[发明专利]一种用于水下双目视觉的目标姿态误差测量方法

说明书

本发明提出一种用于水下双目视觉的目标姿态误差测量方法，首先测出支架坐标系标定物世界坐标系坐标值，然后测出空气中目标坐标系标定物世界坐标系坐标值。计算支架坐标系与目标坐标系的旋转矩阵，此时的姿态欧拉角作为目标物体在相机坐标系下的理论姿态真值。在水下测试环境中，由双目相机测出目标物体标定物在水下相机坐标系坐标，利用坐标值构建目标三维坐标向量，计算得出水下相机坐标系与目标坐标系的旋转矩阵。进一步计算实验前后姿态欧拉角变化值，得出要求的测试误差。世界坐标系与支架坐标系以及目标坐标系的构建以及协同工作极大地简化了姿态误差的计算过程，而且测试平台便于搭建，测试过程非常简便。

技术领域

本发明涉及视觉的目标姿态误差测量技术领域，具体为一种用于水下双目视觉的目标姿态误差测量方法，是一种结合三维定位系统进行视觉目标姿态误差测试的方法，适用于水下目标物体三维视觉姿态误差测量。

背景技术

视觉目标姿态测量是通过视觉传感器获取目标信息图像，并通过视觉处理获得目标的姿态信息。目标姿态信息对目标运动状态分析、故障分析等方面都具有重要的理论意义与工程价值，在航天、交通、工业自动化等领域扮演着举足轻重的作用。对于目标运动状态分析等功能而言，目标姿态误差是一个重要问题。能够确定自身携带的双目相机视觉的目标姿态误差范围，是水下机器人成功获取目标姿态信息并执行抓取等任务的必要条件。实际上，复杂的水下环境给机器人视觉的目标姿态误差测试带来很多困难，导致目前水下机器人不能对双目视觉的目标姿态误差进行监测。传统的视觉目标姿态误差校正只能在执行任务之前进行，而且误差测量过程非常复杂。如何在任务过程中实时获取目标姿态误差信息就成为一个需要研究的重要问题。

很多研究者尝试通过改进双目视觉的目标姿态测量方法来修正误差，但是能够在任务执行过程中实时监测双目相机的目标姿态误差，并应用于水下环境的测试方法却不多见。有文献提出一种基于视觉快速实现复杂构件装夹位姿误差在线测量的方法，首先进行参考框架生成，得到参考坐标系；再进行点云坐标系变换和分割，得到实测位姿模型；最后将实测位姿模型和参考位姿模型对比进行装夹位姿误差。有文献还提出了一种移动工业机器人单点多视角挂表位置和姿态误差的检测方法，通过多次拍照的图片进行模板匹配比较，确定特征点的相对误差，从而最终确定末端执行器的位置和姿态误差。它们的方法步骤非常繁琐复杂，不能够实时监测目标姿态误差，而且不适用于水下环境。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种用于水下双目视觉的目标姿态误差测量方法。利用三维定位系统完成世界坐标系的标定，并通过支架坐标系的构建简化相机坐标系以及目标物体坐标系的测量。世界坐标系与支架坐标系以及目标坐标系的构建以及协同工作极大地简化了姿态误差的计算过程，而且测试平台便于搭建，测试过程非常简便。

世界坐标系的构建主要通过三维定位系统对特定标定物进行标定来实现。在进行标定工作之前首先要确定三维定位系统的工作范围，并选取合适的位置作为世界坐标系原点。如图1所示的四个标定物位置，由四个标定物组成的两条直线的交点作为坐标系原点，短轴为世界坐标系Y_e轴，长轴为世界坐标系X_e轴。为了便于识别，同时减小标定数据误差，标定物选择标准的荧光小球，并且标定物的直径远小于三维定位系统的工作范围。在申请人所做实验中，将使用的标定物放在直角杆上，其中长边70cm，短边40cm。标定杆的颜色为黑色，与标定物有区分度，对三维定位系统识别标定物过程不造成干扰。

支架坐标系的构建也是利用三维定位系统通过对标定物进行标定来实现。标定物的位置如图2所示A，B，C三点处，本发明通过运用三个标定物构建支架坐标系，以BC方向为Y轴，以BA方向为X轴，Z轴则通过右手法则确定。而相机坐标系原点位于双目相机的左相机位置，即支架坐标系原点正下方，双目相机的两个摄像头连线方向为X_c轴，与支架坐标系X轴平行，Y_c轴与支架坐标系Y轴平行，支架坐标系的X轴与Y轴垂直。