自动导引车的多目视觉导引驱动装置及其协同标定方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种自动导引车的多目视觉导引驱动装置及其协同标定方法，所述的自动导引车车体固定联接有若干导引驱动装置，每个导引驱动装置包括减震单元、驱动单元和视觉单元。每个视觉单元具有一台摄像机，多个导引驱动装置上的摄像机组成了自动导引车的多目视觉系统。本发明专利技术利用单个导引驱动装置可绕空心短轴旋转的结构特点，通过静态标定和动态标定的方法，联合确立了景物坐标系与每个导引驱动装置运动控制坐标系及其与车体运动间的位姿关系，有效消除了视觉成像的畸变失真、比例失真、倾斜失真及多台摄像机的安装位姿误差。该方法可用于自动导引车基于平面矢量图的多目视觉精确测量，无需使用精密测量仪器，具有操作性好和柔性高的特点。

【技术实现步骤摘要】
自动导引车的多目视觉导引驱动装置及其协同标定方法
本专利技术涉及计算机视觉检测领域，具体是一种自动导引车的多目视觉导引驱动装置及其协同标定方法。
技术介绍
自动导引车(automatedguidedvehicle,AGV)是一种轮式移动机器人，广泛用于工厂自动化生产线、仓储物流、机场和港口中的物料传送。其导引方式是自动导引车实现自动输送的核心技术之一，不仅决定了由其组成的自动化输送系统的柔性，也影响到系统运行的可靠性和组态费用。多目视觉导引方式是通过安装在每个导引驱动装置上的摄像机组成自动导引车的多目视觉系统，利用该系统采集地面上铺设的导引路径的图像，通过计算机视觉检测技术实时测量AGV相对导引路径的距离偏差和角度偏差。在自动导引车多目视觉系统检测导引路径的过程中，为了获取空间点与摄像机采集的像素点之间的对应关系，摄像机的标定必不可少。该过程主要获取摄像机内部的几何和光学特性，即内部参数，以及摄像机坐标系相对于空间坐标系的位姿关系，即外部参数。此外，在实际成像过程中，摄像机透镜的形状使得空间直线成像后并非理想直线，从而影响控制精度，因此也需对其进行校正。摄像机标定主要有传统标定法、主动视觉标定法和自标定法。传统的摄像机标定是将精密制作的立体或平面标靶放置在场景中，通过几何成像原理，建立场景中景物点与图像中观测点之间的关系模型，采用线性或非线性法计算摄像机的内部参数、外部参数和畸变参数，具有标定精度高的特点。基于主动视觉的标定方法需要控制摄像机做特定运动，如相互正交的平动和绕光轴的旋转运动等，利用参考点的图像坐标变化，实现摄像机的内部参数标定。该方法对摄像机的运动精度要求苛刻，主要用于工业机器人手眼标定，不适用于摄像机运动自由度受限的场合。在自动导引车的导引驱动装置中，摄像机与驱动单元的相对位置不变，摄像机内、外部参数和畸变参数均不变。传统标定方法虽然可以获得摄像机的外部参数，但是该参数只是标靶坐标系与摄像机坐标系之间的位姿关系。在自动导引车的视觉导引应用中，还需要获得摄像机坐标系与整车运动控制坐标系之间的位姿关系，在不借助其他精密测量仪器的情况下，很难将标靶相对于整车运动控制坐标系精确地放置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种自动导引车的多目视觉导引驱动装置及其协同标定方法，有效消除了视觉成像的畸变失真、比例失真、倾斜失真及多台摄像机的安装位姿误差，可用于自动导引车基于平面矢量图的多目视觉精确测量，无需使用精密测量仪器，具有操作性好和柔性高的特点。本专利技术所述的自动导引车车体固定连接有若干导引驱动装置，每个导引驱动装置包括减震单元、驱动单元和视觉单元，其中，减震单元通过固定板与车体连接；驱动单元包括空心短轴、底盘和电驱动轮，空心短轴与减震单元通过深沟球轴承同轴装配，底盘装在空心短轴底部，两电驱动轮沿底盘中心轴对称布置；视觉单元包括摄像机和LED辅助光源，摄像机垂直向下安装在两电驱动轮的中心线上方，通过紧固架固定在支撑架上，支撑架与空心短轴同轴联接；角度传感器转子固定在悬架的末端，外壳与摄像机壳体固联；多个导引驱动装置上的视觉单元组成了自动导引车的多目视觉系统。进一步改进，所述的减震单元包括减震单元顶层、减震单元底层以及它们之间同轴对称的布置四个减震弹簧。进一步改进，所述的深沟球轴承通过套筒与空心短轴定位。进一步改进，所述的减震单元与驱动单元之间的相对转角由机械限位开关确定。进一步改进，所述的视觉单元包括LED辅助光源及摄像机。本专利技术还提供了一种所述的多目视觉导引驱动装置的协同标定方法，包括以下步骤：1）通过静态标定获得摄像机的内部参数、外部参数，确立景物坐标系与每个摄像机坐标系之间的位姿关系；2）根据导引驱动装置可绕空心短轴自由旋转的结构特点，采用角度传感器精确测量驱动单元的旋转角度，采用机械限位开关精确调节驱动单元的旋转位置。控制自动导引车做特定运动，通过动态标定获得摄像机坐标系与对应导引驱动装置运动控制坐标系的位姿关系及任意导引驱动装置之间的位置关系；3）通过坐标变换联合确立景物坐标系与每个导引驱动装置运动控制坐标系乃至整车运动控制坐标系之间的位姿关系。进一步改进，所述的静态标定方法具体包括以下步骤：1）静止状态下，利用单台摄像机Ci获取M张位于三维空间中的平面模板的不同位姿图像，所述平面模板上分布有N个精确的特征点；2）获取所述平面模板图像上全部特征点的坐标值；3）利用不考虑摄像机径向畸变的线性模型，估计出摄像机内部参数和外部参数的初值；4）利用采集的M张平面模板的图像，采用最大似然估计法计算非线性模型下摄像机内部参数、外部参数和畸变参数的精确解；其中，所述内部参数包括(Kx，Ky)i和(u0，v0)i，(Kx，Ky)i为成像平面到图像平面在X轴和Y轴方向的放大系数，(u0，v0)i为光轴中心线在成像平面的交点的图像坐标；外部参数是景物坐标系在摄像机坐标中的描述，包括其中为景物坐标系OwXwYwZw中Xw轴在摄像机坐标系OciXciYciZci的方向向量；为景物坐标系OwXwYwZw中Yw轴在摄像机坐标系OciXciYciZci的方向向量；为景物坐标系OwXwYwZw中Zw轴在摄像机坐标系OciXciYciZci的方向向量；为景物坐标系OwXwYwZw的坐标原点在摄像机坐标系OciXciYciZci中的位置；畸变参数包括(k1，k2)i,对于摄像机畸变，其主要部分为由于摄像机透镜形状产生的径向畸变。进一步改进，所述的动态标定方法具体包括以下步骤：1）分别控制自动导引车的每个导引驱动装置绕其运动控制中心点Oki自转，对应的摄像机Ci分别采集地面两个特征点在自转状态下的连续时间序列视频；2）采集的特征点在图像序列中的轨迹为两段同心圆弧，采用最小二乘法拟合圆弧。分别计算拟合圆弧的圆心在每台摄像机的图像坐标系中的坐标，所述圆心坐标即为导引驱动装置运动控制中心点Oki的图像坐标，亦为导引驱动装置运动控制坐标系OkiXkiYkiZki与摄像机坐标系OciXciYciZci之间的位置偏差(tx，ty)i在图像中的表示；3）控制每个导引驱动装置自转至角度传感器的示值为零的位置，通过机械限位开关将导引驱动装置与车体的相对位置固定，即所有导引驱动装置定位在与自动导引车前进方向平行的位置；控制自动导引车作匀速直线运动，每台摄像机分别采集地面上的同一特征点在匀速直线运动状态下的连续时间序列视频；采集的特征点在图像序列中的坐标呈线性分布，采用最小二乘法拟合直线，分别计算拟合直线与每台摄像机图像坐标系水平轴的夹角所述夹角即为摄像机坐标系与对应导引驱动装置运动控制坐标系之间的旋转角；4）得到旋转角之后，通过坐标变换即可得特征点在运动控制坐标系中的轨迹，该轨迹应为对应导引驱动装置数量的平行直线；任意两直线m、n间的距离为两导引驱动装置运动控制中心点在垂直于自动导引车前进方向上的距离偏差Δxm-n；5）控制导引驱动装置自转至角度传感器的示值为90°的位置，通过机械限位开关将导引驱动装置与车体的相对位置固定，即所有导引驱动装置定位在与自动导引车前进方向垂直的位置，控制自动导引车作侧向平移运动；在地面上布置特征点Pi，所述特征点位于同一条直线上，且每个特征点位于对应导引驱动装置摄像机的视野范围之内，特征点个数对应导引驱动装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动导引车的多目视觉导引驱动装置，其特征在于：自动导引车车体固定连接有若干导引驱动装置，每个导引驱动装置包括减震单元、驱动单元和视觉单元，其中，减震单元通过固定板（5）与车体连接；驱动单元包括空心短轴（12）、底盘（15）和电驱动轮（16），空心短轴（12）与减震单元通过深沟球轴承（1）同轴装配，底盘（15）装在空心短轴（12）底部，两电驱动轮（16）沿底盘（15）中心轴对称布置；视觉单元包括LED辅助光源（8）和摄像机（10），摄像机（10）垂直向下安装在两电驱动轮（16）的中心线上方，通过紧固架（11）固定在支撑架（7）上，支撑架（7）与空心短轴（12）同轴联接；角度传感器（9）转子固定在悬架（6）的末端，外壳与摄像机（10）的壳体固联；多个导引驱动装置上的视觉单元组成了自动导引车的多目视觉系统。

【技术特征摘要】
1.一种自动导引车的多目视觉导引驱动装置，其特征在于：自动导引车车体固定连接有若干导引驱动装置，每个导引驱动装置包括减震单元、驱动单元和视觉单元，其中，减震单元通过固定板(5)与车体连接；驱动单元包括空心短轴(12)、底盘(15)和电驱动轮(16)，空心短轴(12)与减震单元通过深沟球轴承(1)同轴装配，底盘(15)装在空心短轴(12)底部，两电驱动轮(16)沿底盘(15)中心轴对称布置；视觉单元包括LED辅助光源(8)和摄像机(10)，摄像机(10)垂直向下安装在两电驱动轮(16)的中心线上方，通过紧固架(11)固定在支撑架(7)上，支撑架(7)与空心短轴(12)同轴联接；角度传感器(9)转子固定在悬架(6)的末端，外壳与摄像机(10)的壳体固联；多个导引驱动装置上的视觉单元组成了自动导引车的多目视觉系统。2.根据权利要求1所述的导引驱动装置，其特征在于：所述的减震单元包括减震单元顶层(4)、减震单元底层(2)以及它们之间同轴对称布置的四个减震弹簧(3)。3.根据权利要求1所述的导引驱动装置，其特征在于：所述的深沟球轴承(1)通过套筒(13)与空心短轴(12)定位。4.根据权利要求1所述的导引驱动装置，其特征在于：所述的减震单元与驱动单元之间的相对转角由机械限位开关(14)确定。5.一种以上任意一项权利要求所述的多目视觉导引驱动装置的协同标定方法，其特征在于包括以下步骤：1)通过静态标定获得摄像机的内部参数、外部参数，确立景物坐标系与每个摄像机坐标系之间的位姿关系；2)根据导引驱动装置可绕空心短轴自由旋转的结构特点，采用角度传感器精确测量驱动单元的旋转角度，采用机械限位开关精确调节驱动单元的旋转位置，控制自动导引车做特定运动，通过动态标定获得摄像机坐标系与对应导引驱动装置运动控制坐标系的位姿关系及任意导引驱动装置之间的位置关系；3)通过坐标变换联合确立景物坐标系与每个导引驱动装置运动控制坐标系乃至整车运动控制坐标系之间的位姿关系。6.根据权利要求5所述的多目视觉导引驱动装置的协同标定方法，其特征在于，所述的静态标定方法具体包括以下步骤：1)静止状态下，利用单台摄像机Ci获取M张位于三维空间中的平面模板的不同位姿图像，所述平面模板上分布有N个精确的特征点；2)获取所述平面模板图像上全部特征点的坐标值；3)利用不考虑摄像机径向畸变的线性模型，估计出摄像机内部参数和外部参数的初值；4)利用采集的M张平面模板的图像，采用最大似然估计法计算非线性模型下摄像机内部参数、外部参数和畸变参数的精确解；其中，所述内部参数包括(Kx，Ky)i和(u0，v0)i，(Kx，Ky)i为成像平面到图像平面在X轴和Y轴方向的放大系数，(u0，v0)i为光轴中心线在成像平面的交点的图像坐标；外部参数是景物坐标系在摄像机坐标中的描述，包括其中为景物坐标系OwXwYwZw中Xw轴在摄像机坐标系OciXciYciZci的方向向量；为景物坐标系OwXwYwZw中Y...

【专利技术属性】
技术研发人员：武星，楼佩煌，钱晓明，石陈陈，王龙军，朱琳军，刘旭，沈伟良，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：