遥操作环境下的机器人定标和参数估计.pdf

遥操作环境下的机器人定标和参数估计 胡社教①陈锋⑦陈宗海⑦ ①(合肥工业大学计算机与信息学院230009) ②(中国科学技术大学自动化系230027) 摘要基于虚拟现实的机器人遥操作系统研究的是将人和机器人进行融合，充分发挥各自 的优点，实现对机器人的精确、可靠控制。本文首先筒述基于视觉临场感遥操作系 统的总体框架，然后详细介绍遥操作环境下机器人定标和摄像机参数估计。 关键词虚拟现实，遥操作，定标，6数-估计 1基于视觉临场感的遥操作系统 基于视觉临场感的机器人遥操作系统是智能机器领域研究的关键技术。其目的在于对远 程机器人遥操作过程中，地面工作站的操作人员能够感受到与现场操作一样的身临其境感。 它能将“人．机器人”有机地进行融合，恰到好处地发挥出各自的特长。让机器代替人去危险 的或人不可能到达的环境中进行作业，而用人的判断能力和决策水平来提高系统的整体智能 水平。具有临场感的遥操作系统因其面临的任务不同而存在较大的差异，但基于视觉临场感 的虚拟环境是任何机器人遥操作系统所必需的，系统构成如图l所示。 视频信号采集 图象 视频显示系统 数据 摄象机云台 头盔系统 传输 控制系统 系统 头盔位姿获取 图1基于图象的遥操作虚拟现实系统 基于图象的遥操作系统由摄像机云台系统、头盔系统和图像传输系统等组成；其中，现 场端的摄像机云台与遥操作端的头盔构成随动一个系统，是视觉临场感系统的核心部分。它 通过头盔获得位于地面工作站操作者头部运动的位姿信息，并使位于现场端的摄像机云台也 跟随其运动，从而使操作者在视频显示系统上看到的操作现场与摄像机所处的方位一样，给 人以身f}缶其境的感觉。图像传输系统是f临场感遥控系统的关键模块，负责现场端与操作者的 双向信息交换，包括数据通讯与图像通讯。视频显示系统负责在遥操作环境中显示远程机器 人工作现场的视觉信息。操作者头部的位置和视线角度的测量是头盔系统的关键，头盔系统 的功能是实时地获取操作者头部运动的水平转动分量和俯仰分量，这些姿态数据通过图像数 199 据传输模块传输到摄像机云台，使摄像机云台做相应的运动【11。 2遥操作环境下的机器人定标 在遥操作环境下，操作者对机器人发出精确的遥操作指令是机器人准确完成预定作业任 务的关键。正确的操作来源于对机器人工作现场3D信息的获取，一般的摄像机拍摄到的是工 作环境2D的平面图像。从2D图像恢复出工作环境的3D深度信息是其中的关键。摄像机定 标是从2D图像获取3D信息必不可少的步骤，它包括两类参数的标定——内部参数和外部参 数。 (1)遥操作环境下的摄像机、图像与世界坐标系 在遥操作现场，机器人通常是以某一特定的工作区域为目标，选取某一合适的点作为世 界坐标系原点，定义世界坐标系的O,,Xwy名0、摄像机(机器人)坐标系p—砭J，玉和机器人 的图像平面坐标系OXY。三个坐标系、各坐标系内点之间的位置关系如图2所示。空间的点 Pw在不同坐标系中的表示可以描述如下： 图2遥操作环境下世界、摄像机、图像平面坐标系的位置关系 2 ≯=．2 2≯了+il三jJ+i l-三；j (2) Y。z