[发明专利]基于手机单目视觉的棋盘格合作目标的六自由度测量方法及其应用

权利要求书

1.基于手机单目视觉的棋盘格合作目标的六自由度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一.在被测物上定义体坐标系及粘贴第一张棋盘格，且棋盘格与体坐标系的位姿关系易测；

步骤二.架设手机并设置焦距不变，手机相机拍摄被测物上的棋盘格图像1张；取一可活动的平板粘贴第二张棋盘格，通过移动或转动棋盘格，手机相机采集n张不同方位的棋盘格图像，其中，n≥2；可活动的平板上粘贴的棋盘格与物体上粘贴的棋盘格大小一致；

步骤三.将采集到的n+1张棋盘格图像利用张正友标定法标定，获得手机相机的内外参数，包括获取粘贴于被测物体上的棋盘格的坐标系与手机相机坐标系的位姿关系；

步骤四.根据被测物上的棋盘格坐标系与体坐标系的位姿关系，以及被测物上的棋盘格坐标系与手机相机坐标系的位姿关系，求解体坐标系与手机相机坐标系的位姿关系，即被测物体的六自由度；

步骤四中，根据步骤一和步骤三的数据，利用MATLAB编程求解体坐标系与手机相机坐标系的位姿关系。

2.按照权利要求1所述的基于手机单目视觉的棋盘格合作目标的六自由度测量方法，其特征在于：步骤一中，体坐标系以被测物质心为原点，随被测物的运动而运动；棋盘格粘贴在被测物的平面上，且棋盘格上建立的棋盘格坐标系与体坐标系的位姿关系通过人工测量的方式获得。

3.按照权利要求2所述的基于手机单目视觉的棋盘格合作目标的六自由度测量方法，其特征在于：步骤二中，设置焦距不变，从而手机相机拍摄照片时的焦距保持一致，通过锁定手机焦距方式实现焦距不变。

4.按照权利要求3所述的基于手机单目视觉的棋盘格合作目标的六自由度测量方法，其特征在于：步骤二中，手机相机拍摄的n+1张棋盘格图像包含完整的棋盘格；拍摄两张棋盘格图像时，棋盘格平面与手机相机的成像平面夹角不超过45°。

5.按照权利要求4所述的基于手机单目视觉的棋盘格合作目标的六自由度测量方法，其特征在于：步骤三中，将采集到的n+1张棋盘格图像利用张正友标定法标定获得手机相机的内外参数，通过MATLAB相机标定工具箱标定或者编程工具编程标定，标定的原理如下：

对于小孔成像模型，空间中某个点的世界坐标与像素坐标存在如下关系：

sm＝A[R T]M

其中，s为比例因子；m＝[u，v，1]^T为空间点的像素坐标的齐次形式；[R T]为从世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵和平移向量；M＝[x_w，y_w，z_w，1]^T为空间点的世界坐标的齐次形式；A称为内参数矩阵，f_x、f_y、u₀、v₀分别为相机的焦距和主点坐标，内参数矩阵形式如下：

对于处于棋盘格平面上的角点，其z_w＝0，则此时棋盘格上的角点存在如下关系：

其中，H＝A[r₁ r₂ T]，称为单应性矩阵，根据平面之间的单应性求解H中的元素，即相机的内外参数；为获得准确稳定的标定结果，所计算的内外参数作为最大似然估计法的初值，通过以下关系式得到准确的标定结果：

其中，为 点M_j在第i幅图像中的投影。

6.按照权利要求5所述的基于手机单目视觉的棋盘格合作目标的六自由度测量方法，其特征在于：步骤四中，求解体坐标系与手机相机坐标系的位姿关系根据下述关系式求得：

其中，是由体坐标系B到棋盘格坐标系B_j的旋转矩阵，由人工测量方式获得；是由棋盘格坐标系B_j到手机相机坐标系C的旋转矩阵，由步骤三获得；是由体坐标系B到棋盘格坐标系B_j的平移向量，其元素为该向量在棋盘格坐标系B_j下的分量，由人工测量方式获得；是由手机相机坐标系C到棋盘格坐标系B_j的平移向量，其元素为该向量在棋盘格坐标系下的分量。