基于激光环和单目视觉的空间物体位姿获取机理研究

通过单目视觉和激光环相结合，研究一种空间物体位置和姿态确定的新方法，为工业生产中的工件定位、机器人避障、移动机器人自主行走等提供基础技术支撑。具体研究内容为：1）单目视觉与激光环组合获取深度信息的机理分析，解决摄像机光轴与激光源轴线平行问题，解决由于点光源的漫射，在CCD成像平面上不可能形成一个点，采用重心法求取的中心往往与光源的中心不重合，从而影响测量精度问题；2）任意平面位姿获取的原理分析，利用激光环在CCD成像平面呈椭圆的特性，解决空间平面的姿态问题，寻找激光环短径在CCD成像平面上的位置对应信息，确定激光环光源中心相对于摄像机坐标系的深度信息；3）任意曲面重构的原理分析，研究激光环在CCD成像面上封闭曲线的求取方法，通过封闭曲线约束和深度信息估测，确定空间任意曲面重构的方法。

建立了单目视觉和激光环为主动标记的深度信息测量模型，得到了一种空间物体位置和姿态确定的新方法。第一，分析了单目视觉与激光环组合获取深度信息的机理，提出了摄像机光轴与激光源光轴或激光源母线平行的标定方法，该方法可以减少需要标定的参数，简化了测量模型，减少了计算工作量；第二，由于点激光源的漫射，在CCD成像平面上不可能形成一个点，分析了重心法求取激光源在成像平面上的图像中心与实际激光源的光轴不一致的原理误差，从而影响测量精度；第三，利用激光环照射在空间平面上呈现椭圆的特性，证明了该激光环在CCD成像面上也是椭圆，提出了利用成像椭圆获得空间任意平面位姿的原理与方法，该方法采用最小二乘椭圆拟合方法，求出CCD面上的成像椭圆方程，并以激光环边界的空间方程为约束条件，设计了基于约束的搜索算法。提出了以摄像机坐标系原点、激光源光轴上特定点（对圆柱激光源）或激光源锥顶（对圆锥激光源）、激光环边界的空间方程上任一点构造一个平面，得到该平面与成像椭圆方程的交点，然后建立空间直线方程，求取空间任意平面上的位置点的解析方法。上述两种方法都避开了重心法的不足，从原理上解决了测量误差问题。第四，利用激光环照射在空间曲面上，其边界呈现封闭曲线的特性，该封闭曲线在CCD成像面上也是封闭曲线，提出了利用该成像封闭曲线获得任意曲面重构的方法，该方法采用最小二乘多项式拟合方法，解决了CCD成像面上封闭曲线的求取算法，通过成像封闭曲线和激光环边界的空间方程，确定了空间任意曲面的重构；第五，为了验证上述方法的可行性，设计制造了一种三移动三转动六个自由度的位姿调节平台，该平台可以完成标靶、摄像机、激光源的位置和姿态地调整。由于很难购置到严格激光环，设计了点激光源地回转机构，通过电机驱动点激光源绕轴线旋转，采用高速摄像机摄像并合成，获得激光环，同时为六个自由度位姿调节平台和点激光源回转机构设计了控制系统。制作了实验用标靶，购置了三坐标测量机和高速摄像机，构建了基于激光环和单目视觉的目标物体位姿测量平台；最后，依据测量平台，进行了摄像机光轴、激光源母线确定的实验，标定了摄像机镜头的焦距、摄像机坐标系与成像坐标系的偏差、检查了摄像机镜头的畸变。进行了摄像机光轴与激光源母线平行的调节实验，并确定了激光源地锥顶坐标。进行了空间物体深度信息获取实验和空间任意平面位姿确定的实验。