机在z轴方向的距离为d，则待测物体与已知物体的相对位置表示为其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获得相机内部参数对于真实的相机，使用带有相机标定的工具箱进行标定，标定后得到相机的内部参数αx,αy,u0,v0；对于仿真软件中的虚拟相机，得到虚拟相机的焦距、视角即可；步骤2：得到已知物体的位置相机经过标定后，便可进行拍摄；首先应将已知物体放置在相机视野中，保持固定；通过相机拍摄得到已知物体在图像中的坐标并通过测量得到已知物体与相机在z轴方向上的距离d；步骤3：利用相机得到标志点在图像中的坐标使用相机对待测物体拍摄图片，利用图像处理技术提取各个标志点在图像坐标系中的坐标由于拍摄中相机易受到外界干扰因素的影响，因此图像中会出现杂点；通过卡尔曼滤波方法预测出下一时刻拟合圆圆心的坐标为(a,b)，半径为r，估计误差分别为Δa，Δb，Δr；则建立判断准则，若下一时刻存在标志点(u_i,v_i)则该点可能是杂点，应该被剔除掉；若某标志点(ui,vi)的圆拟合误差大于某门阙值ε，那么该点可信度较低，应该剔除；步骤4：得到待测物体与已知物体的相对位置得到所有经过筛选的标志点坐标后，利用式(10)求解出拟合圆的圆心(a,b)，半径r；利用式(11)求解出标志点在图像坐标系的深度，最后利用式(12)得到待测物体与已知物体的相对位置。