CN114516051B - 三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法及系统 - Google Patents

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CN114516051B CN202210272433.7A CN202210272433A CN114516051B CN 114516051 B CN114516051 B CN 114516051B CN 202210272433 A CN202210272433 A CN 202210272433A CN 114516051 B CN114516051 B CN 114516051B
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Abstract

本发明提供三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法和系统，其方法包括：在依据三个及以上自由度的机器人视觉测量系统的结构参数所建立的测量坐标系中表达待测点的像点及各交会点坐标，对待测点进行前方交会测量，获得待测点在测量坐标系中的坐标值；构建了载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵；结构参数包括：视觉传感器的相机内参数、载体中各独立运动部件的姿态参数和臂长、第一交切距及第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及第二主光轴旋转半径。本发明提供的方法和系统，无需前方控制点即可对空间待测点进行测量，创新了基于三个及以上自由度视觉测量系统结构参数的前方交会测量的方法，实现适用性更广泛的摄影测量。

Description

三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法及系统
技术领域
本发明涉及数字摄影测量技术领域，尤其涉及一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法及系统。
背景技术
随着机器视觉技术和AI技术在精细农业和机器人领域的应用需求的扩展，在农业以及其他行业的自动化智能化作业中，对高精度、无控制点测量的需求越来越高。
基于单目或多目摄像机的前方交会摄影测量一般需要基于多自由度的机器人进行前方交会视觉测量，而现有技术中难以基于多自由度的机器人进行前方交会视觉测量。因此，如何基于多自由度的机器人进行前方交会视觉测量是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法及系统，用以解决现有技术中难以基于多自由度的机器人进行前方交会视觉测量的缺陷，实现基于多自由度的机器人进行前方交会视觉测量是本领域亟待解决的技术问题。
本发明提供一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，包括：
基于载体的各部件中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件建立测量坐标系，以使得所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系固定，所述载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，每一所述独立运动部件对应的部件坐标系与所述测量坐标系的变换关系确定；其中，所述载体为三个及以上自由度机器人；所述载体上固定有视觉传感器；所述视觉传感器用于获取待测点的图像；
获取所述载体位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵和结构参数；其中，预设位的设置是用于在构建所述载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵时，确定所述载体位于预设位下各所述独立运动部件对应的初始姿态坐标系与所述测量坐标系之间的关系；所述载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵构建中，在每一所述独立运动部件位于初始姿态的情况下，所述载体位于预设位；所述结构参数包括：所述视觉传感器的相机内参数、所述载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件的姿态参数和每一所述独立运动部件的臂长；所述结构参数还包括：第一交切距及对应的第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及对应的第二主光轴旋转半径；所述第二交切距及所述第二主光轴旋转半径，是基于所述第一交切距、所述第一主光轴旋转半径和所述姿态坐标系变换矩阵获取的；
基于所述结构参数和所述姿态坐标系变换矩阵，在所述测量坐标系中表达所述载体位于预设位和实际位的情况下所述视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量；其中，所述待测点的像点为所述待测点在所述视觉传感器中的成像点；所述交会点为所述视觉传感器上所述像点和所述待测点连接光线的交会点；所述主光轴旋转半径为主光轴随所述载体旋转所形成切球的半径；所述交切距为所述主光轴与所述切球的切点和所述交会点之间的距离；
利用所述视觉传感器，获取包括所述待测点的图像，基于所述待测点的图像在所述测量坐标系中对每一配准像点进行立体场误差校正，基于所述结构参数、所述姿态坐标系变换矩阵和所述测量坐标系，获取所述载体位于实际位下每一所述配准像点对应的配准像点矢量，基于所述每一所述配准像点矢量和所述交会点矢量，对所述待测点进行前方交会测量，获得所述待测点在所述测量坐标系中的坐标值，根据所述待测点在所述测量坐标系中的坐标值以及所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系，获得所述待测点在所述世界坐标系中的坐标值。
根据本发明提供的一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，所述基于载体和预设位置关系建立测量坐标系，具体包括：
根据所述世界坐标系所在的部件，获取所述载体中空间位置相对于所述世界坐标系固定不变的部件，并在所述空间位置相对于所述世界坐标系固定不变的部件的旋转端建立测量坐标系，以使得所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系固定；
将所述测量坐标系所在部件的旋转端，作为所述测量坐标系原点OM，构建所述测量坐标系；
确定所述载体位于预设位的情况下，各所述独立运动部件对应的姿态坐标系与所述测量坐标系之间的旋转变换矩阵；
其中，所述独立运动部件包括旋转端和部件端，所述部件端可绕所述旋转端旋转。
根据本发明提供的一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，所述获取所述载体位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵，具体包括：
获取所述视觉传感器的焦距，在所述视觉传感器对应的传感器坐标系中标定所述主点Ocn的坐标；
在所述载体位于预设位的情况下，各所述独立运动部件对应的初始姿态坐标系中的各个轴与所述测量坐标系中的各个轴平行，但方向和名称不同；若各所述独立运动部件的姿态不为初始姿态，则将各所述独立运动部件的姿态旋转变换至初始姿态，再在所述载体位于预设位的情况下，获取第k个独立运动部件Lk从预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵
Figure GDA0004155127620000031
在所述第k个独立运动部件Lk位于实际位的情况下，所述第k个独立运动部件Lk位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵
Figure GDA0004155127620000032
表示为：
Figure GDA0004155127620000033
其中，a表示实际位的标识；p表示预设位的标识；i＝1,2,3…,k-1，k表示所述载体中所述独立运动部件的数量；n表示所述载体的运动次数；Lk表示第k个独立运动部件；所述视觉传感器固定于所述第k个独立运动部件Lk的部件端，相对于其他独立运动部件，所述第k个独立运动部件与所述载体本体之间的视觉测量相关的独立运动部件数最多；
Figure GDA0004155127620000041
表示所述第k个独立运动部件Lk在所述载体完成第n次运动之后，所述载体在第n-1次运动后的实际位到第n次运动后的实际位之间的姿态坐标系变换矩阵，所述载体的运动次数n为各独立运动部件旋转端运动次数的总和，载体每一次运动对应一个独立运动部件旋转端的运动；Rkp表示所述第k个独立运动部件Lk位于预设位下，各所述独立运动部件对应的姿态坐标系到所述测量坐标系之间的旋转变换矩阵。
根据本发明提供的一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，所述获取结构参数，具体包括：
获取所述独立运动部件的旋转端和部件端之间的长度，作为所述独立运动部件的臂长，获取所述独立运动部件运动时姿态值，作为所述独立运动部件的姿态参数，
在所述载体位于实际位，保持所述视觉传感器有两个方向垂直的自由度，且其中一个自由度是由所述第k个独立运动部件提供的情况下，将所述视觉传感器随所述载体旋转时主光轴旋转形成切球的半径，作为所述第一主光轴旋转半径ρ0，将主光轴与所述切球的切点Pn和交会点Fn之间的距离，作为所述第一交切距dz；
基于所述第一交切距dz、所述第一主光轴旋转半径ρ0和所述姿态坐标系变换矩阵
Figure GDA0004155127620000042
获取所述测量坐标系原点OM与所述测量坐标系原点OM投射到主光轴上的垂足P′n的距离，作为所述第二主光轴旋转半径ρ0n，将所述交会点Fn和所述垂足P′n之间的距离，作为所述第二交切距dzn。
根据本发明提供的一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，所述基于所述结构参数和所述姿态坐标系变换矩阵，在所述测量坐标系中表达所述载体位于实际位的情况下所述视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量，具体包括：
在所述载体位于预设位的情况下，所述第k个独立运动部件旋转端的中心Okp与所述载体位于预设位时的交会点Fp之间的矢量
Figure GDA0004155127620000043
所述载体位于预设位时的交会点Fp与所述传感器坐标系的原点Ocp之间的矢量
Figure GDA0004155127620000044
所述测量坐标系原点OM与所述第k个独立运动部件旋转端的中心Okp之间的矢量
Figure GDA0004155127620000045
以及所述传感器坐标系的原点Ocp与所述载体运动n次后所述待测点的像点
Figure GDA00041551276200000527
之间的矢量
Figure GDA0004155127620000051
在测量坐标系中的表达为：
Figure GDA0004155127620000052
Figure GDA0004155127620000053
Figure GDA0004155127620000054
Figure GDA0004155127620000055
在所述载体位于实际位的情况下，所述第k个独立运动部件旋转端的中心Okn与所述交会点Fn之间的矢量
Figure GDA0004155127620000056
所述交会点Fn与所述主点Ocn之间的矢量
Figure GDA0004155127620000057
所述测量坐标系的原点OM和所述第k个独立运动部件旋转端的中心Okn之间的矢量
Figure GDA0004155127620000058
以及所述主点Ocn与所述待测点的像点
Figure GDA0004155127620000059
之间的矢量在测量坐标系中的表达为：
Figure GDA00041551276200000510
Figure GDA00041551276200000511
Figure GDA00041551276200000512
Figure GDA00041551276200000513
据此，在所述载体位于实际位的情况下，所述视觉传感器的主点矢量
Figure GDA00041551276200000514
待测点的像点矢量
Figure GDA00041551276200000515
和交会点矢量
Figure GDA00041551276200000516
在测量坐标系中的第一种表达方式为：
Figure GDA00041551276200000517
Figure GDA00041551276200000518
因此，
Figure GDA00041551276200000519
其中，
Figure GDA00041551276200000520
和
Figure GDA00041551276200000521
分别表示以主点为原点的所述传感器坐标系中待测像点
Figure GDA00041551276200000522
的像素坐标；
Figure GDA00041551276200000523
u0和v0分别表示所述主点Ocn在所述图像对应的传感器图像坐标系中u轴和v轴方向上的像素坐标；
Figure GDA00041551276200000524
和
Figure GDA00041551276200000525
分别表示所述待测点的像点
Figure GDA00041551276200000526
在所述传感器图像坐标系中u轴和v轴方向上的像素坐标；psx和psy表示像素尺寸，f表示所述焦距，lk表示所述第k个独立运动部件Lk的臂长；
所述第一主光轴旋转半径ρ0和所述第二主光轴旋转半径ρ0n之间的差矢量，等于所述垂足P′n与所述切点Pn之间的矢量
Figure GDA0004155127620000061
与所述测量坐标系原点OM和Okn之间的矢量
Figure GDA0004155127620000062
之间的差矢量，
Figure GDA0004155127620000063
与
Figure GDA0004155127620000064
的夹角余弦为：
Figure GDA0004155127620000065
所述第一主光轴旋转半径ρ0和所述第二主光轴旋转半径ρ0n之间的差矢量为
Figure GDA0004155127620000066
Figure GDA0004155127620000067
Figure GDA0004155127620000068
其中
Figure GDA0004155127620000069
Figure GDA00041551276200000610
为预先标定的量或已知量；
由于
Figure GDA00041551276200000611
则：
Figure GDA00041551276200000612
在所述载体位于实际位的情况下，所述视觉传感器的主点矢量
Figure GDA00041551276200000613
待测点的像点矢量
Figure GDA00041551276200000614
和交会点矢量
Figure GDA00041551276200000615
在测量坐标系中的第二种表达方式为：
Figure GDA00041551276200000616
其中，
Figure GDA00041551276200000617
Figure GDA00041551276200000618
所述主点矢量
Figure GDA00041551276200000619
与所述待测点的像点矢量
Figure GDA00041551276200000620
的第二种表达方式与第一种表达方式相同。
根据本发明提供的一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，所述基于所述每一所述配准像点矢量和所述交会点矢量，对所述待测点进行前方交会测量，获得所述待测点在所述世界坐标系，具体包括：
基于所述结构参数和所述姿态坐标系变换矩阵，在所述测量坐标系中表达的所述待测点Bm的坐标为
Figure GDA00041551276200000621
所述待测点的像点
Figure GDA00041551276200000622
的坐标为
Figure GDA00041551276200000623
所述待测点Bm对应的交会点Fn的坐标为
Figure GDA00041551276200000624
基于在所述载体位于实际位的情况下，所述视觉传感器的主点矢量
Figure GDA0004155127620000071
待测点的像点矢量
Figure GDA0004155127620000072
和交会点矢量
Figure GDA0004155127620000073
在测量坐标系中的第一种表达方式或第二种表达方法，获得三点共线方程：
Figure GDA0004155127620000074
解得：
Figure GDA0004155127620000075
进行泰勒展开，得到：
Figure GDA0004155127620000076
其中，所述待测点的像点
Figure GDA0004155127620000077
的坐标
Figure GDA0004155127620000078
经过立体场像差校正；
其中，
Figure GDA0004155127620000079
将误差方程表达为：
Figure GDA00041551276200000710
其中，常数项为：
Figure GDA0004155127620000081
系数列矩阵
Figure GDA0004155127620000082
解得第n次迭代改正数为：χn＝(Λn TΛn)-1Λn TLn；
根据第n次迭代改正数χn，迭代得到所述待测点Bm在测量坐标系中的坐标
Figure GDA0004155127620000083
本发明还提供一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会系统，包括：
坐标系构建模块，用于基于载体的各部件中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件建立测量坐标系，以使得所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系固定，所述载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，每一所述独立运动部件对应的部件坐标系与所述测量坐标系的变换关系确定；其中，所述载体为三个及以上自由度机器人；所述载体上固定有视觉传感器；所述视觉传感器用于获取待测点的图像；
参数获取模块，用于获取所述载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵和结构参数；其中，预设位的设置是用于在构建所述载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵时，确定所述载体位于预设位下各所述独立运动部件对应的初始姿态坐标系与所述测量坐标系之间的关系；所述载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵构建中，在每一所述独立运动部件位于初始姿态的情况下，所述载体位于预设位；所述结构参数包括：所述视觉传感器的相机内参数、所述载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件的姿态参数和每一所述独立运动部件的臂长；所述结构参数还包括：第一交切距及对应的第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及对应的第二主光轴旋转半径；所述第二交切距及所述第二主光轴旋转半径，是基于所述第一交切距、所述第一主光轴旋转半径和所述姿态坐标系变换矩阵获取的；
矢量表达单元，用于基于所述结构参数和所述姿态坐标系变换矩阵，在所述测量坐标系中表达所述载体位于实际位的情况下所述视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量；其中，所述待测点的像点为所述待测点在所述视觉传感器中的成像点；所述交会点为所述视觉传感器上所述像点和所述待测点连接光线的交会点；所述主光轴旋转半径为主光轴随所述载体旋转所形成切球的半径；所述交切距为所述主光轴与所述切球的切点和所述交会点之间的距离；
前方交会测量单元，用于利用所述视觉传感器，获取包括所述待测点的图像，基于所述待测点的图像在所述测量坐标系中对每一配准像点进行立体场误差校正，基于所述结构参数、所述姿态坐标系变换矩阵和所述测量坐标系，获取所述载体位于实际位下每一所述配准像点对应的配准像点矢量，基于所述每一所述配准像点矢量和所述交会点矢量，对所述待测点进行前方交会测量，获得所述待测点在所述测量坐标系中的坐标值，根据所述待测点在所述测量坐标系中的坐标值以及所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系，获得所述待测点在所述世界坐标系中的坐标值。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法。
本发明提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法及系统，一方面能实现基于三个及以上自由度的机器人在农业或其他实际生活场景中，灵活地进行前方交会测量，另一方面能实施无靶标测量，适应场景的环境条件宽泛，扩展了视觉系统的应用场景和提高了测量精度，进而创新性地实现了三个及以上自由度的视觉测量载体结构参数的前方交会测量方法和系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法的流程示意图；
图2是本发明提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法中基于第一交切距和第一主光轴旋转半径的前方交会示意图；
图3是本发明提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法中基于第二交切距和第二主光轴旋转半径的前方交会示意图；
图4是本发明提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会系统的结构示意图；
图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法的流程示意图。下面结合图1描述本发明的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法。如图1所示，该方法包括：步骤101、基于载体的各部件中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件建立测量坐标系，以使得测量坐标系与世界坐标系之间的变换关系固定，载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，每一独立运动部件对应的部件坐标系与测量坐标系的变换关系确定；其中，载体为三个及以上自由度机器人；载体上固定有视觉传感器；视觉传感器用于获取待测点的图像。
具体地，可以获取三个及以上自由度的机器人作为载体。
上述载体包括可以包括多个部件。其中，可以将上述载体中与视觉测量相关的部件称为独立运动部件。由于载体具有三个及以上自由度，因此上述载体可以包括三个及以上个独立运动部件。每一独立运动部件均对应一个部件坐标系。
需要说明的是，待测点可以是待测空间中的任意一点。
步骤102、获取载体位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵和结构参数；其中，预设位的设置是用于在构建载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵时，确定载体位于预设位下各独立运动部件对应的初始姿态坐标系与测量坐标系之间的关系；载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵构建中，在每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，载体位于预设位；结构参数包括：视觉传感器的相机内参数、载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件的姿态参数和每一独立运动部件的臂长；结构参数还包括：第一交切距及对应的第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及对应的第二主光轴旋转半径；第二交切距及第二主光轴旋转半径，是基于第一交切距、第一主光轴旋转半径和姿态坐标系变换矩阵获取。
需要说明的是，载体位于预设位的情况下，载体可以通过运动，以达到不同的实际位。
具体地，可以通过数值计算、数理统计等方式，获取载体位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵和结构参数。
步骤103、基于结构参数和姿态坐标系变换矩阵，在测量坐标系中表达载体位于预设位和实际位的情况下视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量；其中，待测点的像点为待测点在视觉传感器中的成像点；交会点为视觉传感器上像点和待测点连接光线的交会点；主光轴旋转半径为主光轴随载体旋转所形成切球的半径；交切距为主光轴与切球的切点和交会点之间的距离。
具体地，获得结构参数和载体位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵之后，可以通过数值计算、数理统计等方式，在测量坐标系中表达载体位于实际位的情况下，视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和待测点的交会点矢量。
步骤104、利用视觉传感器，获取包括待测点的图像，基于待测点的图像在测量坐标系中对每一配准像点进行立体场误差校正；基于结构参数、姿态坐标系变换矩阵和测量坐标系，获取所述载体位于实际位下每一配准像点对应的配准像点矢量，基于每一配准像点矢量和交会点矢量，对待测点进行前方交会测量，获得待测点在测量坐标系中的坐标值，根据待测点在测量坐标系中的坐标值和以及测量坐标系与世界坐标系之间的变换关系，获得待测点在世界坐标系中的坐标值。
具体地，在载体处于实际位的情况下，视觉传感器可以获取包括待测点的图像。
视觉传感器获取包括待测点的图像之后，可以基于上述包括待测点的图像，可以基于传统的立体场误差校正方法，通过数值计算、数理统计的方法，获取每一配准像点对应的配准像点矢量。
获取每一配准像点对应的配准像点矢量之后，基于每一配准像点矢量和交会点矢量，可以基于传统的前方交会测量方法，对待测点进行前方交会测量，获得待测点在测量坐标系中的坐标值。
获得待测点在测量坐标系中的坐标值之后，可以基于测量坐标系与世界坐标系之间的变换关系以及待测点在测量坐标系中的坐标值，获得待测点在世界坐标系中的坐标值。
本发明实施例一方面能实现基于三个及以上自由度的机器人在农业或其他实际生活场景中，灵活地进行前方交会测量，另一方面能实施无靶标测量，适应场景的环境条件宽泛，扩展了视觉系统的应用场景和提高了测量精度，进而创新性地实现了三个及以上自由度的视觉测量载体结构参数的前方交会测量方法和系统。
基于上述各实施例的内容，基于载体和预设位置关系建立测量坐标系，具体包括：根据世界坐标系所在的部件，获取载体中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件，并在空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件的旋转端建立测量坐标系，以使得测量坐标系与世界坐标系之间的变换关系固定。
图2是本发明提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法中基于第一交切距和第一主光轴旋转半径的前方交会示意图。图3是本发明提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法中基于第二交切距和第二主光轴旋转半径的前方交会示意图。如图2和图3所示，本发明实施例中的载体包括三个独立运动部件。
需要说明的是，按照独立运动部件与载体本体连接的顺序，可以对各独立运动部件进行编号，作为各独立运动部件的标识。与载体本体直接连接或通过其他部件与载体本体连接的第一个独立运动部件可以编号为1，上述第一个独立运动部件的标识为L1。如图2和图3所示，第一独立运动部件上方依次与上述第一个独立运动部件L1连接的独立运动部件，分别为第二个独立运动部件L2和第三个独立运动部件L3。
如图2和图3所示，根据世界坐标系所在的部件，可以确定载体中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件为第二个独立运动部件L2。
将测量坐标系所在部件的旋转端，作为测量坐标系原点OM，构建测量坐标系。其中，独立运动部件包括旋转端和部件端，部件端可绕旋转端旋转。
具体地，如图2和图3所示，确定第二个独立运动部件L2为测量坐标系所在部件之后，可以将第二个独立运动部件L2的旋转端的中心O2，作为测量坐标系原点OM，并基于测量坐标系原点OM构建测量坐标系。
确定载体位于预设位的情况下，各独立运动部件对应的姿态坐标系与测量坐标系的旋转变换矩阵。
具体地，构建测量坐标系之后，可以通过数值计算、数理统计等方式，确定载体位于预设位的情况下，各独立运动部件对应的姿态坐标系与测量坐标系之间的旋转变换矩阵。
本发明实施例通过构建测量坐标系，能实现基于三个及以上自由度的机器人进行前方交会测量。
基于上述各实施例的内容，获取所述载体位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵，具体包括：获取视觉传感器的焦距，在传感器坐标系中标定主点Ocn的坐标。
在载体位于预设位的情况下，各独立运动部件对应的初始姿态坐标系中的各个轴与测量坐标系中的各个轴平行，但方向和名称不同；若各独立运动部件的姿态不为初始姿态，则将各独立运动部件的姿态旋转变换至初始姿态，再在载体位于预设位的情况下，获取第k个独立运动部件Lk从预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵
Figure GDA0004155127620000141
在第k个独立运动部件Lk位于实际位的情况下，第k个独立运动部件Lk位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵
Figure GDA0004155127620000142
表示为：
Figure GDA0004155127620000143
其中，a表示实际位的标识；p表示预设位的标识；i＝1,2,3…,k-1，k表示载体中独立运动部件的数量；n表示载体的运动次数；Lk表示第k个独立运动部件；视觉传感器固定于第k个独立运动部件Lk的部件端，相对于其他独立运动部件，第k个独立运动部件Lk与载体本体之间的视觉测量相关的独立运动部件数最多；
Figure GDA0004155127620000144
表示第k个独立运动部件Lk在载体完成第n次运动之后，载体在第n-1次运动后的实际位到第n次运动后的实际位之间的姿态坐标系变换矩阵，载体的运动次数n为各独立运动部件旋转端运动次数的总和，载体每一次运动对应一个独立运动部件旋转端的运动；Rkp表示载体的独立运动部件k位于预设位下，各独立运动部件对应的姿态坐标系到测量坐标系之间的旋转变换矩阵。
具体地，如图2和图3所示，在载体中独立运动部件的数量为3个的情况下，k的取值为3，视觉传感器固定于第三个独立运动部件L3的部件端。
在载体位于实际位以及载体中独立运动部件的数量为三个的情况下，第三个独立运动部件L3位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵
Figure GDA0004155127620000145
表示为：
Figure GDA0004155127620000146
基于上述各实施例的内容，获取结构参数，具体包括：获取独立运动部件的旋转端和部件端之间的长度，作为独立运动部件臂长，获取独立运动部件运动时姿态值，作为独立运动部件的姿态参数，在载体位于实际位，保持视觉传感器有两个方向不同的自由度，且其中一个自由度是由第k个独立运动部件提供的情况下，将视觉传感器随载体旋转时主光轴旋转形成切球的半径，作为第一主光轴旋转半径ρ0，将主光轴与切球的切点Pn和交会点Fn之间的距离，作为第一交切距dz。
具体地，可以基于传统的测量方法，获取每一独立运动部件的旋转端与部件端之间的长度，作为每一独立运动部件的臂长。
可以基于载体的运动监控，获取每一独立运动部件运动时的姿态值，作为每一独立运动部件的姿态参数。
在载体位于实际位的情况下，可以通过控制第三个独立运动部件L3提供一个方向的自由度，控制第一个独立运动部件L1或第二个独立运动部件L2提供另一个方向的自由度，从而保持视觉传感器有两个方向不同的自由度。
如图2所示，在载体位于实际位，保持视觉传感器有两个方向不同的自由度，且其中一个自由度是由第k个独立运动部件目标独立运动部件提供的情况下，可以通过数值计算、数理统计等方式，获取视觉传感器随载体旋转时主光轴旋转形成切球的半径，作为第一主光轴旋转半径ρ0，获取主光轴与上述切球的切点Pn和交会点Fn之间的距离，作为第一交切距dz。
基于第一交切距dz、第一主光轴旋转半径ρ0和姿态坐标系变换矩阵，获取测量坐标系原点OM与测量坐标系原点OM投射到主光轴上的垂足P′n的距离，作为第二主光轴旋转半径ρ0n，将交会点Fn和垂足P′n之间的距离，作为第二交切距dzn。
具体地，如图3所示，获取第一交切距dz和第一主光轴旋转半径ρ0之后，可以基于第一交切距dz、第一主光轴旋转半径ρ0和在载体位于实际位的情况下，第三个独立运动部件L3位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵
Figure GDA0004155127620000151
通过矢量计算等方式，获取测量坐标系原点OM与测量坐标系原点OM投射到主光轴上的垂足P′n的距离，作为第二主光轴旋转半径ρ0n，将交会点Fn和垂足P′n之间的距离，作为第二交切距dzn。
基于上述各实施例的内容，基于结构参数和姿态坐标系变换矩阵，在测量坐标系中表达载体位于实际位的情况下视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量，具体包括：在载体位于预设位的情况下，第k个独立运动部件的旋转端Okp与载体位于预设位时的交会点Fp之间的矢量
Figure GDA0004155127620000161
载体位于预设位时的交会点Fp与传感器坐标系的原点Ocp之间的矢量
Figure GDA0004155127620000162
测量坐标系原点OM与第k个独立运动部件的旋转端Okp之间的矢量
Figure GDA0004155127620000163
以及传感器坐标系的原点Ocp与载体运动n次后待测点的像点
Figure GDA0004155127620000164
之间的矢量
Figure GDA0004155127620000165
在测量坐标系中的表达为：
Figure GDA0004155127620000166
Figure GDA0004155127620000167
Figure GDA0004155127620000168
Figure GDA0004155127620000169
可选地，如图2所示，在载体位于预设位、载体中独立运动部件的数量为3个以及测量坐标下的原点位于第二个独立运动部件旋转端的中心O2的情况下，第三个独立运动部件旋转端的中心O3p与载体位于预设位时的交会点Fp之间的矢量
Figure GDA00041551276200001610
载体位于预设位时的交会点Fp与传感器坐标系的原点Ocp之间的矢量
Figure GDA00041551276200001611
测量坐标系原点O2与第三个独立运动部件旋转端的中心O3p之间的矢量
Figure GDA00041551276200001612
以及传感器坐标系的原点Ocp与载体运动n次后待测点的像点
Figure GDA00041551276200001613
之间的矢量
Figure GDA00041551276200001614
在测量坐标系中的表达为：
Figure GDA00041551276200001615
Figure GDA00041551276200001616
Figure GDA00041551276200001617
Figure GDA00041551276200001618
在载体位于实际位的情况下，第k个独立运动部件旋转端的中心Okn与交会点Fn之间的矢量
Figure GDA00041551276200001619
交会点Fn与主点Ocn之间的矢量
Figure GDA00041551276200001620
测量坐标系原点OM和第k个独立运动部件旋转端的中心Okn之间的矢量
Figure GDA00041551276200001621
以及主点Ocn与待测点的像点
Figure GDA00041551276200001622
之间的矢量在测量坐标系中的表达为：
Figure GDA0004155127620000171
Figure GDA0004155127620000172
Figure GDA0004155127620000173
Figure GDA0004155127620000174
可选地，如图2所示，在载体位于预设位、载体中独立运动部件的数量为3个以及测量坐标下的原点位于第二个独立运动部件旋转端的中心O2的情况下，第三个独立运动部件旋转端的中心O3n与交会点Fn之间的矢量
Figure GDA0004155127620000175
交会点Fn与主点Ocn之间的矢量
Figure GDA0004155127620000176
测量坐标系的原点O2和第三个独立运动部件旋转端的中心O3n之间的矢量
Figure GDA0004155127620000177
以及主点Ocn与待测点的像点
Figure GDA0004155127620000178
之间的矢量在测量坐标系中的表达为：
Figure GDA0004155127620000179
Figure GDA00041551276200001710
Figure GDA00041551276200001711
Figure GDA00041551276200001712
据此，在载体位于实际位的情况下，视觉传感器的主点矢量
Figure GDA00041551276200001713
待测点的像点矢量
Figure GDA00041551276200001714
和交会点矢量
Figure GDA00041551276200001715
在测量坐标系中的第一种表达方式为：
Figure GDA00041551276200001716
Figure GDA00041551276200001717
因此，
Figure GDA00041551276200001718
其中，
Figure GDA00041551276200001719
和
Figure GDA00041551276200001720
分别表示以主点为原点的传感器坐标系中待测像点
Figure GDA00041551276200001721
的像素坐标；
Figure GDA00041551276200001722
u0和v0分别表示主点Ocn在图像对应的传感器图像坐标系中u轴和v轴方向上的像素坐标；
Figure GDA00041551276200001723
和
Figure GDA00041551276200001724
分别表示待测点的像点
Figure GDA00041551276200001725
在传感器图像坐标系中u轴和v轴方向上的像素坐标；psx和psy表示像素尺寸；f表示焦距；lk表示第k个独立运动部件Lk的臂长。
可选地，如图2所示，在载体位于预设位、载体中独立运动部件的数量为3个以及测量坐标下的原点位于第二个独立运动部件旋转端的中心O2的情况下，视觉传感器的主点矢量
Figure GDA0004155127620000181
待测点的像点矢量
Figure GDA0004155127620000182
和交会点矢量
Figure GDA0004155127620000183
在测量坐标系中的第一种表达方式为：
Figure GDA0004155127620000184
Figure GDA0004155127620000185
因此，
Figure GDA0004155127620000186
需要说明的是，以下对应图3说明在载体位于实际位的情况下，视觉传感器的主点矢量
Figure GDA0004155127620000187
待测点的像点矢量
Figure GDA0004155127620000188
和交会点矢量
Figure GDA0004155127620000189
在测量坐标系中的第二种表达方式的推导过程。
第一主光轴旋转半径ρ0和第二主光轴旋转半径ρ0n之间的差矢量，等于垂足P′n与切点Pn之间的矢量
Figure GDA00041551276200001810
与测量坐标系原点OM和Okn之间的矢量
Figure GDA00041551276200001811
之间的差矢量，
Figure GDA00041551276200001812
与
Figure GDA00041551276200001813
的夹角余弦为：
Figure GDA00041551276200001814
第一主光轴旋转半径ρ0和第二主光轴旋转半径ρ0n之间的差矢量为
Figure GDA00041551276200001815
Figure GDA00041551276200001816
Figure GDA00041551276200001817
其中
Figure GDA00041551276200001818
Figure GDA00041551276200001819
为预先标定的量或已知量；
由于
Figure GDA00041551276200001820
则：
Figure GDA00041551276200001821
可选地，如图3所示，在载体位于预设位、载体中独立运动部件的数量为3个以及测量坐标下的原点位于第二个独立运动部件旋转端的中心OM的情况下，
Figure GDA00041551276200001822
与
Figure GDA00041551276200001823
的夹角余弦为：
Figure GDA00041551276200001824
第一主光轴旋转半径ρ0和第二主光轴旋转半径ρ0n之间的差矢量为
Figure GDA00041551276200001825
Figure GDA0004155127620000191
Figure GDA0004155127620000192
其中
Figure GDA0004155127620000193
Figure GDA0004155127620000194
为预先标定的量或已知量；
由于
Figure GDA0004155127620000195
则：
Figure GDA0004155127620000196
在载体位于实际位的情况下，视觉传感器的主点矢量
Figure GDA0004155127620000197
待测点的像点矢量
Figure GDA0004155127620000198
和交会点矢量
Figure GDA0004155127620000199
在测量坐标系中的第二种表达方式为：
Figure GDA00041551276200001910
其中，
Figure GDA00041551276200001911
Figure GDA00041551276200001912
主点矢量
Figure GDA00041551276200001913
与待测点的像点矢量
Figure GDA00041551276200001914
的第二种表达方式与第一种表达方式相同。
可选地，如图3所示，在载体位于预设位、载体中独立运动部件的数量为3个以及测量坐标下的原点位于第二个独立运动部件旋转端的中心OM的情况下，视觉传感器的主点矢量
Figure GDA00041551276200001915
待测点的像点矢量
Figure GDA00041551276200001916
和交会点矢量
Figure GDA00041551276200001917
在测量坐标系中的第二种表达方式为：
Figure GDA00041551276200001918
其中，
Figure GDA00041551276200001919
Figure GDA00041551276200001920
主点矢量
Figure GDA00041551276200001921
与待测点的像点矢量
Figure GDA00041551276200001922
的第二种表达方式与第一种表达方式相同。
基于上述各实施例的内容，基于每一配准像点矢量和交会点矢量，对待测点进行前方交会测量，获得待测点在世界坐标系，具体包括：基于结构参数和姿态坐标系变换矩阵，在测量坐标系中表达的待测点Bm的坐标为
Figure GDA00041551276200001923
待测点的像点
Figure GDA00041551276200001924
的坐标为
Figure GDA00041551276200001925
待测点Bm对应的交会点Fn的坐标为
Figure GDA00041551276200001926
基于在载体位于实际位的情况下，视觉传感器的主点矢量
Figure GDA00041551276200001927
待测点的像点矢量
Figure GDA00041551276200001928
和交会点矢量
Figure GDA00041551276200001929
在测量坐标系中的第一种表达方式或第二种表达方法，获得三点共线方程：
Figure GDA0004155127620000201
解得：
Figure GDA0004155127620000202
进行泰勒展开，得到：
Figure GDA0004155127620000203
其中，待测点的像点
Figure GDA0004155127620000204
的坐标
Figure GDA0004155127620000205
经过立体场像差校正；
其中，
Figure GDA0004155127620000206
将误差方程表达为：
Figure GDA0004155127620000207
其中，常数项为：
Figure GDA0004155127620000211
系数列矩阵
Figure GDA0004155127620000212
解得第n次迭代改正数为：χn＝(Λn TΛn)-1Λn TLn；
根据第n次迭代改正数χn，迭代得到待测点Bm在测量坐标系中的坐标
Figure GDA0004155127620000213
图4是本发明提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会系统的结构示意图。下面结合图4对本发明提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会系统进行描述，下文描述的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会系统与上文描述的本发明提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法可相互对应参照。如图4所示，该装置包括：坐标系构建模块401、参数获取模块402、矢量表达单元403和前方交会测量单元404。
坐标系构建模块401，用于基于载体的各部件中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件建立测量坐标系，以使得测量坐标系与世界坐标系之间的变换关系固定，载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，每一独立运动部件对应的部件坐标系与测量坐标系的变换关系确定；其中，载体为三个及以上自由度机器人；载体上固定有视觉传感器；视觉传感器用于获取待测点的图像；
参数获取模块402，用于获取载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵和结构参数；其中，预设位的设置是用于在构建载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵时，确定载体位于预设位下各独立运动部件对应的初始姿态坐标系与测量坐标系之间的关系；载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵构建中，在每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，载体位于预设位；结构参数包括：视觉传感器的相机内参数、载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件的姿态参数和每一独立运动部件的臂长；结构参数还包括：第一交切距及对应的第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及对应的第二主光轴旋转半径；第二交切距及第二主光轴旋转半径，是基于第一交切距、第一主光轴旋转半径和姿态坐标系变换矩阵获取的。
矢量表达单元403，用于基于结构参数和姿态坐标系变换矩阵，在测量坐标系中表达载体位于预设位和实际位的情况下视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量；其中，待测点的像点为待测点在视觉传感器中的成像点；交会点为视觉传感器上像点和待测点连接光线的交会点；主光轴旋转半径为主光轴随载体旋转所形成切球的半径；交切距为主光轴与切球的切点和交会点之间的距离；
前方交会测量单元404，用于利用视觉传感器，获取包括待测点的图像，基于待测点的图像在测量坐标系中对每一配准像点进行立体场误差校正，基于结构参数、姿态坐标系变换矩阵和测量坐标系，获取载体位于实际位下每一配准像点对应的配准像点矢量，基于每一配准像点矢量和交会点矢量，对待测点进行前方交会测量，获得待测点在测量坐标系中的坐标值，根据待测点在测量坐标系中的坐标值以及测量坐标系与世界坐标系之间的变换关系，获得待测点在世界坐标系中的坐标值。
具体地，坐标系构建模块401、参数获取模块402、矢量表达单元403和前方交会测量单元404电连接。
本发明实施例一方面能实现基于三个及以上自由度的机器人在农业或其他实际生活场景中，灵活地进行前方交会测量，另一方面能实施无靶标测量，适应场景的环境条件宽泛，扩展了视觉系统的应用场景和提高了测量精度，进而创新性地实现了三个及以上自由度的视觉测量载体结构参数的前方交会测量方法和系统。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，该方法包括：基于载体的各部件中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件建立测量坐标系，以使得测量坐标系与世界坐标系之间的变换关系固定，载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，每一独立运动部件对应的部件坐标系与测量坐标系的变换关系确定；其中，载体为三个及以上自由度机器人；载体上固定有视觉传感器；视觉传感器用于获取待测点的图像；获取载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵和结构参数；其中，预设位的设置是用于在构建载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵时，确定载体位于预设位下各独立运动部件对应的初始姿态坐标系与测量坐标系之间的关系；载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵构建中，在每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，载体位于预设位；结构参数包括：视觉传感器的相机内参数、载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件的姿态参数和每一独立运动部件的臂长；结构参数还包括：第一交切距及对应的第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及对应的第二主光轴旋转半径；第二交切距及第二主光轴旋转半径，是基于第一交切距、第一主光轴旋转半径和姿态坐标系变换矩阵获取的；基于结构参数和姿态坐标系变换矩阵，在测量坐标系中表达载体位于预设位和实际位的情况下视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量；其中，待测点的像点为待测点在视觉传感器中的成像点；交会点为视觉传感器上像点和待测点连接光线的交会点；主光轴旋转半径为主光轴随载体旋转所形成切球的半径；交切距为主光轴与切球的切点和交会点之间的距离；利用视觉传感器，获取包括待测点的图像，基于待测点的图像在测量坐标系中对每一配准像点进行立体场误差校正，基于结构参数、姿态坐标系变换矩阵和测量坐标系，获取载体位于实际位下每一配准像点对应的配准像点矢量，基于每一配准像点矢量和交会点矢量，对待测点进行前方交会测量，获得待测点在测量坐标系中的坐标值，根据待测点在测量坐标系中的坐标值以及测量坐标系与世界坐标系之间的变换关系，获得待测点在世界坐标系中的坐标值。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，该方法包括：基于载体的各部件中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件建立测量坐标系，以使得测量坐标系与世界坐标系之间的变换关系固定，载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，每一独立运动部件对应的部件坐标系与测量坐标系的变换关系确定；其中，载体为三个及以上自由度机器人；载体上固定有视觉传感器；视觉传感器用于获取待测点的图像；获取载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵和结构参数；其中，预设位的设置是用于在构建载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵时，确定载体位于预设位下各独立运动部件对应的初始姿态坐标系与测量坐标系之间的关系；载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵构建中，在每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，载体位于预设位；结构参数包括：视觉传感器的相机内参数、载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件的姿态参数和每一独立运动部件的臂长；结构参数还包括：第一交切距及对应的第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及对应的第二主光轴旋转半径；第二交切距及第二主光轴旋转半径，是基于第一交切距、第一主光轴旋转半径和姿态坐标系变换矩阵获取的；基于结构参数和姿态坐标系变换矩阵，在测量坐标系中表达载体位于预设位和实际位的情况下视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量；其中，待测点的像点为待测点在视觉传感器中的成像点；交会点为视觉传感器上像点和待测点连接光线的交会点；主光轴旋转半径为主光轴随载体旋转所形成切球的半径；交切距为主光轴与切球的切点和交会点之间的距离；利用视觉传感器，获取包括待测点的图像，基于待测点的图像在测量坐标系中对每一配准像点进行立体场误差校正，基于结构参数、姿态坐标系变换矩阵和测量坐标系，获取载体位于实际位下每一配准像点对应的配准像点矢量，基于每一配准像点矢量和交会点矢量，对待测点进行前方交会测量，获得待测点在测量坐标系中的坐标值，根据待测点在测量坐标系中的坐标值以及测量坐标系与世界坐标系之间的变换关系，获得待测点在世界坐标系中的坐标值。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，该方法包括：基于载体的各部件中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件建立测量坐标系，以使得测量坐标系与世界坐标系之间的变换关系固定，载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，每一独立运动部件对应的部件坐标系与测量坐标系的变换关系确定；其中，载体为三个及以上自由度机器人；载体上固定有视觉传感器；视觉传感器用于获取待测点的图像；获取载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵和结构参数；其中，预设位的设置是用于在构建载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵时，确定载体位于预设位下各独立运动部件对应的初始姿态坐标系与测量坐标系之间的关系；载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵构建中，在每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，载体位于预设位；结构参数包括：视觉传感器的相机内参数、载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件的姿态参数和每一独立运动部件的臂长；结构参数还包括：第一交切距及对应的第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及对应的第二主光轴旋转半径；第二交切距及第二主光轴旋转半径，是基于第一交切距、第一主光轴旋转半径和姿态坐标系变换矩阵获取的；基于结构参数和姿态坐标系变换矩阵，在测量坐标系中表达载体位于预设位和实际位的情况下视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量；其中，待测点的像点为待测点在视觉传感器中的成像点；交会点为视觉传感器上像点和待测点连接光线的交会点；主光轴旋转半径为主光轴随载体旋转所形成切球的半径；交切距为主光轴与切球的切点和交会点之间的距离；利用视觉传感器，获取包括待测点的图像，基于待测点的图像在测量坐标系中对每一配准像点进行立体场误差校正，基于结构参数、姿态坐标系变换矩阵和测量坐标系，获取载体位于实际位下每一配准像点对应的配准像点矢量，基于每一配准像点矢量和交会点矢量，对待测点进行前方交会测量，获得待测点在测量坐标系中的坐标值，根据待测点在测量坐标系中的坐标值以及测量坐标系与世界坐标系之间的变换关系，获得待测点在世界坐标系中的坐标值。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离独立运动部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的独立运动部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，其特征在于，包括：
基于载体的各部件中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件建立测量坐标系，以使得所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系固定，所述载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，每一所述独立运动部件对应的部件坐标系与所述测量坐标系的变换关系确定；其中，所述载体为三个及以上自由度机器人；所述载体上固定有视觉传感器；所述视觉传感器用于获取待测点的图像；
获取所述载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵和结构参数；其中，预设位的设置是用于在构建所述载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵时，确定所述载体位于预设位下各所述独立运动部件对应的初始姿态坐标系与所述测量坐标系之间的关系；所述载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵构建中，在每一所述独立运动部件位于初始姿态的情况下，所述载体位于预设位；所述结构参数包括：所述视觉传感器的相机内参数、所述载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件的姿态参数和每一所述独立运动部件的臂长；所述结构参数还包括：第一交切距及对应的第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及对应的第二主光轴旋转半径；所述第二交切距及所述第二主光轴旋转半径，是基于所述第一交切距、所述第一主光轴旋转半径和所述姿态坐标系变换矩阵获取的；
基于所述结构参数和所述姿态坐标系变换矩阵，在所述测量坐标系中表达所述载体位于预设位和实际位的情况下所述视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量；其中，所述待测点的像点为所述待测点在所述视觉传感器中的成像点；交会点为所述视觉传感器上所述像点和所述待测点连接光线的交会点；所述第一主光轴旋转半径为主光轴随所述载体旋转所形成切球的半径；所述第一交切距为所述主光轴与所述切球的切点和所述交会点之间的距离；
利用所述视觉传感器，获取包括所述待测点的图像，基于所述待测点的图像在所述测量坐标系中对每一配准像点进行立体场误差校正，基于所述结构参数、所述姿态坐标系变换矩阵和所述测量坐标系，获取所述载体位于实际位下每一所述配准像点对应的配准像点矢量，基于所述每一所述配准像点矢量和所述交会点矢量，对所述待测点进行前方交会测量，获得所述待测点在所述测量坐标系中的坐标值，根据所述待测点在所述测量坐标系中的坐标值以及所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系，获得所述待测点在所述世界坐标系中的坐标值；
所述基于载体和预设位置关系建立测量坐标系，具体包括：
根据所述世界坐标系所在的部件，获取所述载体中空间位置相对于所述世界坐标系固定不变的部件，并在所述空间位置相对于所述世界坐标系固定不变的部件的旋转端建立测量坐标系，以使得所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系固定；
将所述测量坐标系所在部件的旋转端，作为所述测量坐标系原点OM，构建所述测量坐标系；
确定所述载体位于预设位的情况下，各所述独立运动部件对应的姿态坐标系与所述测量坐标系之间的旋转变换矩阵；
其中，所述独立运动部件包括旋转端和部件端，所述部件端可绕所述旋转端旋转；
所述获取所述载体位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵，具体包括：
获取所述视觉传感器的焦距，在所述视觉传感器对应的传感器坐标系中标定所述主点Ocn的坐标；
在所述载体位于预设位的情况下，各所述独立运动部件对应的初始姿态坐标系中的各个轴与所述测量坐标系中的各个轴平行，但方向和名称不同；若各所述独立运动部件的姿态不为初始姿态，则将各所述独立运动部件的姿态旋转变换至初始姿态，再在所述载体位于预设位的情况下，获取第k个独立运动部件Lk从预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵
Figure QLYQS_1
在所述第k个独立运动部件Lk位于实际位的情况下，所述第k个独立运动部件Lk位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵
Figure QLYQS_2
表示为：
Figure QLYQS_3
其中，a表示实际位的标识；p表示预设位的标识；i＝1,2,3…,k-1，k表示所述载体中所述独立运动部件的数量；n表示所述载体的运动次数；Lk表示第k个独立运动部件；所述视觉传感器固定于所述第k个独立运动部件Lk的部件端，相对于其他独立运动部件，所述第k个独立运动部件与所述载体本体之间的视觉测量相关的独立运动部件数最多；
Figure QLYQS_4
表示所述第k个独立运动部件Lk在所述载体完成第n次运动之后，所述载体在第n-1次运动后的实际位到第n次运动后的实际位之间的姿态坐标系变换矩阵，所述载体的运动次数n为各所述独立运动部件旋转端运动次数的总和，所述载体每一次运动对应一个所述独立运动部件旋转端的运动；Rkp表示所述第k个独立运动部件Lk位于预设位下，各所述独立运动部件对应的姿态坐标系到所述测量坐标系之间的旋转变换矩阵。
2.根据权利要求1所述的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，其特征在于，所述获取结构参数，具体包括：
获取所述独立运动部件的旋转端和部件端之间的长度，作为所述独立运动部件的臂长，
获取所述独立运动部件运动时姿态值，作为所述独立运动部件的姿态参数，
在所述载体位于实际位，保持所述视觉传感器有两个方向垂直的自由度，且其中一个自由度是由所述第k个独立运动部件提供的情况下，将所述视觉传感器随所述载体旋转时主光轴旋转形成切球的半径，作为所述第一主光轴旋转半径ρ0，将主光轴与所述切球的切点Pn和交会点Fn之间的距离，作为所述第一交切距dz；
基于所述第一交切距dz、所述第一主光轴旋转半径ρ0和所述姿态坐标系变换矩阵
Figure QLYQS_5
获取所述测量坐标系原点OM与所述测量坐标系原点OM投射到主光轴上的垂足Pn ′的距离，作为所述第二主光轴旋转半径ρ0n，将所述交会点Fn和所述垂足Pn ′之间的距离，作为所述第二交切距dzn。
3.根据权利要求2所述的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，其特征在于，所述基于所述结构参数和所述姿态坐标系变换矩阵，在所述测量坐标系中表达所述载体位于实际位的情况下所述视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量，具体包括：
在所述载体位于预设位的情况下，所述第k个独立运动部件旋转端的中心Okp与所述载体位于预设位时的交会点Fp之间的矢量
Figure QLYQS_6
所述载体位于预设位时的交会点Fp与所述传感器坐标系的原点Ocp之间的矢量
Figure QLYQS_7
所述测量坐标系原点OM与所述第k个独立运动部件旋转端的中心Okp之间的矢量
Figure QLYQS_8
以及所述传感器坐标系的原点Ocp与所述载体运动n次后所述待测点像点
Figure QLYQS_9
之间的矢量
Figure QLYQS_10
在测量坐标系中的表达为：
Figure QLYQS_11
Figure QLYQS_12
Figure QLYQS_13
Figure QLYQS_14
在所述载体位于实际位的情况下，所述第k个独立运动部件旋转端的中心Okn与所述交会点Fn之间的矢量
Figure QLYQS_15
所述交会点Fn与所述主点Ocn之间的矢量
Figure QLYQS_16
所述测量坐标系的原点OM和所述第k个独立运动部件旋转端的中心Okn之间的矢量
Figure QLYQS_17
以及所述主点Ocn与所述待测点的像点
Figure QLYQS_18
之间的矢量在测量坐标系中的表达为：
Figure QLYQS_19
Figure QLYQS_20
Figure QLYQS_21
Figure QLYQS_22
据此，在所述载体位于实际位的情况下，所述视觉传感器的主点矢量
Figure QLYQS_23
待测点的像点矢量
Figure QLYQS_24
和交会点矢量
Figure QLYQS_25
在测量坐标系中的第一种表达方式为：
Figure QLYQS_26
Figure QLYQS_27
因此，
Figure QLYQS_28
其中，
Figure QLYQS_29
和
Figure QLYQS_30
分别表示以主点为原点的所述传感器坐标系中待测点的像点
Figure QLYQS_31
的像素坐标；
Figure QLYQS_32
u0和v0分别表示所述主点Ocn在所述图像对应的传感器图像坐标系中u轴和v轴方向上的像素坐标；
Figure QLYQS_33
和
Figure QLYQS_34
分别表示所述待测点的像点
Figure QLYQS_35
在所述传感器图像坐标系中u轴和v轴方向上的像素坐标；psx和psy表示像素尺寸，f表示所述焦距，lk表示所述第k个独立运动部件Lk的臂长；
所述第一主光轴旋转半径ρ0和所述第二主光轴旋转半径ρ0n之间的差矢量，等于所述垂足Pn ′与所述切点Pn之间的矢量
Figure QLYQS_36
与所述测量坐标系原点OM和Okn之间的矢量
Figure QLYQS_37
之间的差矢量，
Figure QLYQS_38
与
Figure QLYQS_39
的夹角余弦为：
Figure QLYQS_40
所述第一主光轴旋转半径ρ0和所述第二主光轴旋转半径ρ0n之间的差矢量为
Figure QLYQS_41
Figure QLYQS_42
Figure QLYQS_43
其中
Figure QLYQS_44
Figure QLYQS_45
为预先标定的量或已知量；
由于
Figure QLYQS_46
则：
Figure QLYQS_47
在所述载体位于实际位的情况下，所述视觉传感器的主点矢量
Figure QLYQS_48
待测点的像点矢量
Figure QLYQS_49
和交会点矢量
Figure QLYQS_50
在测量坐标系中的第二种表达方式为：
Figure QLYQS_51
其中，
Figure QLYQS_52
Figure QLYQS_53
所述主点矢量
Figure QLYQS_54
与所述待测点的像点矢量
Figure QLYQS_55
的第二种表达方式与第一种表达方式相同。
4.根据权利要求3所述的三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法，其特征在于，所述基于每一所述配准像点矢量和所述交会点矢量，对所述待测点进行前方交会测量，获得所述待测点在所述世界坐标系，具体包括：
基于所述结构参数和所述姿态坐标系变换矩阵，在所述测量坐标系中表达的所述待测点Bm的坐标为
Figure QLYQS_56
所述待测点的像点
Figure QLYQS_57
的坐标为
Figure QLYQS_58
所述待测点Bm对应的交会点Fn的坐标为
Figure QLYQS_59
基于在所述载体位于实际位的情况下，所述视觉传感器的主点矢量
Figure QLYQS_60
待测点的像点矢量
Figure QLYQS_61
和交会点矢量
Figure QLYQS_62
在测量坐标系中的第一种表达方式或第二种表达方法，获得三点共线方程：
Figure QLYQS_63
解得：
Figure QLYQS_64
进行泰勒展开，得到：
Figure QLYQS_65
其中，所述待测点的像点
Figure QLYQS_66
的坐标
Figure QLYQS_67
经过立体场像差校正；
其中，
Figure QLYQS_68
将误差方程表达为：
Figure QLYQS_69
其中，常数项为：
Figure QLYQS_70
系数列矩阵
Figure QLYQS_71
解得第n次迭代改正数为：χn＝(Λn TΛn)-1Λn TLn；
根据第n次迭代改正数χn，迭代得到待测点Bm在测量坐标系中的坐标
Figure QLYQS_72
5.一种三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会系统，其特征在于，包括：
坐标系构建模块，用于基于载体的各部件中空间位置相对于世界坐标系固定不变的部件建立测量坐标系，以使得所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系固定，所述载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件位于初始姿态的情况下，每一所述独立运动部件对应的部件坐标系与所述测量坐标系的变换关系确定；其中，所述载体为三个及以上自由度机器人；所述载体上固定有视觉传感器；所述视觉传感器用于获取待测点的图像；
参数获取模块，用于获取所述载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵和结构参数；其中，预设位的设置是用于在构建所述载体从预设位到实际位之间的姿态坐标系变换矩阵时，确定所述载体位于预设位下各所述独立运动部件对应的初始姿态坐标系与所述测量坐标系之间的关系；所述载体位于预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵构建中，在每一所述独立运动部件位于初始姿态的情况下，所述载体位于预设位；所述结构参数包括：所述视觉传感器的相机内参数、所述载体中与视觉测量相关的每一独立运动部件的姿态参数和每一所述独立运动部件的臂长；所述结构参数还包括：第一交切距及对应的第一主光轴旋转半径和/或第二交切距及对应的第二主光轴旋转半径；所述第二交切距及所述第二主光轴旋转半径，是基于所述第一交切距、所述第一主光轴旋转半径和所述姿态坐标系变换矩阵获取的；
矢量表达单元，用于基于所述结构参数和所述姿态坐标系变换矩阵，在所述测量坐标系中表达所述载体位于预设位和实际位的情况下所述视觉传感器的主点矢量、待测点的像点矢量和交会点矢量；其中，所述待测点的像点为所述待测点在所述视觉传感器中的成像点；交会点为所述视觉传感器上所述像点和所述待测点连接光线的交会点；所述第一主光轴旋转半径为主光轴随所述载体旋转所形成切球的半径；所述第一交切距为所述主光轴与所述切球的切点和所述交会点之间的距离；
前方交会测量单元，用于利用所述视觉传感器，获取包括所述待测点的图像，基于所述待测点的图像在所述测量坐标系中对每一配准像点进行立体场误差校正，基于所述结构参数、所述姿态坐标系变换矩阵和所述测量坐标系，获取所述载体位于实际位下每一所述配准像点对应的配准像点矢量，基于所述每一所述配准像点矢量和所述交会点矢量，对所述待测点进行前方交会测量，获得所述待测点在所述测量坐标系中的坐标值，根据所述待测点在所述测量坐标系中的坐标值以及所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系，获得所述待测点在所述世界坐标系中的坐标值；
所述基于载体和预设位置关系建立测量坐标系，具体包括：
根据所述世界坐标系所在的部件，获取所述载体中空间位置相对于所述世界坐标系固定不变的部件，并在所述空间位置相对于所述世界坐标系固定不变的部件的旋转端建立测量坐标系，以使得所述测量坐标系与所述世界坐标系之间的变换关系固定；
将所述测量坐标系所在部件的旋转端，作为所述测量坐标系原点OM，构建所述测量坐标系；
确定所述载体位于预设位的情况下，各所述独立运动部件对应的姿态坐标系与所述测量坐标系之间的旋转变换矩阵；
其中，所述独立运动部件包括旋转端和部件端，所述部件端可绕所述旋转端旋转；
所述获取所述载体位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵，具体包括：
获取所述视觉传感器的焦距，在所述视觉传感器对应的传感器坐标系中标定所述主点Ocn的坐标；
在所述载体位于预设位的情况下，各所述独立运动部件对应的初始姿态坐标系中的各个轴与所述测量坐标系中的各个轴平行，但方向和名称不同；若各所述独立运动部件的姿态不为初始姿态，则将各所述独立运动部件的姿态旋转变换至初始姿态，再在所述载体位于预设位的情况下，获取第k个独立运动部件Lk从预设位到位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵
Figure QLYQS_73
在所述第k个独立运动部件Lk位于实际位的情况下，所述第k个独立运动部件Lk位于预设位与位于实际位之间的姿态坐标系变换矩阵
Figure QLYQS_74
表示为：
Figure QLYQS_75
其中，a表示实际位的标识；p表示预设位的标识；i＝1,2,3…,k-1，k表示所述载体中所述独立运动部件的数量；n表示所述载体的运动次数；Lk表示第k个独立运动部件；所述视觉传感器固定于所述第k个独立运动部件Lk的部件端，相对于其他独立运动部件，所述第k个独立运动部件与所述载体本体之间的视觉测量相关的独立运动部件数最多；
Figure QLYQS_76
表示所述第k个独立运动部件Lk在所述载体完成第n次运动之后，所述载体在第n-1次运动后的实际位到第n次运动后的实际位之间的姿态坐标系变换矩阵，所述载体的运动次数n为各所述独立运动部件旋转端运动次数的总和，所述载体每一次运动对应一个所述独立运动部件旋转端的运动；Rkp表示所述第k个独立运动部件Lk位于预设位下，各所述独立运动部件对应的姿态坐标系到所述测量坐标系之间的旋转变换矩阵。
6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4任一项所述三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法。
7.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法。
8.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述三个及以上自由度机器人视觉测量的前方交会方法。
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