位姿标定方法、装置、机器人及计算机可读存储介质

技术领域

本申请属于机器人技术领域，尤其涉及一种位姿标定方法、装置、机器人及计算机可读存储介质。

背景技术

在机器人移动过程中，需要使用深度摄像机准确检测地面、障碍物以及悬崖等来进行避障，因此准确标定深度摄像机的位姿非常重要。现有技术中，通常需要制作专门的标定板(如黑白方格)来进行深度摄像机的位姿标定，标定的准确性和效率较低。

发明内容

本申请实施例提供了一种位姿标定方法、装置、机器人及计算机可读存储介质，可以提高进行深度摄像机标定的准确性和效率。

第一方面，本申请实施例提供了一种位姿标定方法，应用于深度摄像机，所述深度摄像机安装于机器人上，所述位姿标定方法可以包括：

通过所述深度摄像机获取包含目标平面的深度图像，并确定所述深度图像对应的点云数据，所述目标平面为所述机器人所在的平面；

根据所述点云数据和预设的优化方法标定所述深度摄像机的目标位姿，所述目标位姿包括所述深度摄像机的俯仰角、滚动角以及所述深度摄像机在机器人坐标系中的高度。

示例性的，所述根据所述点云数据和预设的优化方法标定所述深度摄像机的目标位姿，可以包括：

获取所述深度摄像机的候选位姿，所述候选位姿包括所述深度摄像机的初始位姿；

根据所述候选位姿、所述点云数据和所述优化方法标定所述深度摄像机的目标位姿。

具体地，所述根据所述候选位姿、所述点云数据和所述优化方法标定所述深度摄像机的目标位姿，可以包括：

将所述点云数据和所述候选位姿代入所述优化方法对应的目标函数进行运算，得到运算结果；

确定满足预设条件的目标运算结果，并将所述目标运算结果对应的候选位姿标定为所述深度摄像机的目标位姿。

可选地，根据下式设置所述优化方法对应的目标函数：

其中，f(Po,Ro,Zs)为所述优化方法对应的目标函数，N为所述点云数据的总数量，(x

具体地，所述确定满足预设条件的目标运算结果，可以包括：将最小的运算结果确定为所述目标运算结果。

可以理解的是，所述机器人坐标系为以所述机器人的中心点在地面上的投影点为原点、以所述机器人的正前方为X轴、以所述机器人的正左方为Y轴，以及以竖直向上的方向为Z轴所建立的坐标系。

第二方面，本申请实施例提供了一种位姿标定装置，应用于深度摄像机，所述深度摄像机安装于机器人上，所述位姿标定装置，可以包括：

点云数据确定模块，用于通过所述深度摄像机获取包含目标平面的深度图像，并确定所述深度图像对应的点云数据，所述目标平面为所述机器人所在的平面；

位姿标定模块，用于根据所述点云数据和预设的优化方法标定所述深度摄像机的目标位姿，所述目标位姿包括所述深度摄像机的俯仰角、滚动角以及所述深度摄像机在机器人坐标系中的高度。

示例性的，所述位姿标定模块，可以包括：

候选位姿获取单元，用于获取所述深度摄像机的候选位姿，所述候选位姿包括所述深度摄像机的初始位姿；

目标位姿标定单元，用于根据所述候选位姿、所述点云数据和所述优化方法标定所述深度摄像机的目标位姿。

具体地，所述目标位姿标定单元，可以包括：

运算分单元，用于将所述点云数据和所述候选位姿代入所述优化方法对应的目标函数进行运算，得到运算结果；

目标位姿标定分单元，用于确定满足预设条件的目标运算结果，并将所述目标运算结果对应的候选位姿标定为所述深度摄像机的目标位姿。

可选地，根据下式设置所述优化方法对应的目标函数：

其中，f(Po,Ro,Zs)为所述优化方法对应的目标函数，N为所述点云数据的总数量，(x

具体地，所述目标位姿标定分单元，还用于将最小的运算结果确定为所述目标运算结果。

可以理解的是，所述机器人坐标系为以所述机器人的中心点在地面上的投影点为原点、以所述机器人的正前方为X轴、以所述机器人的正左方为Y轴，以及以竖直向上的方向为Z轴所建立的坐标系。

第三方面，本申请实施例提供了一种机器人，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面中任一项所述的位姿标定方法。

第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面中任一项所述的位姿标定方法。

第五方面，本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在机器人上运行时，使得机器人执行上述第一方面中任一项所述的位姿标定方法。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本申请实施例中，可以通过机器人上的深度摄像机获取包含目标平面(即机器人所在的平面)的深度图像，并确定深度图像对应的点云数据，以根据点云数据和预设的优化方法标定深度摄像机的目标位姿，即标定深度摄像机的俯仰角、滚动角以及深度摄像机在机器人坐标系中的高度，可以有效提高目标位姿标定的准确性，且实现方式简单、计算量小，可以有效提高目标位姿标定的效率，提升用户体验。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一个应用场景示意图；

图2是本申请实施例提供的位姿标定方法的流程示意图；

图3是本申请实施例提供的位姿标定装置的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的机器人的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

机器人等可移动装置中安装有深度摄像机，在机器人等可移动装置移动过程中，可以使用深度摄像机检测地面、障碍物以及悬崖等来进行避障。而为使得机器人等可移动装置可以准确检测地面、障碍物以及悬崖等，需要事先标定深度摄像机的位姿。由于深度摄像机存在安装误差和测量误差，目前通过专门制作的标定板(如黑白方格)来标定深度摄像机的位姿的方式存在准确性和效率较低的问题。

为解决上述问题，本申请实施例提供了一种位姿标定方法，该方法可以通过机器人上的深度摄像机获取包含目标平面(即机器人所在的平面)的深度图像，并确定深度图像对应的点云数据，以根据点云数据和预设的优化方法标定深度摄像机的目标位姿，即标定深度摄像机的俯仰角、滚动角以及深度摄像机在机器人坐标系中的高度，可以有效提高目标位姿标定的准确性，且实现方式简单、计算量小，可以有效提高目标位姿标定的效率，提升用户体验，具有较强的易用性和实用性。

请参阅图1，图1示出了本申请实施例提供的一个应用场景示意图。如图1所示，深度摄像机100可以安装在机器人101上，且可以安装在机器人101的上侧部分，并可以斜向下方安装，以使得深度摄像机100的视场范围可以为地面102，即使得深度摄像机100的视场范围为图1中的虚线部分所示，从而可以通过深度摄像机100获取包含机器人101所在地面的深度图像来指导机器人101进行避障。

应理解，本申请实施例中可以根据深度摄像机100获取的深度图像来进行深度摄像机100的目标位姿的标定。在目标位姿的标定过程中，需要涉及到相机坐标系和机器人坐标系。其中，机器人坐标系可以为以机器人101的中心点在地面102上的投影点为原点O、以机器人101的正前方为X轴、以机器人101的正左方为Y轴，以及以竖直向上方向为Z轴建立的坐标系。

其中，在机器人坐标系中，深度摄像机100的位置坐标可以表示为(Xs，Ys，Zs)，姿态参数可以表示为(Ro，Po，Yo)。其中，Ro为深度摄像机100的滚动角，即为深度摄像机100绕着X轴的旋转角度，Po为深度摄像机100的俯仰角，即为深度摄像机100绕着Y轴的旋转角度，Yo为深度摄像机100的偏航角，即为深度摄像机100绕着Z轴的旋转角度。

需要说明的是，影响深度摄像机100进行地面检测的主要参数为Zs、Ro和Po，其余参数不影响地面检测。因此，本申请实施例提供的位姿标定方法主要标定深度摄像机100的Zs、Ro和Po，即标定深度摄像机在机器人坐标系中的高度、深度摄像机的滚动角和俯仰角。应理解，在机器人坐标系中的高度可以为机器人坐标系中的Z轴分量或者Z轴坐标。即本申请实施例所述的Z轴分量和Z轴坐标具有相同含义。

请参阅图2，图2示出了本申请实施例提供的一种位姿标定方法的示意性流程图。所述位姿标定方法可以应用于图1所示的应用场景。如图2所示，所述位姿标定方法，可以包括：

S201、通过所述深度摄像机获取包含目标平面的深度图像，并确定所述深度图像对应的点云数据，所述目标平面为所述机器人所在的平面。

本申请实施例中，可以将机器人放置在水平空旷地面。目标平面即为机器人所在的地面。基于此，机器人上的深度摄像机可以获取包含目标平面的深度图像，即可以获取深度摄像机的视场范围内的地面的深度图像，并可以将该深度图像转换成点云数据，以此得到深度图像对应的点云数据。其中，点云数据的数量与深度摄像机的分辨率对应。例如，在深度摄像机的分辨率为640×480时，则可以获取到640×480个点云数据。

S202、根据所述点云数据和预设的优化方法标定所述深度摄像机的目标位姿，所述目标位姿包括所述深度摄像机的俯仰角、滚动角以及所述深度摄像机在机器人坐标系中的高度。

示例性的，所述根据所述点云数据和预设的优化方法标定所述深度摄像机的目标位姿，可以包括：

步骤a、获取所述深度摄像机的候选位姿，所述候选位姿包括所述深度摄像机的初始位姿；

步骤b、根据所述候选位姿、所述点云数据和所述优化方法标定所述深度摄像机的目标位姿。

可以理解的是，机器人检测地面上的障碍物或者悬崖，主要是通过地面上物体的高度来判断，理论上高度大于0是障碍物，高度小于0是悬崖。高度是指物体在机器人坐标系中的高度，即是指深度摄像机拍摄到的深度图像所对应的点云数据变换至机器人坐标系中的Z轴分量。

因此，需要进行相机坐标系到机器人坐标系的变换，以将点云数据变换至机器人坐标系。本申请实施例中，相机坐标系到机器人坐标系的变换需要经过X轴的旋转和Y轴的旋转后，再经过Z轴的平移，即相机坐标系到机器人坐标系的坐标变换矩阵T可以为：T＝L

具体地，

即相机坐标系到机器人坐标系的坐标变换矩阵T为：

因此，相机坐标系的齐次坐标S(x

z

可以理解的是，在机器人坐标系中，当机器人在绝对水平面，且深度摄像机不存在安装误差和测量误差时，各点云数据变换至机器人坐标系中的Z轴坐标均为0。但是由于安装误差和测量误差的存在，点云数据变换至机器人坐标系中的Z轴坐标存在一定范围内的波动。为减少安装误差和测量误差，需要标定深度摄像机的目标位姿，使得在机器人处于水平面时，各点云数据变换至机器人坐标系中的Z轴坐标接近0。因此，本申请实施例中，可以根据上述的Z轴分量与Po、Ro、Zs之间的关系设置优化方法对应的目标函数，以根据目标函数和点云数据来准确标定深度摄像机的目标位姿。具体地，可以将优化方法对应的目标函数设置为：

其中，f(Po,Ro,Zs)为所述优化方法对应的目标函数，N为所述点云数据的总数量，(x

应理解，候选位姿可以包括深度摄像机的初始位姿和深度摄像机所有可能存在的位姿。其中，深度摄像机的初始位姿可以为深度摄像机在机器人上实际安装的位姿。深度摄像机所有可能存在的位姿可以根据实际情况进行确定，本申请实施例对此不作具体限定。

在确定优化方法对应的目标函数后，可以将点云数据和候选位姿代入优化方法对应的目标函数进行运算，得到运算结果，并确定满足预设条件的目标运算结果，然后可以将目标运算结果对应的候选位姿标定为深度摄像机的目标位姿。其中，预设条件可以是运算结果最小，即可以将最小的运算结果确定为目标运算结果，从而可以将具有最小运算结果的候选位姿确定为深度摄像机的目标位姿，以使得所标定的目标位姿可以使得各点云数据变换至机器人坐标系中的Z轴坐标最接近0，减少安装误差和测量误差，提高深度摄像机位姿标定的准确性，从而使得机器人可以有效检测地面来进行避障。

例如，可以将深度摄像机的初始位姿作为第一个候选位姿，并可以将第一个候选位姿和各点云数据(例如640＊480个点云数据)代入优化方法对应的目标函数，计算得到第一个候选位姿对应的运算结果。然后，可以获取第二个候选位姿，并可以将第二个候选位姿和各点云数据代入优化方法对应的目标函数，计算得到第二个候选位姿对应的运算结果，以此类推，直至将最后一个候选位姿和各点云数据代入优化方法对应的目标函数，计算得到最后一个候选位姿对应的运算结果。最后，从这所有的运算结果中找到最小的运算结果，并可以将该最小的运算结果所对应的候选位姿(如第五个候选位姿)标定为深度摄像机的目标位姿。

本申请实施例中，可以通过机器人上的深度摄像机获取包含目标平面(即机器人所在的平面)的深度图像，并确定深度图像对应的点云数据，以根据点云数据和预设的优化方法标定深度摄像机的目标位姿，即标定深度摄像机的俯仰角、滚动角以及深度摄像机在机器人坐标系中的高度，可以有效提高目标位姿标定的准确性，且实现方式简单、计算量小，可以有效提高目标位姿标定的效率，提升用户体验。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

对应于上文实施例所述的位姿标定方法，图3示出了本申请实施例提供的位姿标定装置的结构框图，为了便于说明，仅示出了与本申请实施例相关的部分。

参照图3，所述位姿标定装置，应用于深度摄像机，所述深度摄像机安装于机器人上，所述位姿标定装置，可以包括：

点云数据确定模块301，用于通过所述深度摄像机获取包含目标平面的深度图像，并确定所述深度图像对应的点云数据，所述目标平面为所述机器人所在的平面；

位姿标定模块302，用于根据所述点云数据和预设的优化方法标定所述深度摄像机的目标位姿，所述目标位姿包括所述深度摄像机的俯仰角、滚动角以及所述深度摄像机在机器人坐标系中的高度。

示例性的，所述位姿标定模块302，可以包括：

候选位姿获取单元，用于获取所述深度摄像机的候选位姿，所述候选位姿包括所述深度摄像机的初始位姿；

目标位姿标定单元，用于根据所述候选位姿、所述点云数据和所述优化方法标定所述深度摄像机的目标位姿。

具体地，所述目标位姿标定单元，可以包括：

运算分单元，用于将所述点云数据和所述候选位姿代入所述优化方法对应的目标函数进行运算，得到运算结果；

目标位姿标定分单元，用于确定满足预设条件的目标运算结果，并将所述目标运算结果对应的候选位姿标定为所述深度摄像机的目标位姿。

可选地，根据下式设置所述优化方法对应的目标函数：

其中，f(Po,Ro,Zs)为所述优化方法对应的目标函数，N为所述点云数据的总数量，(x

具体地，所述目标位姿标定分单元，还用于将最小的运算结果确定为所述目标运算结果。

可以理解的是，所述机器人坐标系为以所述机器人的中心点在地面上的投影点为原点、以所述机器人的正前方为X轴、以所述机器人的正左方为Y轴，以及以竖直向上的方向为Z轴所建立的坐标系。

需要说明的是，上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本申请方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

图4为本申请一实施例提供的机器人的结构示意图。如图4所示，该实施例的机器人包括：至少一个处理器40(图4中仅示出一个)、存储器41以及存储在所述存储器41中并可在所述至少一个处理器40上运行的计算机程序42，所述处理器40执行所述计算机程序42时实现上述任意各个位姿标定方法实施例中的步骤。

该机器人可包括，但不仅限于，处理器40、存储器41。本领域技术人员可以理解，图4仅仅是机器人4的举例，并不构成对机器人4的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如还可以包括输入输出设备、网络接入设备等。

所述处理器40可以是中央处理单元(central processing unit，CPU)，该处理器40还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field－programmable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器41在一些实施例中可以是所述机器人4的内部存储单元，例如机器人4的硬盘或内存。所述存储器41在另一些实施例中也可以是所述机器人4的外部存储设备，例如所述机器人4上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，SMC)，安全数字(secure digital，SD)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，所述存储器41还可以既包括所述机器人4的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器41用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(BootLoader)、数据以及其他程序等，例如所述计算机程序的程序代码等。所述存储器41还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。

本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在机器人上运行时，使得机器人执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读存储介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到装置/机器人的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(read－only memory，ROM，)、随机存取存储器(random accessmemory，RAM，)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读存储介质不可以是电载波信号和电信信号。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/机器人和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/机器人实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。