一种航天器在轨操作系统对准式手眼标定方法技术方案

一种航天器在轨操作系统对准式手眼标定方法，属于空间机器人技术领域。本发明专利技术包括如下步骤：进行手眼标定时，把对准轴放置在适配孔里，手眼相机观测手眼标定板上排孔，然后通过已标定的手眼相机测量手眼标定板上的排孔坐标系在手眼相机坐标系下的位置关系，再根据手眼标定板上的排孔与适配孔之间的相对位置关系，以及对准轴与适配孔之间精确的配合关系，进而获得手眼相机坐标系与对准轴坐标系之间的变换关系，即手眼关系。通过手眼标定，把机械臂的对准轴与已标定的视觉测量系统建立联系，即可以获得对准轴坐标系到相机坐标系之间的关系。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器在轨操作系统对准式手眼标定方法
本专利技术涉及一种航天器在轨操作系统对准式手眼标定方法，属于空间机器人

技术介绍
在轨操作系统包含平台(服务航天器本体)、机械臂、末端操作器、手眼相机，对于空间操控及载人航天领域中的精细操作任务，机械臂要在轨实现目标剪切、抓握、旋拧、插拔等操作，需要通过手眼相机引导末端操作器到达操作位置。手眼相机布局通常有两种方式，即Eye-to-hand和Eye-in-hand，其中，Eye-to-hand方式，相机固定在平台上，此方式下，相机系统无法协同机械臂末端从不同方位观察标定板(或靶标)，因此在轨操作系统一般采用第二种布局方式，即Eye-in-hand，此方式将相机固定在机械臂末端，可随同机械臂末端从不同方位观察标定板(或靶标)，此标定过程需要多次移动机械臂末端，这对机械臂的制造精度、回程累计误差、运动控制精度都提出了很高的要求。检索到申请号为CN201810595698.4、名称为“基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法、装置及系统”的专利，该专利通过位置固定的相机(即Eye-to-hand)拍摄圆锥标定物的多角度照片获取三维点云库，匹配圆锥标定物，从而确定工具端点在相机坐标系中的坐标，达到手眼标定的目的，其解决的是地面上工业机械臂手眼相机(Eye-to-hand)标定问题，方法与目的与本专利均不相同，本专利解决的则是采用Eye-in-hand布局的手眼相机进行对准式快速标定的问题，国内外相关现有技术与本技术方案也不同。综上，现有技术存在如下缺点：首先，现有方案不采用辅助机械结构进行标定，因此需要根据已知量求解标定矩阵方程，且迭代求解计算量大；第二，如果现有方案需要多次拍照，标定精度与拍照次数相关，较为繁琐；第三，在求解标定矩阵方程过程中，用到了机械臂末端与基座的转换矩阵，这是机械臂控制与标定精度决定的，因此在标定结果中包含了机械臂的控制与标定误差，这降低了手眼标定精度。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器在轨操作系统对准式手眼标定方法，解决了Eye-in-hand标定需依赖机械臂精度问题，以及为防止求解的奇异性，需多组差别较大的不同姿态拍照的复杂操作性问题。本专利技术的技术解决方案是：一种航天器在轨操作系统对准式手眼标定方法，包括如下步骤：步骤S1、将手眼相机与对准轴安装于航天器机械臂的末端，采用张正友标定法获取手眼相机内参矩阵和镜头的畸变参数，完成对手眼相机的标定；步骤S2、加工手眼标定板，所述手眼标定板上设有适配孔和均匀排布的排孔，并通过机械标定方式确定手眼标定板上排孔和适配孔之间的位置关系；步骤S3、将手眼标定板固定于手眼相机的镜头的对面，将对准轴放入适配孔；步骤S4、通过已标定的手眼相机测量手眼标定板上的排孔坐标系在相机坐标系下的位置关系；步骤S5、通过所述手眼标定板上排孔和适配孔之间的位置关系和手眼标定板上的排孔坐标系在相机坐标系下的位置关系，获得相机坐标系与对准轴坐标系之间的变换关系，从而获得手眼关系，根据所述手眼关系完成手眼标定，为后续定位环节中对准轴与工件目标对准孔之间的对准提供基准位姿，以及为对准轴在机械臂基坐标系下的位姿调整量提供参考。进一步地，所述排孔至少三个，所述适配孔与所述对准轴的尺寸紧密配合。进一步地，所述排孔的个数为九。进一步地，所述手眼相机通过与机械臂末端相连的夹具和对准轴固定连接，所述手眼相机的光轴和对准轴平行，所有排孔均处在手眼相机的视野之中。进一步地，所述手眼关系为其中，和为手眼关系，和为所述手眼标定板上排孔和适配孔之间的位置关系，和为所述手眼标定板上的排孔坐标系在相机坐标系下的位置关系。本专利技术与现有技术相比的优点在于：1、本专利技术采用辅助机械结构进行标定，不需利用迭代的方法求解标定矩阵方程的数值解，仅有4×4矩阵的相乘过程，计算量小；2、本专利技术不需要多次拍照构成标定方程，仅拍照一次即可求解出标定矩阵，标定过程较为简便；3、本专利技术标定精度与机械臂自身的操作精度无关，仅与相机测量精度和标定板加工精度有关，而这两个精度较容易保证，标定的精度高。附图说明图1是本专利技术提供的一种在轨操作系统对准式手眼标定方法流程图。图2是手眼相机拍照的图像坐标系。图3是相机坐标系与世界坐标系。图4是手眼标定示意图。图5是手眼标定板。图6是圆孔的图像处理流程。具体实施方式一种航天器在轨操作系统对准式手眼标定方法，包括如下步骤：步骤S1、将手眼相机与对准轴安装于航天器机械臂的末端，采用张正友标定法获取手眼相机内参矩阵和镜头的畸变参数，完成对手眼相机的标定；步骤S2、加工手眼标定板，所述手眼标定板上设有适配孔和均匀排布的排孔，并通过机械标定方式确定手眼标定板上排孔和适配孔之间的位置关系；步骤S3、将手眼标定板固定于手眼相机的镜头的对面，将对准轴放入适配孔；步骤S4、通过已标定的手眼相机测量手眼标定板上的排孔坐标系在相机坐标系下的位置关系；步骤S5、通过所述手眼标定板上排孔和适配孔之间的位置关系和手眼标定板上的排孔坐标系在相机坐标系下的位置关系，获得相机坐标系与对准轴坐标系之间的变换关系，从而获得手眼关系，根据所述手眼关系完成手眼标定，为后续定位环节中对准轴与工件目标对准孔之间的对准提供基准位姿，以及为对准轴在机械臂基坐标系下的位姿调整量提供参考。以下根据图1-图6，具体说明本专利技术的实施例。如图1所示，本专利技术提供在轨操作系统对准式手眼标定方法，包含以下步骤：步骤S1、获取在轨操作系统手眼相机内参矩阵和镜头的畸变参数；建立手眼相机成像模型，与三个坐标系有关，它们分别是：世界坐标系、手眼相机坐标系、图像坐标系(见图2)。图中矩形区域为手眼相机的成像平面，也就是CCD芯片有效感光面积。为描述像素点在成像平面上的位置关系，定义了像素坐标系o0uv，单位是像素。另外，为了描述目标的物理位置，建立了以mm为单位的o1xy的图像坐标系，其原点o1是手眼相机光轴与图像平面的交点，两轴的坐标方向与像素坐标轴方向分别一致，记原点o1的坐标是(u0,v0)，在图像坐标系上每一个像素的坐标记为(u,v)，该像素坐标的横坐标和纵坐标数值分别是该像素在数组中的行数、列数，因此(u,v)是以整像素(pixel)为单位的坐标，图像的每个像元尺寸记为dx,dy。因此图像中某一个像素，在上述的图像坐标系和像素坐标系下存在如下关系：公式(1)可以用齐次坐标与矩阵表示为：其中手眼相机坐标系与世界坐标系的关系如图3所示：图3中包含三个坐标系：手眼相机坐标系OcXcYcZc，图像坐标系o1xy，世界坐标系OwXwYwZw，Oco1表示手眼相机的焦距，记为f。其中(x,y)表示是图像坐标，空间一点P在手眼相机坐标系下的坐标(Xc,Yc,Zc)，在世界坐标系下的坐标记本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天器在轨操作系统对准式手眼标定方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤S1、将手眼相机与对准轴安装于航天器机械臂的末端，采用张正友标定法获取手眼相机内参矩阵和镜头的畸变参数，完成对手眼相机的标定；/n步骤S2、加工手眼标定板，所述手眼标定板上设有适配孔和均匀排布的排孔，并通过机械标定方式确定手眼标定板上排孔和适配孔之间的位置关系；/n步骤S3、将手眼标定板固定于手眼相机的镜头的对面，将对准轴放入适配孔；/n步骤S4、通过已标定的手眼相机测量手眼标定板上的排孔坐标系在相机坐标系下的位置关系；/n步骤S5、通过所述手眼标定板上排孔和适配孔之间的位置关系和手眼标定板上的排孔坐标系在相机坐标系下的位置关系，获得相机坐标系与对准轴坐标系之间的变换关系，从而获得手眼关系，根据所述手眼关系完成手眼标定，为后续定位环节中对准轴与工件目标对准孔之间的对准提供基准位姿，以及为对准轴在机械臂基坐标系下的位姿调整量提供参考。/n

【技术特征摘要】
1.一种航天器在轨操作系统对准式手眼标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、将手眼相机与对准轴安装于航天器机械臂的末端，采用张正友标定法获取手眼相机内参矩阵和镜头的畸变参数，完成对手眼相机的标定；
步骤S2、加工手眼标定板，所述手眼标定板上设有适配孔和均匀排布的排孔，并通过机械标定方式确定手眼标定板上排孔和适配孔之间的位置关系；
步骤S3、将手眼标定板固定于手眼相机的镜头的对面，将对准轴放入适配孔；
步骤S4、通过已标定的手眼相机测量手眼标定板上的排孔坐标系在相机坐标系下的位置关系；
步骤S5、通过所述手眼标定板上排孔和适配孔之间的位置关系和手眼标定板上的排孔坐标系在相机坐标系下的位置关系，获得相机坐标系与对准轴坐标系之间的变换关系，从而获得手眼关系，根据所述手眼关系完成手眼标定，为后续定位环节中对准轴与工件目标对准孔之间的对准提供基准位姿，以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯月阳，林新迪，卢山，刘礼城，尹俊雄，王奉文，张竞天，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31