由可观测标记点定位所连接的空间物体的方法

摘要

本发明提出一种由可观测标记点定位所连接的空间物体的方法，根据探针上空间位置相对固定的一组四个标志点的坐标信息建立一个探针坐标系，确定探针尖端在探针坐标系中的坐标，定位时根据当时标志点的空间坐标建立探针坐标系，计算出世界坐标系和探针坐标系的变换关系，就能够通过坐标转换得到探针尖端在世界坐标系中的坐标信息。本发明能够通过可观测标记点的坐标信息得到同标记点相连的空间物体的位置，对探针制造工艺要求不苛刻，有效地控制了误差源，定位精度高。本发明的定位方法可以应用在外科手术领域以及其它工业测量场合。

主权项

1、一种由可观测标记点定位所连接的空间物体的方法，其特征在于依次包括如下具体步骤：1)由一组标志点建立一个探针坐标系：从探针上共线或接近共线的三点标记点中任选出两点，与第四点构成一个三个点的点集，将由这三个点确定的平面定为标准平面，将摄像机摆放在一个其主光轴在标准平面之外的位置，根据灰度特征从图像中提取出四个标记点，并找出这四个标记点在二维图像中各自的对应点，从两幅图像的对应点对中得到四个空间点的三维坐标，将共线或接近共线的三个空间点中距离最大的两个点的连线定为探针坐标系的一条坐标轴，并将这两个点的中点定为坐标系的原点，过坐标原点在标准平面上作一条直线同求出的坐标轴垂直，将这条直线定为探针坐标系的第二条坐标轴，由两条坐标轴叉乘出第三条坐标轴，三条坐标轴交汇于坐标原点，这样就建立了探针坐标系；2)探针的初始标定：将探针尖端作为支点转动探针，获得同一个标记点在多个不同位置的坐标信息，取其中三个空间点构成一个三角形，求出通过三角形外心且垂直于三角形所在平面的直线，采用不同的三点组合，分别求出所有过外心垂直三角形平面的直线，用数值方法找出到这些直线距离平方和最小的点作为探针尖端的坐标信息，根据探针的四个标记点得到的四个坐标进行算术平均，得到探针坐标系中的探针尖端坐标；3)建立摄像机坐标系和探针坐标系之间的转换关系：摄像机坐标系原点到探针坐标系原点在机器人坐标系下的对应位置构成的向量就是平移向量，把得到的探针坐标系中的探针尖端坐标三个向量单位化，根据摄像机坐标系下三个探针坐标系坐标轴的单位向量与摄像机坐标系的三个坐标轴的单位向量构成的对应关系联立线性方程，由求解出的旋转矩阵和平移向量建立摄像机坐标系和探针坐标系的对应关系；4)根据实际定位时探针上的四个标记点建立探针坐标系，根据探针初始标定的数据得到此时探针尖端在探针坐标系下的坐标，再根据建立探针坐标系时探针坐标轴的向量方向确定摄像机和探针坐标系的坐标变换关系，最后由这转换关系得到摄像机坐标系下探针尖端的坐标，完成对空间物体点的定位。