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CN116423495A - 一种基于pnp的3d定位跟踪方法和系统 - Google Patents

一种基于pnp的3d定位跟踪方法和系统 Download PDF

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CN116423495A
CN116423495A CN202310162817.8A CN202310162817A CN116423495A CN 116423495 A CN116423495 A CN 116423495A CN 202310162817 A CN202310162817 A CN 202310162817A CN 116423495 A CN116423495 A CN 116423495A
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China
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manipulator
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陈凯
梅文宝
刘俊锋
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Shenzhen Qiling Image Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于PNP的3D定位跟踪方法和系统，所述方法包括：离线状态下，先进行相机标定获取PNP定位模型所需的相机内参，然后基于PNP定位方法示教一个靶标坐标系与相机坐标系的一个标准位置关系，再进行手眼标定确定相机坐标系与机械手工具坐标系之间的转换关系；靶标做无规则运动时，相机实时对其拍照获取靶标图像；基于PNP方法进行靶标3D定位，计算此拍照时刻靶标坐标系在相机坐标系中的位姿；计算保持相机与靶标示教位置不变时，机械手工具坐标系在基坐标系中的位姿，即机械手需要移动到的位置；根据位姿控制机械手移动。本发明采用PNP方法进行3D定位，可实现高精度定位，需要用于定位的数据较少，定位速度较快。

Description

一种基于PNP的3D定位跟踪方法和系统
技术领域
本发明涉及目标追踪技术领域，具体涉及一种基于PNP的3D定位跟踪方法和系统。
背景技术
随着工业自动化技术的发展，机械手已被广泛应用于工业的多种领域，主要通过多个自由度的机械手完成一些简单的装配制造工作，工业机械手大多用于流水线作业，其工作过程是基于既定的程序完成单调重复的操作，较为缺乏自主性与决策性。现有技术中，有采用3D成像的方式进行数据采集，以实现对目标物的定位，再结合对机械手的控制，从而使机械手能够移动至目标物位置并进行相应操作。采用3D成像的方式进行数据采集，此方式数据较丰富，但相对而言，采集的速度较慢。而目标跟踪要求速度较快，定位也不需要太多数据，且相较而言，一般的3D成像的精度也不高，故传统的3D成像方式不合适快速地3D定位跟踪的要求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种定位速度快，精度高的基于PNP的3D定位跟踪方法和系统。
本发明实施例提供一种基于PNP的3D定位跟踪方法，所述方法包括：离线状态下，先进行相机标定，获取PNP定位模型所需的相机内参，然后基于PNP定位方法示教一个靶标坐标系与相机坐标系的一个标准位置关系，再进行手眼标定确定相机坐标系与机械手工具坐标系之间的转换关系；靶标做无规则运动时，相机实时对其拍照获取靶标图像；基于PNP方法进行靶标3D定位，计算此拍照时刻，靶标坐标系在相机坐标系中的位姿；计算保持相机与靶标示教位置不变时，机械手工具坐标系在机械手基坐标系中的位姿，即机械手需要移动到的位置；根据位姿控制机械手移动。
可选地，所述计算保持相机与靶标示教位置不变时，机械手工具坐标系在机械手基坐标系中的位姿，即机械手需要移动到的位置的步骤包括：通过PNP方法计算靶标坐标系在相机坐标系中的位姿；通过相机坐标系与机械手工具坐标系的位置关系，机械手工具坐标系在机械手基坐标系中的位姿，计算实时的靶标坐标系在机械手基坐标系中的位姿；相机坐标系与机械手工具坐标系位置保持不变时，计算机械手工具坐标系在机械手基坐标系的位姿。
可选地，所述相机标定为单相机标定，所述单相机标定相机内参，建立单目相机PNP定位模型，空间任一点(Xw，Yw，Zw)与像素坐标(u,v)的转换关系为
Figure BDA0004094771830000021
其中，f为焦距、r为畸变因子、Sx、Sy为像元尺寸，u0为像素偏移、v0为相机内参。
优选地，所述靶标坐标系，相机坐标系，机械手工具坐标系和机械手基坐标系中，任两个坐标系之间的转换关系为
Figure BDA0004094771830000022
其中，R3×3为旋转矩阵，T3×1为平移矩阵。
优选地，所述相机固定于机械手上，跟随机械手移动。
优选地，所述机械手采用轴动模式运动。
优选地，所述相机为高帧率相机。
优选地，所述相机内参包括相机的焦距。
本发明的另一实施例还提供一种基于PNP的3D定位跟踪系统，所述系统包括控制装置和六自由度机械手，六自由度机械手上设置有相机，所述控制装置用于执行上述任一项所述的基于PNP的3D定位跟踪方法。
本发明实施例提供的技术方案中，离线状态下，先进行相机标定，获取PNP定位模型所需的相机内参，然后基于PNP定位方法示教一个靶标坐标系与相机坐标系的一个标准位置关系，再通过手眼标定确定相机坐标系与机械手工具坐标系之间的转换关系；靶标做无规则运动时，相机实时对其拍照获取靶标图像；基于PNP方法进行靶标3D定位，计算此拍照时刻，靶标坐标系在相机坐标系中的位姿；计算保持相机与靶标示教位置不变时，机械手工具坐标系在机械手基坐标系中的位姿，即机械手需要移动到的位置；相比于现有技术，本发明采用PNP方法进行3D定位，标靶定制，定制地标靶可以做的非常高的精度，可以实现高精度定位，需要用于定位的数据较少，定位速度较快。
附图说明
图1为本发明一种基于PNP的3D定位跟踪方法的流程示意图；
图2为本发明四个坐标系的示意图；
图3为本发明基于PNP的3D定位跟踪方法的另一实施例的流程示意图；
图4为本发明针孔成像透视投影模型；
图5为本发明PNP定位的原理图；
图6为本发明手眼标定的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域技术人员在没有作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。
本发明提供一种运动状态下目标追踪系统，所述系统包括旋转台和控制装置，旋转台上设置有六自由度机械手，通过旋转台带动六自由度机械手转动，六自由度机械手上设置有相机，通过六自由度机械手控制相机移动，从而通过相机进行3D跟踪，所述控制装置采用如下实施例所述的基于PNP的3D定位跟踪方法。
请参阅图1所示，本发明提供一种基于PNP的3D定位跟踪方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S10，离线状态下先进行相机标定，获取PNP定位模型所需的相机内参，然后基于PNP定位方法示教一个靶标坐标系与相机坐标系的一个标准位置关系，再进行手眼标定确定相机坐标系与机械手工具坐标系之间的转换关系。
目标追踪设备的模型中，包括四个坐标系，请参考图2所示，分别为机械手基坐标系，机械手工具坐标系，相机坐标系和靶标坐标系，目标追踪的过程即靶标在做无规则运动时，相机会保持对其进行拍照，定位，然后计算出保持相机与靶标的相对位置不变时，机械手需要走到的位姿。
在本实施例中，通过对单相机进行标定，可以获取PNP定位模型所需的相机内参，然后示教一个靶标坐标系在相机坐标系中的位姿，也就是靶标坐标系与相机坐标系之间的转换关系，具体通过获得所述单目相机的内部参数和外部参数，根据相机的内参以及特制靶标上的坐标系，基于PNP方法计算靶标坐标系在相机坐标系中的位姿，即为后续实时追踪所需的示教位置，其中，所述内部参数包括所述单目相机成像过程中沿像素排列水平方向的像素焦距参数和光轴偏移量参数、沿像素排列水平方向的像素焦距参数和光轴偏移量参数沿像素排列竖直方向的像素焦距参数和光轴偏移量参数、以及径向畸变参数和切向畸变参数。所述外部参数包括旋转参数和平移参数。
机械手工作坐标系在机械手基坐标系中的位姿需在每次拍照时访问机械手获取，具体的，这里的拍照是指的是每次拍图时的这个位置以及这个时刻，因为相机在机械手上，拍照的位置实时都在变动，工具坐标系在机械手坐标系中的位置主要是通过机械手程序告知软件，或者软件主动去访问机械手中获取。
手眼标定时，靶标坐标系在基坐标系中的位姿是固定的，可以当作常量；相机坐标系在工具坐标系中的位姿也是固定的，是需要最终标定的。
步骤S20，靶标做无规则运动时，相机实时对其拍照获取靶标图像。
具体的，标靶定制，定制的标靶可以做到非常高的精度，可以实现高精度定位，所述相机设置于机械手上，用于对机械手进行实时的定位。采集的图像可以为照片，也可以为视频图像中的图像帧。本实施例中，相机采用高帧率相机，拍照速度更快，稳定性也较高且传统的相机通常在固定位置拍摄，本身不具备自适应旋转的功能，本申请相机设置于机械手上，相机会随着机械手转动，机械手采用透传模式，传输无障碍，且机械手在动态实时跟踪时无启动、加减速等动作，故消除动态顿挫及耗时，动态定位跟踪频率可达到30HZ以上。
步骤S30，基于PNP方法进行靶标3D定位，计算此拍照时刻，靶标坐标系在相机坐标系中的位姿。
步骤S40，计算保持相机与靶标相对示教位置不变时，机械手工具坐标系在机械手基坐标系中的位姿，即机械手需要移动到的位置；
在本发明的其中一实施例中，请参考3所示，步骤S40具体包括如下步骤：
步骤S41，通过PNP方法计算靶标坐标系在相机坐标系中的位姿；
步骤S42，通过手眼标定得到相机坐标系与工具坐标系的位置关系，拍照时得到工具坐标系在基坐标系中的位姿，计算实时的靶标坐标系在机械手基坐标系中的位姿；
步骤S43，相机坐标系与示教得到的靶标坐标系位置保持不变时，计算机械手工具坐标系在基坐标系的位姿。
本实施例采用单目相机PNP定位算法实现对标靶坐标系在相机坐标系中的位姿计算过程。具体的，将所述靶标坐标信息、世界坐标信息以及相机的标定参数输入到预设的单目相机PNP定位模型，通过所述预设的单目相机PNP定位模型输出靶标坐标系在相机坐标系中的位姿。
请参考图4所示为针孔成像透视投影模型，特征点通过小孔成像，曝光投影到相机芯片上，然后经过光电转换，转换成图片。所述单相机标定相机的内参，空间任一点(Xw，Yw，Zw)与像素坐标(u,v)的转换关系为
Figure BDA0004094771830000061
其中，f为焦距、r为畸变因子、Sx、Sy为像元尺寸，u0为像素偏移、v0为相机的内参，通过相机标定可以得到。空间内的点(Xw,Yw，Zw)通过上述的转换得到像素坐标(u,v)。
请参考图5所示为PNP定位的原理图，如场景的三维结构已知，利用多个控制点在三维场景中的坐标及其在图像中的透视投影坐标即可求解出相机坐标系与表示三维场景结构的世界坐标系之间的绝对位姿关系，包括绝对平移向量t以及旋转矩阵R，该类求解方法统称为N点透视位姿求解(Perspective-N-Point，PNP问题)。这里的控制点是指准确知道三维空间坐标位置，同时也知道对应图像平面坐标的点。对于透视投影来说，要使得PNP问题有确定解，需要至少三组控制点。
本发明通过手眼标定方法标定相机坐标系与机械手工具坐标系之间的关系，此为离线状态下进行，本方案中，相机是固定在机械手上的，故我们需要进行相机在机械手上的标定。
请参考图6所示为手眼标定的原理图，本方案中，相机是固定在机械手上的，故我们需要进行相机在机械手上的标定。如图6所示，标定时，标靶不动，相机移动5个以上位姿对标靶进行拍照，标定系统中共有四个坐标系：①靶标坐标系②相机坐标系③机械手工具坐标系④机械手基坐标系，每两个坐标系之间的转换关系为
Figure BDA0004094771830000071
其中，R3×3为旋转矩阵，T3×1为平移矩阵。通过手眼标定方法，得到该转换矩阵。旋转平移矩阵即为两坐标系间的转换关系，这四个坐标系组成了一个闭环。该闭环中的坐标系关系特性：
靶标坐标系在相机坐标系中的位姿：每次拍摄通过PNP定位计算可以获取；相机坐标系在工具坐标系中的位姿：固定的，也是需要提前标定的；机械手工具坐标系在基坐标系中的位姿：每次拍图可以通过访问机械手获知；靶标坐标系在机械手基坐标系中的位姿：固定的，可以当做常量。
如果将靶标坐标系在基坐标系中的位姿作为常量，将机械手工具坐标系与相机坐标系之间的旋转平移矩阵作为未知数(则总共12个未知数)。拍摄定位5次后就可以组建4组等式，每组等式有3个等式，总共12个未知数，即可求出该旋转平移矩阵，完成标定。
示教相机与靶标的基准位置，此为标准位置，即每次跟踪的目标为保证相机与靶标间保持该标准相对位置不变，此也为离线完成。
相机定位，相机实时获取靶标图片，并通过PNP方法计算此时靶标坐标系在相机坐标系中的位姿，即相对关系。通过相机坐标系与机械手工具坐标系位置关系、机械手工具坐标系在基坐标系中的位姿，计算实时的靶标坐标系在基坐标系中的位姿。
计算保证相机坐标系与靶标坐标系保持示教时的标准位姿不变的情况下，机械手工具坐标系在机械手基坐标系中的位姿，及机械手需要运动到的位姿(相机坐标系与工具坐标系位置保持不变，所以计算工具坐标系需要运动到基坐标系某个位置即可)。
步骤S50，根据位姿控制机械手移动。
离线状态下，通过相机标定，获取PNP定位模型所需的相机内参，然后基于PNP定位方法示教一个靶标坐标系与相机坐标系的一个标准位置关系，通过手眼标定确定相机坐标系与机械手工具坐标系之间的转换关系；靶标做无规则运动时，相机实时对其拍照获取靶标图像；基于PNP方法进行靶标3D定位，计算此拍照时刻，靶标坐标系在相机坐标系中的位姿；计算保持相机与靶标示教位置不变时，机械手工具坐标系在机械手基坐标系中的位姿，即机械手需要移动到的位置；根据位姿控制机械手运动，相比于现有技术，本发明采用PNP方法进行3D定位，标靶定制，定制地标靶可以做的非常高的精度，可以实现高精度定位，需要用于定位的数据较少，定位速度较快。
本发明的硬件可以灵活选择，可以根据精度以及速度要求，选择不同精度、视野的成像硬件以及定制对应的靶标。本发明提高了目标追踪的速度，同时提高了目标追踪的精度，追踪范围广，配合机械手运动控制方式，可实时进行定位追踪。
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 (9)

1.一种基于PNP的3D定位跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：
离线状态下，先进行相机标定，获取PNP定位模型所需的相机内参，然后基于PNP定位方法示教一个靶标坐标系与相机坐标系的一个标准位置关系，再进行手眼标定确定相机坐标系与机械手工具坐标系之间的转换关系；
靶标做无规则运动时，相机实时对其拍照获取靶标图像；
基于PNP方法进行靶标3D定位，计算此拍照时刻，靶标坐标系在相机坐标系中的位姿；
计算保持相机与靶标示教位置不变时，机械手工具坐标系在机械手基坐标系中的位姿，即机械手需要移动到的位置；
根据位姿控制机械手移动。
2.根据权利要求1所述的基于PNP的3D定位跟踪方法，其特征在于，所述计算保持相机与靶标示教位置不变时，机械手工具坐标系在机械手基坐标系中的位姿，即机械手需要移动到的位置的步骤包括：
通过PNP方法计算靶标坐标系在相机坐标系中的位姿；
通过相机坐标系与机械手工具坐标系的位置关系，机械手工具坐标系在机械手基坐标系中的位姿，计算实时的靶标坐标系在机械手基坐标系中的位姿；
相机坐标系与机械手工具坐标系位置保持不变时，计算机械手工具坐标系在机械手基坐标系的位姿。
3.根据权利要求1所述的基于PNP的3D定位跟踪方法，其特征在于，所述相机标定为单相机标定，所述单相机标定相机内参，建立单目相机PNP定位模型，空间任一点(Xw，Yw，Zw)与像素坐标(u,v)的转换关系为
Figure FDA0004094771820000011
其中，f为焦距、r为畸变因子、Sx、Sy为像元尺寸，u0为像素偏移、v0为相机内参。
4.根据权利要求2所述的基于PNP的3D定位跟踪方法，其特征在于，所述靶标坐标系，相机坐标系，机械手工具坐标系和机械手基坐标系中，任两个坐标系之间的转换关系为
Figure FDA0004094771820000021
其中，R3×3为旋转矩阵，T3×1为平移矩阵。
5.根据权利要求1所述的基于PNP的3D定位跟踪方法，其特征在于，所述相机固定于机械手上，跟随机械手移动。
6.根据权利要求1所述的基于PNP的3D定位跟踪方法，其特征在于，所述机械手采用轴动模式运动。
7.根据权利要求1所述的基于PNP的3D定位跟踪方法，其特征在于，所述相机为高帧率相机。
8.根据权利要求1所述的基于PNP的3D定位跟踪方法，其特征在于，所述相机内参包括相机的焦距。
9.一种基于PNP的3D定位跟踪系统，其特征在于，所述系统包括控制装置和六自由度机械手，六自由度机械手上设置有相机，所述控制装置用于执行权利要求1-8任一项所述的基于PNP的3D定位跟踪系统。
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