空间机器人双目视觉测量系统结构设计_杨晓红

图像;识别;视觉

高　新　技　术

空间机器人双目视觉测量系统结构设计①

杨晓红　　曾峦　　翟优（装备学院　　北京　　１０１４１６）

摘　要：为确保空间机器人稳定工作，提出了一种空间机器人双目视觉测量系统结构设计方法。采用Ｄ－Ｈ参数法对空间机器人机械臂建模仿真获取空间机器人基座固定工作空间；以此为测量范围约束，设计空间机器人双目视觉测量系统结构。仿真实验证明了该设计方法的可行性、有效性。

关键词：双目视觉　　Ｄ－Ｈ参数　　工作空间　　结构设计中图分类号：ＴＰ３９１．４１文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－３７９１（２０１３）０８（ａ）－０００１－０２

空间机器人是一种新型的多功能智能航天器，其携带的高精度视觉测量系统是其完成一切任务的根本保障［１］。其视觉测量系统主要有双目视觉测量和结构光视觉测量两种。由于结构光视觉具有结构复杂，不方便携带等特点，所以更多是采用双目视觉测量。双目视觉测量系统的测量性能主要与摄像机的参数、两台摄像机

［２］

之间位置摆放、被测点与测量系统的相对位置有关。在计算机视

［３～７］

觉领域中，大部分双目视觉测量系统精度的研究，是通过建立双目视觉测量系统测量误差模型，进而展开分析和讨论。文献［５］采用最优回归设计３１１－Ａ方案设计实验，设计双目视觉测量系统结构参数，仅考虑３个参数作为变量用于设计，实际意义不大。文献［６］通过建立双目视觉测量系统的位置误差模型，详细的分析了两个ＣＣＤ光轴之间夹角、基线距离测量长度对误差的影响。吴彰良［７］等人在研究双目视觉测量系统各结构参数综合分析的基础上，提出了双目视觉测量系统结构设计的优化准则和基本步骤。

本文提出了一种空间机器人双目视觉测量系统结构设计方法，并研究空间机器人机械臂建模方法，双目视觉测量系统结构设计方法，对空间机器人双目视觉测量系统结构设计与工程应用有一定的参考价值。

１．２基座固定工作空间

在基座位置固定的模式下，空间机器人的工作空间即为机械臂各关节在不同参数组合下，末端手爪与基座航天器的相对位置的集合。这里可以将基座航天器坐标系 ∑B为基准坐标系，则空间机器人末端手爪在基准坐标系的总变换：

1

?A32?LAnn?1?LAkk?1 T=A10?A2

?vx

?v=?y?vz??0

?xηx?yηy?zηz00

Bx?By??Bz??1?

则空间机器人末端手爪的位置为 P=(Bx,By,Bz)；求解空间机器人基座固定工作空间主要分为以下步骤。

（１）设计空间机器人机械臂结构参数。（２）使用Ｄ－Ｈ参数法对机械臂建模。

（３）将各关节变量均匀分布，利用这些均匀分布的变量不同组合，得到末端手爪在基准坐标系的位置。

（４）画出所有末端点。从而产生空间机器人工作空间的“云图”。通过Ｄ－Ｈ参数法建模所得的工作空间后，将其作为双目视觉测量系统结构参数设计的依据。

１　　空间机器人基座固定工作空间研究

空间机器人的基座飞行器有三种控制模式，Ｚ．Ｖａｆａ［８］将这三种控制模式下的工作空间有如下定义：基座位置姿态固定模式下基座固定工作空间、位置不受控姿态受控模式下的受限工作空间、位置姿态均不受控模式下的自由工作空间。由于我们在研究空间机器人基座双目测量系统结构中，仅需要考虑末端执行器与基座双目测量系统的相对位置，所以这里我们只需要分析空间机器人在固定基座模式下的工作空间。１．１Ｄ－Ｈ参数法建模

Ｄ－Ｈ参数法是一种对机器人连杆和关节进行建模的一种实用方法。机械臂由一系列关节和连杆组成。采用Ｄ－Ｈ参数法对机械臂建模，首先得为每个关节指定一个参考坐标系。为详细描述机械臂结构模型中各活动关节变量，令 ∑B为基座航天器坐标系、 ∑k为第ｋ关节坐标系、 ∑E为手爪坐标系， Jk为连接第ｋ－１杆和第ｋ杆之间的关节。

如图（１）所示，各关节之间的连杆参数有如下定义： an表示沿

２　　双目视觉测量系统结构参数设计

根据空间机器人基座固定工作空间对双目视觉测量系统进行

设计：首先给出了双目视觉测量系统的结构模型；通过分析双目视觉测量系统结构设计的一般准则；最后采用对称式结构设计双目视觉测量系统，并给出了设计步骤。２．１结构参数设计准则

从双目视觉测量系统结构模型可知，其结构参数主要包括：两摄像机光轴与基线的夹角 α1、 α2，有效焦距ｆ１，ｆ２；基线距Ｂ；及两摄像机分辨率和像元尺寸。这些结构参数之间不是单独变化的而是存在一定的约束关系，所以在设计双目视觉测量系统结构时，需要对一些条件进行限定。通过阅读文献［３～７］总结出，下面给出双目视觉测量系统结构参数的设计的一般准则。

（１）被测目标须确保在两摄像机公共视场之内，并且保证目标能清晰成像，为实施测量的首要条件。

（２）双目视觉测量系统采用对称结构时，测量精度更高；即两摄像机光轴与基线的夹角α１、α２相等。

（３）基线距对测量精度的影响是非线性的，其与目标的深度信息有重要关系。

（４）增大焦距可提高精度；但增大焦距会导致视场角减少，导致双摄像机的公共视场减小，因此根据具体的应用选择合适的焦距。２．２结构参数设计方案

通过前文分析，针对空间机器人双目视觉测量系统的实际情况，在获取空间机器人基座固定工作空间的基础上。采用对称式双目视觉测量结构，则 α1＝ α2＝ α，ｆ１＝ｆ２＝ｆ，需要设计的参数仅包括：

Xn轴方向上 Zn轴与 Zn?1轴之间的距离； dn表示沿 Zn轴方向 Xn?1

轴到 Xn轴的距离； αn表示绕 Xn轴线由 Zn?1轴到 Zn轴所旋转的角度； θn表示绕 Zn轴由 Xn?1轴到 Xn轴所旋转的角度。则相邻两个关

节之间的坐标系变换关系为：

An

n?1

=

?sinθn?cosαncosθn?cosαn

sinαn

sinθn?sinαn?cosθn?sinαn

cosαn

an?cosθn?an?sinθn??

?dn

?1?

?cosθn

?sinθ

n??0??0

α

、ｆ、Ｂ；设计方案如下。

①作者简介：杨晓红，男，四川人，硕士研究生，研究领域：计算机视觉。

　　　曾峦，男，北京人，博士，教授，研究领域为光电测量。

　　　翟优，男，北京人，博士研究生，研究领域：图像处理及计算机视觉。

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基座卫星接点为坐标系原点Ｏ，其连杆具体参数如表（１）所示。

令连杆１固定，与基座卫星的接点即为基准坐标系的原点。通过机械臂运动学仿真，当机械臂各关节角不受限制时，其工作空间为一个实心球形，如图（３）所示。３．２结构参数设计实例

下面针对仿真的空间机器人基座固定工作空间进行实例设计。

第一步，分析问题：通过设计的空间机器人基座卫星尺寸得到基线距范围Ｂ≤１６０ｃｍ，考虑考虑摄像机本身的体积，基线距Ｂ最小值为１５ｃｍ；设定手爪为观测目标则目标尺寸为３０ｃｍ×３０ｃｍ正方

形；通过仿真得到的基座固定空间，并将其转换到得到测量范围。具体如表２。

第二步，获得约束条件：在考虑经济效益的同时，又为保证成像的清晰度，这里选择为２０４８×２０４８。像元尺寸选择为３．５ｕｍ×３．５ｕｍ。则由于视场角 ω≥０．２１２，通过式（１）得到焦距： f≤１６．５ｍｍ；

为保证成像清晰，设定目标手爪在测量系统中成像的最小尺寸一般不低于１５０×１５０；根据测量范围约束１９８≤W≤３０７ｃｍ，根据式子（２）得到： 3.46<f≤７３．４≤ｍｍ；

可得到焦距约束： 3.46<f≤≤1１６．５ｍｍ。

第三步，以最大焦距值ｆ＝１６．７ｍｍ为初值，对结构参数迭代设计；ＡＢ、ＯＤ可由空间机器人工作空间推导出，且 OC<198cm；通过焦距ｆ可推导出 θ1值，则根据几何关系可推导出：

（１）分析问题：根据空间机器人基座卫星尺寸得到基线距范围，设定手爪为观测目标。通过分析固定工作空间得到摄像机分别在Ｙ轴方向的最大视场角 φ和测量范围。

（２）获得焦距的约束条件，通过对空间机器人基座工作空间的分析获得焦距的约束条件：

令摄像机参数像元尺寸为ｕ，像素大小ｎ×ｎ，可获得焦距和摄

像机视场角之间的约束关系：

φ=atan(

un

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）2f

令观测目标最小成像尺寸（ｍ×ｍ个像素），则成像高度ｈ＝ｕｍ，ｈ与目标的实际高度Ｓ、物距Ｒ、焦距ｆ的约束关系如下式：

S

h=f×

R

(R>>f)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）

（３）迭代设计：考虑到长焦距镜头的畸变较小；以焦距越长，公共视场越大为优的准则；选择最大焦距值初值，迭代设计基线距和光轴与基线夹角，最后给出观测方案。

３　　设计实例

３．１空间机器人运动学仿真

本文设计如下：空间机器人由基座卫星、机械臂、手爪、基座双目视觉测量系统组成。基座卫星尺寸１６０ｃｍ×１６０ｃｍ×１６０ｃｍ；机

械臂为三自由度构型由３个相同的一体化双关节、四个连杆构成；

设定０号连杆与将手爪设计为一个３０ｃｍ×３０ｃｍ正方形，（如图２）。

１

ADO1O

=　cot(α1?θ1)=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）DCOC

根据式子（３），即可推导出 θ1与基线距Ｂ，光轴与基线夹角 α之间的关系；两摄像机公共视场越大越好为准则，设计结构参数；并分析其是否能够满足空间机器人固定基座工作空间的范围，不满足则将焦距ｆ＝ｆ－Δｆ，Δｆ＝０．０１ｍｍ。直到满足的工作空间范围的结构为止。

在表３中给出了结构设计方案。对其进行分析，设计的双目视觉测量系统满足１９８≤W≤３０７ｃｍ的测量范围，当W＝１９８ｃｍ，目标的成像尺寸为：７１５×７１５个像素；当W＝３０７ｃｍ，目标的成像尺寸

为：４６１×４６１个像素。目标在工作空间中都能在公共视场范围内，

并有足够的成像尺寸，说明设计方案是可行有效的。

图１　标准Ｄ－Ｈ

结构

４　　结论

本文给出了一种空间机器人双目视觉测量系统的设计方法：通过对空间机器人进行机械臂建模仿真，得到其基座固定工作空间；以其为视觉范围约束来设计双目视觉测量系统。在设计过程，采用了对称式测量结构来简化设计流程，同时也提高设计的测量系统的精度。通过仿真实例证明了该方法的可行性。

参考文献

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图２　空间机器人结构图

３

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［８］Ｚ．Ｖａｆａ，Ｓ．Ｄｕｂｏｗｓｋｙ．Ｔｈｅ　Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅ

表３　双目视觉系统结构设计方案ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ：Ｔｈｅ　ｖｉｒ—ｔｕａｌ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒ－

ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｏｂｏｔｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｅｈ，１９９０，９（４）：３－２．２科技资讯　ＳＣＩＥＮＣＥ　＆　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ