用于双目头眼协调运动的控制系统及其定位方法技术方案

本发明专利技术属于仿生机器人控制领域，具体提供一种用于双目头眼协调运动的控制系统及其定位方法。本发明专利技术旨在解决现有头眼协调运动控制系统在工程实际应用中比较困难的问题。本发明专利技术的控制系统包括转动板和旋转架，转动板上设置有：第一相机以及驱动其相对于转动板做俯仰和偏转动作的第一驱动装置；第二相机以及驱动其相对于转动板做俯仰和偏转动作的第二驱动装置。本发明专利技术的控制系统在工作时先将两个相机进行初始定位，然后通过相机内参数和手眼参数实时获得两台相机之间的外参数矩阵。本发明专利技术的控制系统只需在初始位置立体标定一次，就可以在相机运动过程中实时获得两台相机之间的外参数。

Control system for binocular head eye coordination movement and positioning method thereof

The invention belongs to the field of bionic robot control, and in particular provides a control system and a positioning method for binocular head eye coordination movement. The invention aims to solve the problem that the existing head eye coordination motion control system is difficult to be applied in engineering practice. The control includes a rotating plate and rotating frame of the system of the invention, the rotating plate is provided with a first camera and driving the driving device to rotate relative to the first plate as the pitching and yawing movement; second camera and driving the rotation plate pitch and yaw movements of the second driving device. When the control system of the present invention is operated, the two cameras are initially positioned, and then the outer parameter matrixes between the two cameras are obtained in real time by means of camera parameters and hand eye parameters. The control system of the invention only needs to be calibrated once in the initial position, so that the external parameters between the two cameras can be obtained in real time during the movement of the camera.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于仿生机器人控制领域，具体提供一种用于双目头眼协调运动的控制系统及其定位方法。
技术介绍
眼睛是人类获取外界信息最重要的感官，担负着人类80％左右的信息获取任务。经过千百万年的进化，人类的视觉系统已高度发达和完善，形成了极其精确和完备的机制，具备了适应内外环境变化的能力。因此，给机器人和机器视觉设备配备智能双眼，使其像人类一样感知和获取环境信息、快速准确地识别和跟踪目标，是很多国内外科研工作者目前正在致力于的研究方向之一。然而，由于人类视觉系统和神经回路的复杂性，尚没有较好的模型可以重现视觉系统的运动机理，只能在一定程度上模拟眼或者头部的运动；此外，从神经通路推导出来的模型大多数是生理学实验或者仿真获得的，工程应用还有一定的困难。相应地，本领域需要一种新的头眼协调运动的控制系统及定位方法来解决上述问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有头眼协调运动控制系统在工程实际应用中比较困难的问题，本专利技术提供了一种用于双目头眼协调运动的控制系统及其定位方法，该控制系统包括转动构件，所述转动构件上设置有：第一相机以及驱动第一相机相对于所述转动构件做俯仰和偏转动作的第一驱动装置；第二相机以及驱动第二相机相对于所述转动板做俯仰和偏转动作的第二驱动装置。在上述控制系统的优选技术方案中，所述第一驱动装置包括用于驱动所述第一相机实现俯仰动作的第一电机和用于驱动所述第一相机实现偏转动作的第二电机，并且所述第一电机上设置有第一旋转编码器，所述第二电机上设置有第二旋转编码器。在上述控制系统的优选技术方案中，所述第二驱动装置包括用于驱动所述第二相机实现俯仰动作的第三电机和用于驱动所述第二相机实现偏转动作的第四电机，并且所述第三电机上设置有第三旋转编码器，所述第四电机上设置有第四旋转编码器。在上述控制系统的优选技术方案中，所述第一、第二、第三和第四电机均是步进电机；并且/或者所述第一、第二、第三和第四电机上均设置有限位开关；并且/或者所述第一、第二、第三和第四旋转编码器均是光电式旋转编码器。在上述控制系统的优选技术方案中，所述控制系统还包括旋转架，所述转动构件可旋转地安装到所述旋转架上，并且所述旋转架的侧面设置有驱动所述转动构件转动的第三驱动装置。在上述控制系统的优选技术方案中，所述第三驱动装置包括第五电机，所述第五电机用于驱动所述转动构件转动；并且所述第五电机上设置有第五旋转编码器。在上述控制系统的优选技术方案中，所述第三驱动装置还包括蜗轮蜗杆副，所述第五电机通过蜗轮蜗杆副驱动所述转动构件转动。在上述控制系统的优选技术方案中，所述旋转架的底部设置有驱动所述旋转架旋转的第四驱动装置；并且所述第四驱动装置包括第六电机；并且所述第六电机上设置有第六旋转编码器。在上述控制系统的优选技术方案中，所述第五和第六电机均是步进电机；并且/或者所述第五和第六电机上均设置有限位开关；并且/或者所述第五和第六旋转编码器均是光电式旋转编码器。在上述控制系统的优选技术方案中，所述转动构件上在所述第一相机和所述第二相机之间设置有视觉定位板，所述第一相机和所述第二相机通过定位板进行初始定位。在另一方面，本专利技术提供了一种用于双目头眼协调运动的定位方法，所述定位方法包括以下步骤：将两个相机分别进行初始定位；通过离线标定的相机内参数和手眼参数实时获得两个相机之间的外参数矩阵。在上述定位方法的优选技术方案中，所述将两个相机分别进行初始定位的步骤进一步包括：将控制两个相机的电机通电，使电机顺时针或逆时针旋转，当电机触动限位开关时，使电机停止运动，从而使两个相机被初步粗定位；采用基于椭圆中心拟合的视觉推算定位方法对两个相机进行精确初定位。在上述定位方法的优选技术方案中，所述采用基于椭圆中心拟合的视觉推算定位方法对两个相机进行精确初定位的步骤进一步包括：在初始位置在视觉定位板上打印标准圆；采用一维Prewitt算子分别沿横向和纵向对图像进行扫描获取边缘点；对边缘点用最小二乘法进行椭圆拟合，获得椭圆中心；控制相机运动，使椭圆中心与相机像平面中心重合，从而完成视觉推算定位。在上述定位方法的优选技术方案中，所述通过离线标定的相机内参数和手眼参数实时获得两台相机之间的外参数矩阵的步骤进一步包括：采用平面标定法分别获得两个相机的内参数和畸变参数；通过立体标定获得初始位置时第一相机相对于第二相机的外参数矩阵；通过手眼标定获得两个相机相对于各自运动模块末端的外参数。在上述定位方法的优选技术方案中，所述通过离线标定的相机内参数和手眼参数实时获得两台相机之间的外参数矩阵的步骤进一步包括：根据初始位置时第一相机相对于第二相机的外参数矩阵和两个相机相对于各自运动模块末端的外参数，实时计算两个相机之间的外参数矩阵。本领域技术人员能够理解的是，在本专利技术的优选技术方案中，通过步进电机分别驱动第一相机和第二相机相对于转动板做俯仰和偏转动作，模拟人的双眼运动；通过步进电机驱动相互啮合的蜗轮蜗杆带动转动板转动，模拟人头部的俯仰(抬头、低头)动作；通过步进电机驱动旋转架旋转，模拟人头部的转动(转头)动作。进一步，在每个步进电机上都设置有光电式旋转编码器和限位开关；当控制系统通电后，第一相机和第二相机由步进电机驱动旋转，触动限位开关时完成初步粗定位，然后根据椭圆中心拟合的视觉推算定位方法对两个相机进行精确初定位，最后通过离线标定的相机内参数和手眼参数实时获得两台相机之间的外参数矩阵。因此，本专利技术的控制系统只需在初始位置立体标定一次，就可以在相机运动过程中实时获得两台相机之间的外参数，能够被容易地应用于工程实践中。附图说明图1是本专利技术的用于双目头眼协调运动的控制系统的机械结构示意图；图2是本专利技术的用于双目头眼协调运动的定位方法的步骤流程图；图3是本专利技术的用于双目头眼协调运动的定位方法的初始定位的详细流程图；图4是本专利技术的用于双目头眼协调运动的定位方法的两相机之间实时定位的详细流程图；图5是采用本专利技术的双目头眼协调运动的定位方法和采用用立体视觉标定方法获得的两个相机之间的实时外参数实验结果的对比表格。具体实施方式下面参照附图来描述本专利技术的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本专利技术的技术原理，并非旨在限制本专利技术的保护范围。例如，虽然附图中的各部件之间是按一定比例关系绘制的，但是这种比例关系并非一成不变，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。需要说明的是，在本专利技术的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，还需要说明的是，在本专利技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于双目头眼协调运动的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括转动构件，所述转动构件上设置有：第一相机以及驱动第一相机相对于所述转动构件做俯仰和偏转动作的第一驱动装置；第二相机以及驱动第二相机相对于所述转动板做俯仰和偏转动作的第二驱动装置。

【技术特征摘要】
1.一种用于双目头眼协调运动的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括转动构件，所述转动构件上设置有：第一相机以及驱动第一相机相对于所述转动构件做俯仰和偏转动作的第一驱动装置；第二相机以及驱动第二相机相对于所述转动板做俯仰和偏转动作的第二驱动装置。2.根据权利要求1所述的用于双目头眼协调运动的控制系统，其特征在于，所述第一驱动装置包括用于驱动所述第一相机实现俯仰动作的第一电机和用于驱动所述第一相机实现偏转动作的第二电机，并且所述第一电机上设置有第一旋转编码器，所述第二电机上设置有第二旋转编码器。3.根据权利要求2所述的用于双目头眼协调运动的控制系统，其特征在于，所述第二驱动装置包括用于驱动所述第二相机实现俯仰动作的第三电机和用于驱动所述第二相机实现偏转动作的第四电机，并且所述第三电机上设置有第三旋转编码器，所述第四电机上设置有第四旋转编码器。4.根据权利要求3所述的用于双目头眼协调运动的控制系统，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四电机均是步进电机；并且/或者所述第一、第二、第三和第四电机上均设置有限位开关；并且/或者所述第一、第二、第三和第四旋转编码器均是光电式旋转编码器。5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于双目头眼协调运动的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括旋转架，所述转动构件可旋转地安装到所述旋转架上，并且所述旋转架的侧面设置有驱动所述转动构件转动的第三驱动装置。6.根据权利要求5所述的用于双目头眼协调运动的控制系统，其特征在于，所述第三驱动装置包括第五电机，所述第五电机用于驱动所述转动构件转动；并且所述第五电机上设置有第五旋转编码器。7.根据权利要求6所述的用于双目头眼协调运动的控制系统，其特征在于，所述第三驱动装置还包括蜗轮蜗杆副，所述第五电机通过所述蜗轮蜗杆副驱动所述转动构件转动。8.根据权利要求7所述的用于双目头眼协调运动的控制系统，其特征在于，所述旋转架的底部设置有驱动所述旋转架旋转的第四驱动装置；并且所述第四驱动装置包括第六电机；并且所述第六电机上设置有第六旋转编码器。9.根据权利要求8所述的用于双目头眼协调运动的控制系统，其特征在于，所述第五和第...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆滨，朱政，邹伟，马利平，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11