基于混联机构的相机自动标定系统及其相机自动标定方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于混联机构的相机自动标定系统及其相机自动标定方法，混联机构通过3PRRR三移动并联机构和3RRR三转动并联机构串联而成，将混联机构运动过程中的运动参数带入到标定算法过程实现标定。安装于混联机构动平台的标定板可进行六自由度运动，用混联机构实现标定图像完成自动采集过程，同时利用混联机构自身的高精度和稳定性的特点，获取每张标定板运动之间的变换矩阵，带入到标定过程中，来使得相机标定算法中的参数更加精准。同时对标定结果误差进行评估，设定阈值，自动剔除误差较大图像，直到标定结果满足要求，才会停止标定，实现相机标定的全自动过程。实现相机标定的全自动过程。实现相机标定的全自动过程。

【技术实现步骤摘要】
基于混联机构的相机自动标定系统及其相机自动标定方法


[0001]本专利技术属于相机标定领域，具体地，涉及一种基于混联机构的相机自动标定系统及其相机自动标定方法。

技术介绍

[0002]物体表面某点的三维场景信息与其在图像中对应点之间的映射关系是由摄像机成像的几何模型决定的，几何模型参数就是摄像机标定过程中的内部参数。这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个过程称为摄像机标定。摄像机标定在理论和实践应用中都具有重要价值，学术界对其进行了广泛的研究。
[0003]相机标定是图像测量和三维重建的重要步骤，也一直是计算机视觉、虚拟现实、人工智能等领域的研究难点与热点。它广泛地应用于物体尺寸测量、空间定位、视觉导航等领域。根据标定方式的不同，相机标定方法主要分为传统标定方法、自标定方法和基于主动视觉的标定方法。传统的标定方法虽然精度高，但标定过程复杂，需要借助棋盘等辅助工具实现；自标定方法在其推广应用的过程中因精度问题而有待研究与讨论；基于主动视觉的标定方法鲁棒性较高、计算简单，但系统成本高。

技术实现思路

[0004]针对现有传统标定方法操作过于复杂，且自动化程度较低，本专利技术提供一种基于混联机构的相机自动标定系统及其相机自动标定方法，采用三移并联机构与三转并联机构相结合的混联机构作为执行机构，实现末端动平台在空间中的三移动和三转动，在动平台末端安装相机标定板，使用相机对标定板进行标定，并且在相机标定过程中，使用一种新的标定方法：根据相机的初步标定参数规划标定板运动轨迹，之后将标定机构平移矩阵和旋转矩阵加入标定过程中，获得更准确的标定参数。从而全自动的实现相机的标定过程。
[0005]本专利技术是这样实现的：一种基于混联机构的相机自动标定系统，其包括3PRRR并联机构、控制器终端、3RRR并联机构、型材框架、相机、相机支架和相机标定板，所述3PRRR并联机构中三条PRRR分支的两端分别与型材框架、3PRRR并联平台相连，3RRR并联机构中三条RRR分支的两端分别与3PRRR并联平台、3RRR并联平台相连，两个并联机构以串联形式构成六自由度混联机构；所述3PRRR分支包括滑轨、滑块、转动副A、连杆A、转动副B和连杆B，滑块的第一端与丝杠相连且能与滑轨构成移动副，滑块的第二端通过转动副A与连杆A的第一端相连，连杆A的第二端通过转动副B与连杆B的第一端相连，连杆B的第二端通过转动副C与3PRRR并联平台相连；所述RRR分支包括连杆C、转动副E、连杆D和转动副F，所述连杆C的第一端与转动副D相连，连杆C的第二端通过转动副E与连杆D的第一端相连，所述连杆D的第二端通过转动副F与3RRR并联平台相连，相机标定板固定于3RRR并联平台；所述转动副D内嵌套有多层圆管与滑动轴承，其与三个从动齿轮同轴线装配，三个从动齿轮分别与三个主动齿轮啮合，三个齿轮分别通过三个舵机驱动；所述相机支架两侧对称设置有两个旋转螺栓，旋转螺栓与胶皮垫同轴线相连，胶皮垫的第一端与旋转螺栓固连，胶皮垫的第二端与相机弹
性接触。
[0006]优选地，所述型材框架为长方体，其包括十二个型材，且相邻的三个型材间互相垂直，相邻型材间通过型材上的条形凹槽和螺丝螺母连接进行固定；所述控制器终端固连于型材框架上。
[0007]优选地，三组滑轨、丝杠分别安装于型材框架的长边、宽边和高边上，丝杠与电机同轴线相连，型材框架的长边、宽边和高边相互垂直。
[0008]优选地，X
’
Y
’
Z
’
为3PRRR并联平台的坐标系，X”Y”Z”为3RRR并联平台的坐标系，通过控制器终端控制三个电机，3PRRR并联平台能实现沿X
’
方向移动、沿Y
’
方向移动和沿Z
’
方向移动，3RRR并联平台能实现绕X”轴的转动、绕Y”轴的转动和绕Z”轴的转动。
[0009]本专利技术的第二方面提供一种基于前述混联机构的相机自动标定系统的相机自动标定方法，其包括以下步骤：
[0010]第一步：将标定板安装于SRRR并联平台上，调整相机支架上的螺栓，使相机的视角正对SRRR并联平台；
[0011]第二步：对控制器终端手动输入相机标定所需的标定板的棋盘格数量、棋盘格大小、相机视角和目标的误差阈值；
[0012]第三步：将SRRR并联平台从第一位置移动至第二位置处，通过SRRR并联平台的移动和旋转，使相机采集6张以上的图像，同时记录每张图像间的平移矩阵t和旋转矩阵R，排除各图像中误差较大的棋盘格角点；
[0013]第四步：使用代价函数对相机参数进行拟合，其中，α和β为权重参数、N为总共采集到的图像总数、loss1为世界坐标系下的角点映射到相机的像素坐标系下的重映射误差、loss2为使用第p张标定图和第q张标定图间对应角点映射误差，
[0014][0015][0016]其中，u和v为像素点坐标，f为焦距，dx和dy为单个像素点大小单位，u0和v0为图像中心，和为相机相对于标定板的旋转矩阵和平移矩阵，X
w
、Y
w
、Z
w
是标定板上的世界坐标，P(u,v)为图像中角点的像素坐标，为重映射以后角点的像素坐标，Z
c
为标定板在相机中的深度，0
T
为零向量，Z
cp
为第p张图像的相机坐标系下角点的深
度，u
q
和v
q
为第q张图像中角点的像素坐标，和为第q张图像中角点的世界坐标系到相机坐标系下的旋转矩阵和平移矩阵，和为第p张图像和第q张图像间的旋转矩阵和平移矩阵由混联六自由度平台反馈得到；
[0017]第五步：将标定结果的误差阈值与步骤2中设定的误差阈值进行比较，若大于该误差阈值则执行继续执行步骤3，若小于该误差阈值则结束标定过程，输出标定参数：相机的焦距、像素大小、畸变系数。
[0018]优选地，所述步骤三中，角点挑选过程原理：对每张图像的角点处进行划分为N
×
N的区域，并分析每个区域的质心[X
cij
，Y
cij
]，求得角点坐标和质心的欧式距离，并求得整张图像的所有角点的欧式距离的平均值，剔除出大于平均值的，将小于平均值的角点保留下来作为标定数据。
[0019]优选地，所述loss2的计算过程为：通过使用机构移动过程中记录的第p张和第q张标定板图像的变换矩阵对每张图像的标定板坐标到相机坐标变换：得到第p张和第q张标定板图像在相机坐标系下的变换关系：代入相机的数学模型，将角点通过图像像素坐标系投影到相机坐标系：角点通过图像像素坐标系投影到相机坐标系：再对该点投影进行评估组成loss2，其中，为标定板相对于相机的三维坐标，为第p张标定板图像中标定板相对于相机的三维坐标。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021](1)该混联机构相对于串联六自由度机构具有运动平稳、反应快的特点，能保证图像采集过程中的稳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混联机构的相机自动标定系统，其包括3PRRR并联机构、控制器终端、3RRR并联机构、型材框架、相机、相机支架和相机标定板，其特征在于，所述3PRRR并联机构中三条PRRR分支的两端分别与型材框架、3PRRR并联平台相连，3RRR并联机构中三条RRR分支的两端分别与3PRRR并联平台、3RRR并联平台相连，两个并联机构以串联形式构成六自由度混联机构；所述3PRRR分支包括滑轨、滑块、转动副A、连杆A、转动副B和连杆B，滑块的第一端与丝杠相连且能与滑轨构成移动副，滑块的第二端通过转动副A与连杆A的第一端相连，连杆A的第二端通过转动副B与连杆B的第一端相连，连杆B的第二端通过转动副C与3PRRR并联平台相连；所述RRR分支包括连杆C、转动副E、连杆D和转动副F，所述连杆C的第一端与转动副D相连，连杆C的第二端通过转动副E与连杆D的第一端相连，所述连杆D的第二端通过转动副F与3RRR并联平台相连，相机标定板固定于3RRR并联平台；所述转动副D内嵌套有多层圆管与滑动轴承，其与三个从动齿轮同轴线装配，三个从动齿轮分别与三个主动齿轮啮合，三个齿轮分别通过三个舵机驱动；所述相机支架两侧对称设置有两个旋转螺栓，旋转螺栓与胶皮垫同轴线相连，胶皮垫的第一端与旋转螺栓固连，胶皮垫的第二端与相机弹性接触。2.根据权利要求1所述的基于混联机构的相机自动标定系统，其特征在于，所述型材框架为长方体，其包括十二个型材，且相邻的三个型材间互相垂直，相邻型材间通过型材上的条形凹槽和螺丝螺母连接进行固定；所述控制器终端固连于型材框架上。3.根据权利要求1所述的基于混联机构的相机自动标定系统，其特征在于，三组滑轨、丝杠分别安装于型材框架的长边、宽边和高边上，丝杠与电机同轴线相连，型材框架的长边、宽边和高边相互垂直。4.根据权利要求1所述的基于混联机构的相机自动标定系统，其特征在于，X
’
Y
’
Z
’
为3PRRR并联平台的坐标系，X”Y”Z”为3RRR并联平台的坐标系，通过控制器终端控制三个电机，3PRRR并联平台能实现沿X
’
方向移动、沿Y
’
方向移动和沿Z
’
方向移动，3RRR并联平台能实现绕X”轴的转动、绕Y”轴的转动和绕Z”轴的转动。5.一种根据权利要求1至4任一项所述基于混联机构的相机自动标定系统的相机自动标定方法，其特征在于，其包括以下步骤：第一步：将标定板安装于SRRR并联平台上，调整相机支架上的螺栓，使相机的视角正对SRRR并联平台；第二步：对控制器终端手动输入相机标定所需的标定板的棋...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳文，刘建鑫，徐宗国，潘磊，姜森威，陈子明，董志奎，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：