[发明专利]基于机械臂末端单目视觉的动态目标位置和姿态测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于机械臂末端单目视觉的动态目标位置和姿态测量方法，属于视觉测量领域。

背景技术

近年来，视觉测量技术得到了深入的发展，广泛应用与工业检测、机器人视觉、实时测量等过程，采用双目视觉和单目视觉是比较常用的方法。相对双目视觉，单目视觉不仅克服了双目视觉中基线固定的约束，同时将单目摄像机安装在载体末端，可通过载体的运动对目标不同的特征部位进行测量，且不会发生遮挡现象。

但现有单目视觉测量方法都假设场景静止，即场景中机械臂平台和被测目标都静止不动，而没有考虑在摄像机移动的同时，测量目标可能存在一定的缓慢运动。因而不能准确完成动态场景中的测量任务。

经对现有的技术文献检索分析，发现曾庆化等人的发明专利“一种用于室内环境的单目视觉/惯性全自主导航方法”，申请号为201110273402.5，该专利实现的方法以图像局部不变特性和对极几何为基础估计摄像机位姿信息，最后将视觉导航信息和惯导信息结合获得相对精确、可靠的导航信息，并进行特征点3D重构，获得环境信息地图，完成载体的自主导航。但该方法需要额外的惯性器件获取惯导信息，并且其获取特征点3D信息用来构建环境信息，而没有对目标位姿进行测量。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于机械臂末端单目视觉的动态目标位置和姿态测量方法，用于测量动态目标的位置和姿态。

本发明提出的基于机械臂末端单目视觉的动态目标位置和姿态测量方法，包括以下步骤：

（1）设摄像机拍摄图像的平面坐标系为（u，v），采用张正友棋盘格标定法，得到摄像机的内参数矩阵M，M=fdx0u00fdyv0001,]]>以及摄像机的径向畸变参数k₁和k₂以及切向畸变参数k₃和k₄，其中，f为摄像机焦距，为摄像机在图像平面坐标系的u轴上的归一化焦距，为摄像机在图像平面坐标系的v轴上的归一化焦距，（u₀，v₀）为摄相机光轴与摄像机拍摄图像平面交点的像素坐标；

（2）利用手眼标定法，得到机械臂末端和摄像机之间的旋转变换矩阵，记为以及机械臂末端和摄像机之间的位移变换矩阵，记为为3×3矩阵，为3×1矩阵；

（3）在目标上设置两个标记点，利用机械臂末端摄像机，在两个不同位置拍摄到该目标的两幅图像，从两幅图像中区分出目标区域和背景区域，利用尺度不变特征提取方法，分别从两幅图像中提取出目标区域的空间特征点，该空间特征点包括目标上的两个标记点；

（4）根据上述空间特征点，对两幅图像中目标区域的空间特征点进行匹配，得到初始匹配结果，并根据初始匹配结果，对步骤（3）的尺度不变特征提取方法中的参数进行调整，以获得两幅图像之间有8对以上匹配特征点，匹配特征点中包括目标上的两个标记点；

（5）根据步骤（4）的两幅图像之间8对以上匹配特征点，利用对极几何约束方法，求解两幅图像之间的基础矩阵F；

（6）根据上述步骤（1）的摄像机内参数矩阵M和步骤（5）的基础矩阵F，求解摄像机在拍摄目标的两幅图像时的两个不同位置之间的本质矩阵E，利用本质矩阵E，求解摄像机在拍摄目标的两幅图像时的两个不同位置之间的旋转变换矩阵和位移变换矩阵得到四组候选解，具体过程如下：

（6-1）利用如下公式，根据步骤（5）的基础矩阵F和步骤（1）的摄像机内参数矩阵M，计算摄像机在拍摄目标的两幅图像时的两个不同位置之间的本质矩阵E：