【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及三维空间定位领域，尤其涉及一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统及方法。
技术介绍
1、立面移动机器人与无人机作为先进的自动化工具，能够安全高效地替代人类执行高空、立面等危险或难以企及区域的作业任务。它们在高空环境中进行长时间、不间断的检测与维护，不仅提供了高清晰度的视觉视野，还能精确测量并收集关键数据，为制定后续工作策略与计划提供了强有力的信息支持，极大地增强了作业的安全性与效率。
2、移动机器人或无人机在执行预设程序与任务时展现出高度自动化能力，但在复杂的三维空间作业环境中，如高空立面作业，受重力、摩擦、风阻等自然因素干扰，其实际运动轨迹往往偏离期望轨迹，给精准作业带来挑战。为解决这一问题，三维空间定位技术应运而生，它使移动机器人及无人机能够在复杂多变的环境中实现精确定位与导航。通过实时捕捉并分析机器人在三维空间中的精确位置信息，该技术不仅有效避免了与障碍物的碰撞，还确保了机器人或无人机能够严格遵循预定路径，安全、准确地完成既定任务，从而显著提升作业效率与精确度。
3、尽管卫星定位系统(如gps)能提供三维空间位置信息，但在实际应用中，其信号易受遮挡或反射，导致信号漏收、少收甚至多收反射信号的问题，进而影响到高程信息的准确测量。卫星定位系统的实时性和精确度均会受到显著影响，难以满足高精度作业的需求。
4、另一方面，基于惯性测量单元(imu)的三维定位方法虽然不依赖外部信号，但受限于其相对坐标系的设定以及随时间累积的误差，定位误差会逐渐增大。因此，在长时间使用过程中，imu的
5、为解决上述问题，通常需要结合多种定位技术，如融合卫星定位、惯性导航、视觉识别等多种传感器数据，以实现更加稳定、准确的三维空间定位。这种多传感器融合技术能够相互补偿各自的不足，提高定位系统的整体性能和可靠性。
6、因此如何解决现有定位技术中存在的高程、累计误差及相对坐标系所造成的定位误差较大问题成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统及方法，本专利技术不仅摆脱传统卫星导航的束缚，还规避惯性传感器常见的累积误差问题，从而在各类复杂环境中展现出卓越的稳定性和定位精度。
2、本专利技术是通过以下技术方案予以实现：
3、一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统，包括地面端子系统和移动端子系统，其中；
4、所述地面端子系统包括激光发射器、地面相机以及机械臂，所述机械臂设置在地面，所述激光发射器和地面相机分别与机械臂的末端相连接；
5、所述移动端子系统包括移动设备和远端相机，所述移动设备的外侧面上设有预设靶点，所述远端相机固定在移动设备上，所述远端相机正对拍摄预设靶点的区域，且远端相机与预设靶点的距离固定；
6、所述激光发射器的激光投影点锁定预设靶点区域；所述激光发射器用于测量机械臂末端与移动端子系统上预设靶点之间的距离；
7、所述地面相机实时捕获移动端子系统的图像信息，通过视觉反馈引导机械臂进行精准跟踪，使得激光投影点始终位于移动设备的预设靶点区域内；
8、所述机械臂根据地面相机反馈和激光发射器的距离数据，自动调整姿态以跟随移动端子系统运动，使得激光发射器的激光投影点与移动端子系统上预设靶点相重合。
9、根据上述技术方案，优选地，所述机械臂和移动设备上均设有姿态传感器。
10、根据上述技术方案，优选地，所述远端相机捕捉激光投影点在远端相机坐标系下的位置，结合移动设备上姿态传感器数据和远端相机的坐标信息，获得激光投影点在远端设备自身坐标系下的空间位置，并控制机械臂准确追踪预设靶点。
11、根据上述技术方案，优选地，还包括空间解算子系统，所述解算子系统内嵌空间计算模型，所述空间计算模型融合机械臂关节位置、激光发射器的距离数据、激光投影点在远端设备自身坐标系下的空间位置，以及远端相机坐标系和地面端全局坐标系之间的相对姿态关系，得出远端相机坐标系原点在地面端全局坐标系下的位置。
12、根据上述技术方案，优选地，所述机械臂可实时三维角度调节，所述机械臂包括多关节机械臂或二维云台。
13、根据上述技术方案，优选地，所述移动设备包括无人机或移动机器人。
14、本专利技术还公开了一种基于激光与相机融合的三维空间定位方法，采用上述的基于激光与相机融合的三维空间定位系统，具体包括以下步骤：
15、步骤1、通过人工操控机械臂，将移动端子系统置于地面相机的清晰视野之中，随后将激光发射器的激光束投射至移动端子系统的预设靶点区域，在此期间，地面端子系统实时测量并记录机械臂末端与激光投影点之间的距离d；
16、步骤2、移动端子系统的远端相机捕获激光投影点在远端相机坐标系下的位置信息，并将位置信息发送至地面端子系统，调节控制机械臂；
17、步骤3、地面端子系统根据机械臂各关节位置，结合机械臂末端与激光投影点之间距离d，以及激光投影点在远端相机坐标系下的位置信息，运用mdh模型最终确定并输出移动端子系统上激光投影点在地面端全局坐标系下的位置mdh模型的全称是modified denavit-hartenberg模型；
18、其中i表示第i个关节，表示第i关节到第i+1关节的转换矩阵；
19、步骤4、远端相机与激光投影区域距离固定，在远端相机标定完成后，计算远端相机坐标系下激光投影点的位置其中zc为远端相机到激光投影区域的距离，zc在远端相机与激光投影区域固定后即确定为不变值；其中xc,yc,zc表示远端相机坐标系下激光投影点的三维空间位置。
20、步骤5、在已知远端相机坐标系下激光投影点的位置地面端全局坐标系下激光投影点对应的位置以及远端相机坐标系和地面端全局坐标系之间的相对姿态关系的基础上，求解远端相机坐标系原点在地面端全局坐标系下的位置
21、根据上述技术方案，优选地，步骤5中远端相机坐标系和地面端全局坐标系之间的相对姿态关系可通过移动端子系统和地面端子系统安装的姿态传感器直接计算得出，或利用优化估计算法间接获得。
22、本专利技术的有益效果是：
23、(1)本专利提出了一种高度集成的三维空间定位系统，该定位系统融合激光传感技术与相机视觉技术，通过地面端与移动端的协同工作，实现对移动端设备的空间定位；
24、(2)本专利技术的三维空间定位系统不仅摆脱传统卫星导航的束缚，还规避惯性传感器常见的累积误差问题，从而在各类复杂环境中展现出卓越的稳定性和定位精度；
25、(3)本专利技术的三维空间定位系统可广泛应用于移动机器人、无人机巡检等领域，为保障作业安全、实现精准控制提供了强有力的技术支持；
26、(4)本专利技术的三维空间定位系统具备远近双端检测架构和空间定位能力，也为未来智能化本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统，其特征在于，包括地面端子系统和移动端子系统，其中；
2.根据权利要求1所述的一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统，其特征在于，所述机械臂和移动设备上均设有姿态传感器。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统，其特征在于，所述远端相机捕捉激光投影点在远端相机坐标系下的位置，结合移动设备上姿态传感器数据和远端相机的坐标信息，获得激光投影点在远端设备自身坐标系下的空间位置，并控制机械臂准确追踪预设靶点。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统，其特征在于，还包括空间解算子系统，所述解算子系统内嵌空间计算模型，所述空间计算模型融合机械臂关节位置、激光发射器的距离数据、激光投影点在远端设备自身坐标系下的空间位置，以及远端相机坐标系和地面端全局坐标系之间的相对姿态关系，得出远端相机坐标系原点在地面端全局坐标系下的位置。
5.根据权利要求3所述的一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统，其特征在于，所述机械臂可实时三维角度调节，所述机械臂包括多关
6.根据权利要求3所述的一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统，其特征在于，所述移动设备包括无人机或移动机器人。
7.一种基于激光与相机融合的三维空间定位方法，其特征在于，采用权利要求4-7中任意一项所述的基于激光与相机融合的三维空间定位系统，具体包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种基于激光与相机融合的三维空间定位方法，其特征在于，步骤5中远端相机坐标系和地面端全局坐标系之间的相对姿态关系可通过移动端子系统和地面端子系统安装的姿态传感器直接计算得出，或利用优化估计算法间接获得。
...【技术特征摘要】
1.一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统，其特征在于，包括地面端子系统和移动端子系统，其中；
2.根据权利要求1所述的一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统，其特征在于，所述机械臂和移动设备上均设有姿态传感器。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统，其特征在于，所述远端相机捕捉激光投影点在远端相机坐标系下的位置，结合移动设备上姿态传感器数据和远端相机的坐标信息，获得激光投影点在远端设备自身坐标系下的空间位置，并控制机械臂准确追踪预设靶点。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光与相机融合的三维空间定位系统，其特征在于，还包括空间解算子系统，所述解算子系统内嵌空间计算模型，所述空间计算模型融合机械臂关节位置、激光发射器的距离数据、激光投影点在远端设备自身坐标系下的空间位置，以及远端相机坐标系和地面...
【专利技术属性】
技术研发人员：白明，史延雷，张明路，张超，郭世卿，孙凌宇，
申请(专利权)人：彼合彼方机器人天津有限公司，
类型：发明
国别省市：
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