李俊杰，黃 翔，李瀧杲，曾 琪，主 逵

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.深圳市勁拓自動(dòng)化有限公司，深圳 518126）

激光跟蹤儀、激光雷達(dá)等測(cè)量設(shè)備具有測(cè)量精度高、測(cè)量穩(wěn)定性好、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到普遍應(yīng)用[1]。由于被測(cè)飛機(jī)構(gòu)件尺寸較大或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量設(shè)備在使用過程中往往需要轉(zhuǎn)站才能實(shí)現(xiàn)對(duì)盲區(qū)的測(cè)量[2]，隨著移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，使用移動(dòng)機(jī)器人搭載測(cè)量設(shè)備的自動(dòng)化轉(zhuǎn)站技術(shù)有效避免了人工干預(yù)轉(zhuǎn)站過程中測(cè)量效率低、過程繁瑣的問題。為保證自動(dòng)化轉(zhuǎn)站過程中測(cè)量設(shè)備在測(cè)量站位點(diǎn)的位姿誤差在允許范圍內(nèi)，需要通過移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位技術(shù)保證移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)精確的測(cè)量站位點(diǎn)。導(dǎo)航定位技術(shù)一直是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，與目前移動(dòng)機(jī)器人常用的慣性導(dǎo)航、磁帶導(dǎo)航等方式相比，人工地標(biāo)的視覺導(dǎo)航具有定位精度高、沒有累計(jì)誤差、對(duì)環(huán)境要求較低、設(shè)備性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，近年來在國(guó)內(nèi)外得到了越來越多的研究與應(yīng)用[3–5]。

黃璐等[6]將人工路標(biāo)分為糾偏人工路標(biāo)和定位人工路標(biāo)，雖然都具有良好識(shí)別率，但將編碼信息和位姿信息分離，信息量過少，降低了實(shí)用性。Chae 等[7]使用紅外路標(biāo)來進(jìn)行機(jī)器人的定位，該路標(biāo)被固定于天花板上，對(duì)光照條件不敏感，但是對(duì)其進(jìn)行識(shí)別時(shí)需要使用帶有紅外帶通濾波器的CCD 攝像機(jī)。霍亮等[8]提出了一種視覺路標(biāo)快速識(shí)別方法，當(dāng)圖像發(fā)生嚴(yán)重畸變時(shí)依然能夠快速有效地識(shí)別，試驗(yàn)取得了很好的效果。高飛等[9]提出一種基于位置判別的激光QR 碼定位方法，當(dāng)探測(cè)圖形不完整時(shí)仍可有效地進(jìn)行精確定位,具有很高的可靠性。但上述兩種方法均存在地標(biāo)圖像復(fù)雜、解碼算法繁瑣的現(xiàn)象，容易造成解碼難度大的問題。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的人工地標(biāo)，圖案簡(jiǎn)單易于識(shí)別，攜帶編碼信息和位姿信息，并可通過標(biāo)定工裝實(shí)現(xiàn)在全局坐標(biāo)系下標(biāo)定。在自動(dòng)化轉(zhuǎn)站過程中，移動(dòng)機(jī)器人通過識(shí)別人工地標(biāo)并進(jìn)行編碼與位姿解算，根據(jù)相應(yīng)的調(diào)整策略，實(shí)現(xiàn)定位與姿態(tài)調(diào)整。最后，通過試驗(yàn)驗(yàn)證移動(dòng)機(jī)器人滿足到達(dá)指定目標(biāo)點(diǎn)的精度要求。

1 系統(tǒng)描述

1.1 系統(tǒng)工作流程

測(cè)量設(shè)備的自動(dòng)化轉(zhuǎn)站過程見圖1，測(cè)量設(shè)備在當(dāng)前站位完成測(cè)量工作后，移動(dòng)機(jī)器人搬運(yùn)測(cè)量設(shè)備到達(dá)下一測(cè)量站位點(diǎn)附近，通過單目相機(jī)采集人工路標(biāo)進(jìn)行定位與位姿調(diào)整，保證測(cè)量設(shè)備在新的測(cè)量站位點(diǎn)滿足位姿精度要求，測(cè)量設(shè)備在新的測(cè)量站位點(diǎn)繼續(xù)測(cè)量工作，測(cè)量完成后再由移動(dòng)機(jī)器人搬運(yùn)至下一站位，直至完成全部測(cè)量工作。

圖1 自動(dòng)化轉(zhuǎn)站Fig.1 Automated station-transfer

移動(dòng)機(jī)器人在測(cè)量站位點(diǎn)通過人工路標(biāo)進(jìn)行定位與位姿調(diào)整的具體流程如圖2所示。在轉(zhuǎn)站工作開始前，首先將地標(biāo)布置在規(guī)劃好的測(cè)量站位處，并利用標(biāo)定工裝對(duì)人工地標(biāo)在全局坐標(biāo)系下進(jìn)行標(biāo)定，建立人工地標(biāo)的編碼與測(cè)量站位坐標(biāo)的人工地標(biāo)索引庫(kù)。當(dāng)測(cè)量設(shè)備在當(dāng)前站位完成測(cè)量工作后，由移動(dòng)機(jī)器人搬運(yùn)至下一站位，到達(dá)新測(cè)量站位附近后，用搭載的相機(jī)對(duì)人工地標(biāo)進(jìn)行圖像采集并預(yù)處理。對(duì)預(yù)處理后的人工地標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，若識(shí)別成功，對(duì)人工地標(biāo)進(jìn)行編碼及位姿解算，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可知移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前位姿與目標(biāo)位姿的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量，并將結(jié)果作為驅(qū)動(dòng)量控制移動(dòng)機(jī)器人調(diào)整位姿；若識(shí)別未成功，則根據(jù)預(yù)設(shè)信息驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人調(diào)整姿態(tài)后重新采集圖像。調(diào)整完成后，判斷移動(dòng)機(jī)器人位姿與目標(biāo)位姿是否在允許的誤差范圍內(nèi)，若仍不滿足則跳到圖像采集再次進(jìn)行上述工作循環(huán)調(diào)整，若滿足則表明移動(dòng)機(jī)器人成功到達(dá)目標(biāo)位姿點(diǎn)，移動(dòng)機(jī)器人便放下激光跟蹤儀，在新站位開始測(cè)量工作。

1.2 坐標(biāo)系標(biāo)定

移動(dòng)機(jī)器人定位與調(diào)整系統(tǒng)，包括移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系{D}、相機(jī)坐標(biāo)系{C}、人工地標(biāo)坐標(biāo)系{M}和全局坐標(biāo)系{W}，如圖3所示。其中，移動(dòng)機(jī)器人的坐標(biāo)系建立在它的幾何中心，單目相機(jī)安裝在移動(dòng)機(jī)器人上，且為減少圖像畸變影響，需保證單目相機(jī)光軸和地面近似垂直。相機(jī)坐標(biāo)系建立在光軸中心處，其Z軸與光軸中心線方向一致，以相機(jī)到地標(biāo)的方向?yàn)檎较?，其X軸方向則取圖像坐標(biāo)沿水平增加的方向。

人工地標(biāo)布置于地面上，其位姿由激光跟蹤儀測(cè)量站位規(guī)劃時(shí)確定，并經(jīng)過地標(biāo)標(biāo)定工裝標(biāo)定，根據(jù)齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，地標(biāo)坐標(biāo)系{M}與全局坐標(biāo)系{W}的轉(zhuǎn)換關(guān)系WMT為已知。

圖2 移動(dòng)機(jī)器人定位與調(diào)整流程Fig.2 Mobile robot positioning and adjustment workflow

其中，WMR為旋轉(zhuǎn)矩陣，Mt為平移向量，即WMT綜合表示了旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。相機(jī)安裝位置由移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)決定，移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系{D}與相機(jī)坐標(biāo)系{C}的位姿關(guān)系同樣可由旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣進(jìn)行變換，即CDT為已知。

因此，計(jì)算出相機(jī)坐標(biāo)系{C}與人工地標(biāo)坐標(biāo)系{M}的轉(zhuǎn)換關(guān)系WCT，便可由CDT、MCT、WMT通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換確定移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系{D}在全局坐標(biāo)系{W}下的位姿，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人定位：

2 人工地標(biāo)設(shè)計(jì)及其標(biāo)定方法

2.1 人工地標(biāo)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種黑白兩色的圓形人工地標(biāo)，可分為最外層黑白相間的環(huán)形色塊組成的編碼區(qū)和內(nèi)部的5 個(gè)黑色位姿特征點(diǎn)組成的數(shù)據(jù)區(qū)，圖4展示了其中兩個(gè)人工地標(biāo)。

編碼區(qū)是每個(gè)地標(biāo)具有唯一性的標(biāo)識(shí)，為移動(dòng)機(jī)器人提供編碼信息。如圖5（a）所示，編碼區(qū)的黑色和白色色塊分別代表了二進(jìn)制中的0 和1。色塊的數(shù)量根據(jù)地標(biāo)的實(shí)際使用數(shù)量需求確定，本文使用了8個(gè)色塊，代表8位二進(jìn)制數(shù)，因此最多可以代表256 個(gè)不同的地標(biāo)。

數(shù)據(jù)區(qū)為移動(dòng)機(jī)器人提供位姿信息。如圖5（b）所示，數(shù)據(jù)區(qū)的5 個(gè)黑色位姿特征點(diǎn)的排列規(guī)則為：豎直方向的3 個(gè)特征點(diǎn)在地標(biāo)豎直方向的對(duì)稱線上，其中中間的特征點(diǎn)位于地標(biāo)中心；水平方向的兩個(gè)點(diǎn)的圓心分別位于豎直方向?qū)ΨQ線的兩側(cè)，其圓心的連線與豎直方向3 個(gè)特征點(diǎn)圓心連線垂直。

2.2 標(biāo)定工裝設(shè)計(jì)及標(biāo)定方法

為了在激光跟蹤儀自動(dòng)轉(zhuǎn)站前快速準(zhǔn)確地標(biāo)定人工地標(biāo)的位姿，即確定地標(biāo)坐標(biāo)系{M}與全局坐標(biāo)系{W}的變換關(guān)系，根據(jù)三角定位的思想，設(shè)計(jì)了一種等邊三角形的人工地標(biāo)標(biāo)定工裝，如圖6所示。

如圖7所示，在進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，將所要標(biāo)定的人工地標(biāo)放置于標(biāo)定工裝中間，用激光跟蹤儀的靶球放置在標(biāo)定工裝的3 個(gè)安裝位置上，3 個(gè)安裝位置在地標(biāo)坐標(biāo)系{M}下的坐標(biāo)已知，記為PM1，PM2，PM3，PMi=（xmi，ymi，zmi）T（i= 1，2，3），利用激光跟蹤儀測(cè)量3 個(gè)靶球，可以得到3 個(gè)點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，記為PW1，PW2，PW3，由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以得到下式：

變換矩陣的求解方法主要有最小二乘法[10]、SVD分解法[11]和四元數(shù)法[12]，此處利用四元數(shù)法求得人工地標(biāo)在全局坐標(biāo)系下的WMT，完成人工地標(biāo)的標(biāo)定工作。標(biāo)定完成后，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果建立人工地標(biāo)索引庫(kù)，使每個(gè)地標(biāo)的編碼與其在全局坐標(biāo)系下的位姿一一對(duì)應(yīng)，儲(chǔ)存在地標(biāo)索引庫(kù)中，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人獲取到地標(biāo)的編碼值時(shí)，則在索引庫(kù)中搜索匹配即可得到該地標(biāo)的全局坐標(biāo)系下的位姿信息。

圖3 系統(tǒng)坐標(biāo)系標(biāo)定Fig.3 Calibration of system coordinate

圖4 人工地標(biāo)設(shè)計(jì)Fig.4 Design of artificial landmark

圖5 地標(biāo)功能區(qū)域劃分Fig.5 Division of landmark functional area

3 基于人工地標(biāo)的定位與調(diào)整原理

3.1 圖像預(yù)處理

在飛機(jī)構(gòu)件測(cè)量的環(huán)境中，地板通常存在一些干擾雜點(diǎn)，為提高圖像識(shí)別準(zhǔn)確率，需要進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括對(duì)采集的圖像進(jìn)行灰度化處理、均值濾波去噪，對(duì)去噪后的圖像進(jìn)行閾值分割，獲得二值圖像，最后對(duì)二值圖像進(jìn)行開運(yùn)算和閉運(yùn)算，以消除圖像中出現(xiàn)的纖細(xì)點(diǎn)及小型黑洞。

二值化處理的關(guān)鍵是閾值的選擇，為保證二值化圖像效果，采用最大類間方差法來確定閾值[13]。最大類間方差法是一種自適應(yīng)的閾值確定方法，首先將0～255依次設(shè)為閾值，遍歷每一個(gè)像素值，根據(jù)閾值把圖像分為背景物與前景物。記ω1、ω2分別為背景、前景像素點(diǎn)占整幅圖像的比例，μ1、μ2為背景、前景的平均灰度值，類間方差σB通過下式計(jì)算：

其中，

當(dāng)類間方差σB最大時(shí)，前景和背景差異也最大，對(duì)應(yīng)的閾值即為所求，用以圖像分割可以得到區(qū)分最明顯的二值化圖像，

3.2 地標(biāo)特征識(shí)別

圖6 地標(biāo)標(biāo)定工裝Fig.6 Landmark calibration tooling

圖7 人工地標(biāo)標(biāo)定方法Fig.7 Method of artificial landmark calibration

對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，其中檢測(cè)到的邊緣以樹形結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，根據(jù)面積約束、圓度約束、顏色約束和凸度約束，過濾掉多余的輪廓，目的是找到候選位姿特征點(diǎn)的輪廓。

將經(jīng)過約束過濾后剩下的輪廓作為候選位姿特征點(diǎn)的輪廓，利用輪廓的特征矩計(jì)算其質(zhì)心坐標(biāo)，即得到候選位姿特征點(diǎn)的圓心。對(duì)每2 個(gè)不同的候選位姿特征點(diǎn)進(jìn)行排列組合，遍歷每對(duì)組合，計(jì)算每對(duì)組合的組成直線的參數(shù)。去除組合直線的兩點(diǎn)后，找出候選位姿特征點(diǎn)中的剩余點(diǎn)，分別計(jì)算剩余點(diǎn)與直線的距離，若小于設(shè)定的閾值，則判斷為內(nèi)點(diǎn)。用最小二乘法對(duì)兩點(diǎn)與內(nèi)點(diǎn)進(jìn)行直線擬合，找到與直線距離的最小的內(nèi)點(diǎn)，則保存此時(shí)的兩點(diǎn)及內(nèi)點(diǎn)，將此3 個(gè)點(diǎn)作為位姿特征點(diǎn)。找出候選點(diǎn)中剩余兩點(diǎn)，將這兩點(diǎn)用最小二乘法擬合直線，求出兩條直線的交點(diǎn)，記為點(diǎn)B，如圖8所示。

接下來對(duì)先找到的3 個(gè)點(diǎn)重新排序，排除距離最遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)，中間點(diǎn)為點(diǎn)C。判斷剩余兩點(diǎn)與交點(diǎn)B的距離，距離近的記為點(diǎn)A，另一個(gè)記為點(diǎn)D。由于圖像中直線的交比與地標(biāo)設(shè)計(jì)的所定的交比相比保持不變，與相機(jī)位姿無關(guān)，基于這一特點(diǎn)對(duì)人工地標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。

由點(diǎn)A、C、D及交點(diǎn)B的坐標(biāo)，計(jì)算交比R（AC，BC，AD，BD）的值與圖標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)所定的交比值的偏差是否在設(shè)定的范圍內(nèi)。當(dāng)偏差在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，將剩余兩點(diǎn)排序，以點(diǎn)D到點(diǎn)A為正方向時(shí)，左側(cè)的點(diǎn)記為點(diǎn)E，右側(cè)的點(diǎn)記為點(diǎn)F。

3.3 編碼與位姿解算

通過圖像識(shí)別，已知點(diǎn)A、D、E、F的圖像坐標(biāo)，圖標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)該4 點(diǎn)在圖標(biāo)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)也已知，可利用該4 點(diǎn)進(jìn)行透視變換，將圖標(biāo)轉(zhuǎn)正。以點(diǎn)D到點(diǎn)A為正方向時(shí)，順時(shí)針依次按每個(gè)色塊所占的角度依次統(tǒng)計(jì)該色塊區(qū)域內(nèi)的黑色像素和白色像素，將黑色像素的色塊判定為0，將白色像素的色塊判定為1，得到1個(gè)8 位二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，即這個(gè)地標(biāo)代表的編碼值。

圖8 特征點(diǎn)識(shí)別Fig.8 Feature point recognition

相機(jī)的內(nèi)參采用四參數(shù)模型已經(jīng)預(yù)先完成標(biāo)定，4個(gè)位姿特征點(diǎn)A、D、E、F在地標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)已知，它們的圖像坐標(biāo)也已經(jīng)得到，因此求MCT的問題可以轉(zhuǎn)換成共面P4P 線性求解問題[14]。首先由4 個(gè)位姿特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)（ui，vi）計(jì)算出在相機(jī)的焦距歸一化成像平面的成像點(diǎn)P1ci坐標(biāo)：

將位姿特征點(diǎn)在地標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)Pdi代入攝像機(jī)的外參數(shù)模型：

聯(lián)立上面兩式可得：

由4 個(gè)已知位姿控制點(diǎn)，可以得到4 組式（9）所示的方程，即8 個(gè)方程，解方程組即可得到相機(jī)坐標(biāo)系{C}與人工地標(biāo)坐標(biāo)系{M}變換的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量MCT。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 移動(dòng)機(jī)器人調(diào)姿策略

試驗(yàn)采用圖9所示的移動(dòng)機(jī)器人作為試驗(yàn)平臺(tái)，該試驗(yàn)平臺(tái)為兩輪差速控制，主機(jī)基本配置為intel I7–4560U，并采用100 萬(wàn)像素相機(jī)采集圖像，可以滿足大部分的視覺任務(wù)要求。

由于相機(jī)與移動(dòng)機(jī)器人的位置固定，為敘述方便，將移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系與地標(biāo)坐標(biāo)系視作移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系，如圖10所示。為提高精度采用循環(huán)調(diào)整的策略，其中每一次調(diào)整分為3 個(gè)步驟，具體如下：

（1）根據(jù)前文，可計(jì)算出移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系Y軸正方向與地標(biāo)坐標(biāo)系原點(diǎn)的夾角α（α<180°），移動(dòng)機(jī)器人按照夾角的方向旋轉(zhuǎn)α，使其面向地標(biāo)坐標(biāo)系原點(diǎn)。

（2）移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)L，使移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系與地標(biāo)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合。

（3）計(jì)算此時(shí)移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系Y軸正方向與地標(biāo)坐標(biāo)系Y軸正方向的夾角θ（θ<180°），按照夾角的方向旋轉(zhuǎn)θ，本次調(diào)整完成。

4.2 地標(biāo)位姿解算精度試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的人工地標(biāo)位姿解算的精度，分為位置精度和角度精度兩部分試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖11所示。試驗(yàn)時(shí)，首先分別將兩塊地標(biāo)標(biāo)定，將標(biāo)定的位姿值作為實(shí)際位姿值。然后，遮擋一塊地標(biāo)，相機(jī)采集圖像并計(jì)算位姿，再遮擋另一塊地標(biāo)，再次采集圖像并計(jì)算位姿，便可根據(jù)兩次采集得到的結(jié)果計(jì)算兩塊地標(biāo)之間的距離和角度。

圖9 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Experiment platform

圖10 移動(dòng)機(jī)器人調(diào)整策略Fig.10 Mobile robot adjustment strategy

圖11 試驗(yàn)過程示意圖Fig.11 Diagram of experimental process

驗(yàn)證位置精度時(shí)，根據(jù)相機(jī)視場(chǎng)范圍大小，以50mm 為間隔設(shè)置6 組不同距離的兩塊地標(biāo)；驗(yàn)證角度精度時(shí)，根據(jù)機(jī)器人實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角度范圍，以30°為間隔設(shè)置7 組不同角度的地標(biāo)，每組試驗(yàn)測(cè)試50 次并采用結(jié)果的平均值作為兩塊地標(biāo)的距離或角度測(cè)量值。計(jì)算測(cè)量值與實(shí)際值的差值，試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

通過試驗(yàn)得到的位置誤差和角度誤差均較小，其中，當(dāng)測(cè)量距離超過250mm 時(shí)位置誤差明顯增大，這是因?yàn)榫嚯x較遠(yuǎn)時(shí)地標(biāo)不可避免地出現(xiàn)在圖像的邊緣，受圖像畸變影響而導(dǎo)致誤差增加。但本文采用的是循環(huán)調(diào)整的策略使移動(dòng)機(jī)器人不斷調(diào)整逼近目標(biāo)位姿，調(diào)整過程中地標(biāo)越來越趨近于圖像中心，圖像受畸變影響會(huì)隨著調(diào)整過程的繼續(xù)而減少，從而得以保證調(diào)整的精度，因此圖像畸變問題對(duì)位姿調(diào)整影響有限。

4.3 移動(dòng)機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整試驗(yàn)

對(duì)移動(dòng)機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整進(jìn)行試驗(yàn)，目的是為了驗(yàn)證機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整的精度。試驗(yàn)時(shí)，將人工地標(biāo)設(shè)置在地面上，放置移動(dòng)機(jī)器人在任意的不同位置，同時(shí)必須保證人工坐標(biāo)在機(jī)器人搭載的相機(jī)視野范圍內(nèi)，然后進(jìn)行圖像采集、解算以及調(diào)整運(yùn)動(dòng)。由于移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度有限，因此加入一組移動(dòng)機(jī)器人經(jīng)過運(yùn)動(dòng)精度補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)作為對(duì)比。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ前l(fā)出控制指令使移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)一段距離或角度，使用激光跟蹤儀測(cè)量其實(shí)際運(yùn)動(dòng)的距離或角度，經(jīng)過多次試驗(yàn)得到目標(biāo)值和實(shí)際值的近似線性關(guān)系，對(duì)控制指令加上相應(yīng)補(bǔ)償使其實(shí)際運(yùn)動(dòng)的距離或角度達(dá)到目標(biāo)值，以提高移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度。

將移動(dòng)機(jī)器人調(diào)整后相機(jī)位姿與地標(biāo)位姿的接近程度作為移動(dòng)機(jī)器人的調(diào)整精度，包含位置精度和角度精度兩部分。記錄經(jīng)過一次調(diào)整后的調(diào)整精度、經(jīng)過循環(huán)調(diào)整后的調(diào)整精度和補(bǔ)償后移動(dòng)機(jī)器人經(jīng)過循環(huán)調(diào)整后的調(diào)整精度，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，循環(huán)調(diào)整比只進(jìn)行一次調(diào)整的精度更高，表明該策略有助于提高機(jī)器人的調(diào)整精度，同時(shí)，隨著補(bǔ)償后移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度的提高，其調(diào)整精度也比補(bǔ)償前得到了明顯提高。通過多次試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過一次調(diào)整后的調(diào)整精度為12.89mm、9.76°，經(jīng)過循環(huán)調(diào)整后的調(diào)整精度為10.36mm、3.98°，補(bǔ)償后的循環(huán)調(diào)整后的調(diào)整精度為7.58mm、2.39°，補(bǔ)償后經(jīng)過循環(huán)調(diào)整的調(diào)整精度基本滿足調(diào)整精度的要求。

表1 位置誤差Table 1 Position error mm

表2 角度誤差Table 2 Angle error （°）

圖12 調(diào)整后的誤差結(jié)果Fig.12 Error result after adjusting

5 結(jié)論

在飛機(jī)大型構(gòu)件測(cè)量領(lǐng)域，針對(duì)測(cè)量設(shè)備的自動(dòng)化轉(zhuǎn)站存在無法準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)站位點(diǎn)的問題，提出了采用基于人工地標(biāo)的移動(dòng)機(jī)器人定位與調(diào)整技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)站時(shí)的精確定位。

（1）設(shè)計(jì)了一種人工地標(biāo)及其識(shí)別與解算的方法，相應(yīng)設(shè)計(jì)了地標(biāo)標(biāo)定工裝及標(biāo)定方法，可以利用激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地獲得地標(biāo)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。試驗(yàn)表明，通過該人工地標(biāo)計(jì)算的位置誤差和角度誤差均較小，滿足移動(dòng)機(jī)器人調(diào)姿的需要。

（2）設(shè)計(jì)了移動(dòng)機(jī)器人的位姿調(diào)整策略，通過試驗(yàn)表明，調(diào)整后的偏差值的均值為7.58mm，滿足自動(dòng)化轉(zhuǎn)站的精度要求，因此本文提供的基于人工地標(biāo)的移動(dòng)機(jī)器人定位與調(diào)整技術(shù)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

由于調(diào)整的誤差值來源主要包括車體運(yùn)動(dòng)精度、車輪與地面的打滑情況、相機(jī)光軸與地面不垂直、圖像畸變等因素，因此，在今后的研究中優(yōu)化上述因素可以進(jìn)一步提高調(diào)整精度。