一种视觉靶标标定与位姿解算方法.pdf

电气与自动化黄智超等一种视觉靶标标定与位姿解算方法第一作者简介:黄智超()男江苏南京人硕士研究生研究方向为飞机装配.:./.一种视觉靶标标定与位姿解算方法黄智超李泷杲李根齐凯(.南京航空航天大学 机电学院江苏 南京 .南京航空航天大学苏州研究院江苏 苏州)摘 要:视觉靶标是某种编码格式的固定视觉标志物 针对视觉靶标缺乏标定方法的问题研究了视觉靶标的标定和标定误差评价方法从而能够高精度地标定视觉靶标在空间中的位姿基于上述标定方法进一步地研究视觉靶标外参解算方法通过递推最小二乘方法优化误差函数求解 试验结果表明:利用此方法标定和解算视觉靶标的位姿精度高能够满足工业机器人和移动机器人的位姿求解需求关键词:视觉靶标激光跟踪仪靶标标定中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:引言随着数字测量技术的发展视觉测量系统有精度高、应用范围广、设备性价比高等优点在制造业中广泛应用 视觉靶标能够高精度解算与相机的位姿关系从而在工业机器人、移动机器人等场景中可以作为一种高精度位姿参照提高机器人的定位精度视觉靶标主要有 码、码、等多种不同形式 码所载信息量过大导致定位标识符区域减少限制了 码在导航定位中的应用 码设计应用于相机标定优化了编码方案和读取方法 在此基础上进一步优化提供比 码更准确的定位结果上述编码有效提高机器人位姿校准精度但在工业应用中上述靶标需要预先进行标定本文设计视觉靶标工装结合高精度测距设备激光跟踪仪来标定视觉靶标使用布尔沙参数法分析标定误差量 对于常用的 位姿解算方法本文通过递推最小二乘方法进一步优化使得相机接近并解算视觉靶标位姿时精度更高 视觉靶标标定本文方法具体步骤为:)标定工装在激光跟踪仪坐标系下位姿)更换视觉靶标以标定相机位姿采用相机识别视觉靶球坐标能够校准相机到激光跟踪仪坐标系的转换关系)相机读取视觉靶标定位标识解算视觉靶标坐标系在相机坐标系下的位姿关系)视觉靶标存储世界位姿)布尔沙参数法评价靶标标定偏差.激光跟踪仪标定视觉靶标位姿在视觉靶标工装上放置反射靶球获取其在激光跟踪仪坐标系下位姿 更换视觉靶球相机读取视觉靶球从而标定了相机在激光跟踪仪坐标系下位姿 此时识别视觉靶标定位即可完成视觉靶标在空间中的定位(图).靶标标定误差评价视觉靶标主要由激光跟踪仪确定标定(图)靶球由激光跟踪仪测量时存在测量误差因而靶球的实测位置与理论位置可能不配准 该配准误差会传到后续相机读取视觉靶标的位姿计算中 为此引入布尔沙其参数评价靶标定位误差 其包含 个平移误差量、个旋转误差量以及 个比例因子的误差关系传递模型电气与自动化黄智超等一种视觉靶标标定与位姿解算方法,2L=LL)L)=2L2$CC2FL)$CC,yCxCxMyMyGxGyLzLxL图 视觉靶标标定方法图3%DD3M*&,.*?PyGzGOGxGPGPGPLRGRGTGxLOLzLyL图 激光跟踪系统图 引入布尔沙参数后对每个靶球的测量模型可以构建为()式中:为理论靶球位姿为实测靶球位姿、为平移量即 、为旋转量即 为比例因子构造最小二乘方程即可求解七参数的最大或然解记所有靶球的实测数据均值为靶球数为 则所有靶球的配准误差可求解 ()()相机外参解算方法.外参粗略求解在世界坐标系中选取视觉靶标上一组特征空间点靶标位姿为 其在相机焦距归一化成像平面的成像点可经相机内参矩阵求解:()该点的世界坐标带入相机参数模型解算空间点在相机坐标系下的坐标:()将相机坐标系下的坐标映射到归一化成像平面整理得()对于 个已知空间点则可以得到 组共 个方程用矩阵表示方程关系关系式中共有 个未知数 简化式()运算得()式中:为单位向量因而有模长限定 当特征点数量多于 时函数为超定方程因而构造优化函数求解 优化目标为式()可求偏导得解()().递推最小二乘优化对上述构造的误差函数可通过构造递推最小二乘算法进一步优化()()()/()式中:为加强系数用于放大递推过程中的姿态误差从而最大限度调整姿态误差、为方向向量与平移向量按式()组合 为遗忘因子防止陷入局部极值推最小二乘法的初值由下式赋值:()()而 的初值由误差函数优化解得()()()()当递推收敛时的值可以精确获得计收敛时 变为 因为视觉靶标平面中特征点数多且必定不位于同一平面因而方程一定有解()()()()()()试验验证与数据分析.试验设置本试验在标定好视觉靶标后相机拍摄 组视觉靶标数据和视觉靶球数据比较激光跟踪仪的标定位姿与相电气与自动化黄智超等一种视觉靶标标定与位姿解算方法机外参解算之间的偏差本试验验证系统由激光跟踪仪(型号:精度:()/.)、视觉相机(型号:/精度:/)和视觉靶标(型号:尺寸:)组成(图)图 摄影测量试验现场.位姿解算试验数据测量 组视觉靶标在标定系统的标定与相机位姿解算的偏差 视觉靶标位姿不变动多次摆放标定工装和位姿解算 将多次标定的平均值确定为位姿的真实值测量值为视觉靶标位姿解算算法求解的偏差数据如表 所示处理的拟合数据如图 所示(本刊黑白印刷相关疑问请咨询作者)表 视觉靶标位姿解算偏差量 单位:偏差类型均值标准差标定偏差.解算偏差.6050403020100-0.06-0.04-0.0200.0230?0?0330.040.060.08图 视觉靶标位姿偏差分布 标定偏差以多次标定的均值为真值比较其数据偏离的程度标准差为.表明了标定程序的有效性以标定均值为依据分析位姿解算数据的偏离程度解算结果显示偏差均值为.位姿解算的标准差为.数据表明位姿校准精度较高能够满足通用的工业机器人和移动机器人位姿解算的需求 结语针对视觉靶标缺乏标定的问题提出一种基于激光跟踪仪和工装的视觉靶标标定方法 该方法通过激光跟踪标定工装坐标而后视觉靶标扫描视觉靶球进而标定靶标位姿 该系统之后还可以优化视觉靶标外参解算进一步提高位姿结算精度 试验结果表明:利用本文方法定位视觉靶标和解算视觉靶标位姿位姿解算精度高有效满足了工业机器人和移动机器人的位姿求解需求参考文献:王梅牛润军.数字化测量技术在飞机外形检测方面的应用研究.航空制造技术():./.:./.:.:/.:.葛成鹏.大尺寸测量场不确定度分析与优化.南京:南京航空航天大学.李琦.飞机大型结构件自动测量技术研究.南京:南京航空航天大学.朱小美张官进朱楠.基于 的布尔莎模型七参数解算实现.北京测绘():.收稿日期: