[发明专利]基于合作目标的快速单目视觉位姿测量方法及测量系统

说明书

本发明属于光电测量技术领域，公开了一种基于合作目标的快速单目视觉位姿测量方法及测量系统，标定相机内参并记录；实时获取合作目标物的图像；依实时性要求进行图像缩放；基于颜色提取的方法进行目标分割；定位色框角点，使用二维线性插值确定棋盘格角点初始位置并放大至原始尺寸；依据缩放比例进行棋盘格角点亚像素定位；依据PnP算法实现坐标转换获得棋盘格靶标位姿信息。本发明使用特殊设计的含有定位色框与高精度棋盘格的合作靶标作为目标物，其角点坐标精度高，对多点位进行均值处理可减小随机误差，通过降低分辨率的方法，结合依据靶标特性实现的快速定位算法，实现角点识别，再进行亚像素识别，提升精度。

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，尤其涉及一种基于合作目标的快速单目视觉位姿测量方法及测量系统。尤其适用于机床、工业机械臂的末端位姿实时测量。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

在航空、航天、航海、工业领域中，小范围内的高速高精度位姿测量是实现加工设备精度检测及高精度控制的重要条件，低成本高精度的实时位姿测量设备在现代高精度设备中需求大幅提高，如机床、机器人的精度检测及全闭环控制均需要实时测量末端位姿。

在机床、机器人等工业设备的末端位姿实时测量中，传统方法使用激光测量设备。激光测量需要配合使用高精度的测量靶标，高精度靶标制造困难、安装难度大，且激光测量设备价格昂贵，无法大规模随设备普及，多数只能使用时安装，无法对量产设备运行过程实时监测。

基于合作目标的单目位姿测量需要一种具有按照要求排布的特征点的合作目标，特征提取的难度低，特征点提取精度高，测量精度高。相对于传统测量方法，基于合作目标的单目视觉测量具有成本低、安装简单、非接触性测量、不受物体形状限制等优势。但现有的使用合作目标的单目视觉测量算法计算量大，计算时间较长，无法满足测量的实时性要求。

激光测量设备精度高，实时性高，但设备昂贵，位姿检测能力不足；传统基于合作目标的视觉测量目标物需要特殊定制，制造成本高，位置与姿态测量能力弱，实时性差，无法充分满足现代加工设备的测量需求。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)激光测量设备位姿测量能力弱，缺少低成本位置及姿态测量方法。

(2)传统基于合作目标的视觉测量设备目标点位少，精度不足、位姿测量能力不足、实时性较弱。

(3)现有高精度合作目标定位方法计算量大，采样率低，无法实现实时测量。

解决上述技术问题的难度：

(1)低成本地高速高精度测量目标的空间三维位置及姿态，是现有技术的难点之一，激光测量设备无法同时测量位姿信息，视觉测量设备测量速度低。

(2)视觉测量设备中，高测量精度与高测量速度互相矛盾，在保证测量精度的前提下提高测量采样频率是现有技术难点之一。

(3)视觉测量设备在复杂工业环境下如何快速分离合作目标物、快速识别目标物信息具有一定难度。

解决上述技术问题的意义：

(1)低成本高速高精度测量目标的三维位置及姿态信息，是实现现有工业加工等领域中设备精度检测及高精度控制的重要条件。

(2)使用视觉测量设备，在保证测量精度测量范围条件下，提高测量速度即可提高测量采样频率，为动态精度检测及高精度控制提供充足数据。

(3)在复杂工业环境下快速分离目标物、快速识别目标物信息，有效降低计算量，提高计算速度，实现高速测量。

发明内容