基于通用云台计算机可控制经纬度测量设备及其精密化方法

摘要

本发明公开了一种基于通用云台计算机可控制经纬度测量设备及其精密化方法。该设备由计算机、激光指示器等组成。双自由度云台上安装有多个激光指示器，各个激光指示器的激光束等效直线过云台旋转轴轴心，并且在同一平面，相邻激光指示器激光束之间的纬度方向上角度均匀分布，双自由度云台安装在可调的水平台上。三维空间经纬度的精密化测量方法主要由初标定和精密标定组成，它克服了硬件系统误差，提高了测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及大规模多通道投影显示系统中的经纬度测量设备和软件算法，特别是涉及利用多投影仪建立视觉无缝大视场高分辨率显示系统由计算机控制的三维空间经纬度测量设备及其精密化测量方法。

背景技术

随着商业、娱乐和科学研究等领域对超大屏幕高分辨率显示的需求不断上升。利用多投影仪建立视觉无缝超大视场高分辨率显示系统是当前最为可行的技术方案。为了真实再现三维视场环境，在大型虚拟现实显示系统环境中通常运用投影仪在360度柱面显示墙或封闭穹顶的成像环境进行投影成像。这种显示系统能让人产生沉侵式真实感觉，成为虚拟现实成像环境技术的研究热点。

多通道曲面投影显示系统中，为了达到投影单元显示系统之间的图象无缝拼接，通常的方法是，以球坐标系作为全局坐标系，测出投影屏幕上网格点的经纬度，并反演到计算机帧缓存图象中对应图象坐标空间的象素网格。根据屏幕的经纬度网格，将经纬度范围内的三维视景渲染到纹理，将纹理贴图到图象网格就可以精确地完成几何校正。显示内容为二维图象时，对图象按照经纬度网格进行划分，将划分的图象当作纹理贴图到网格同样可以完成多通道投影单元系统之间达到几何上的无缝拼接。在精确几何校正基础上，多通道投影单元系统之间颜色上容易达到无缝拼接。

因此在多通道光滑曲面显示墙投影视景显示系统中，精确测量出任意屏幕点经纬度，是各个单元显示系统之间图象无缝拼接的基础。针对工程中的物体的经纬度测量要求，市面上有相关的单点经纬仪设备。对于常见的经纬仪，在测量过程中，每测一个点，工程人员必须人工转动经纬仪将激光点对准测量的物体点，然后人工读出测量数据。对于测量少量的数据，使用这种经纬仪可以很好的工作。对于大规模测量，工程人员的工作量非常巨大，并且只是简单的重复性工作。能用计算机自动控制转动和读数的经纬仪市面上较少见，并且非常昂贵。

针对多通道投影视景中的几何校正中需要测试大量的空间屏幕点的经纬度数据要求，我们设计了基于通用二自由度云台的三维空间经纬度测量设备，由于通用云台存在旋转过程中轴心不稳等误差现象，同时我们提出了三维空间经纬度测量精密化算法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于通用云台计算机可控制经纬度测量设备，以基于通用双自由度云台对三维空间经纬度进行测量。

本发明的目的是这样实现的：一种基于通用云台计算机可控制经纬度测量设备，包括双自由度云台、激光指示器、计算机，双自由度云台上安装有多个激光指示器，各个激光指示器的激光束等效直线过云台旋转轴轴心，并且在同一平面，相邻激光指示器激光束之间的纬度方向上角度均匀分布，双自由度云台安装在可调的水平台上。

本发明的另一目的是提供一种上述三维空间测定设备的精密化测量方法，旨在校正系统误差、提高测量精度。

本发明的另一目的是这样实现的：一种基于通用云台计算机可控制经纬度测量设备的精密化测量方法，具体步骤如下：

1)、初标定

当把三维扫描系统放置在系统中央后，初标定主要是粗标定出相邻两激光头产生的两激光束之间的角度；标定的方法为，将其中一个激光点在空间的初始位置和云台的当前状态值记录下来。旋转云台，将标定的另外一个激光头产生的激光点与上一激光点位置重合时，云台在过程中在经度和纬度方向移动角度为相邻两激光头之间的标定角度；在初标定时，相邻激光头之间的角度暂以云台的旋转步数作为记录；

激光头L0和激光头L1之间的标定过程如下：

假定云台当前位置时的经度方向上的step值为x1，纬度方向上的step值为y1；当前激光头L1产生的激光点在测量空间中A点，激光头L0产生的激光点在空间位置B；向云台发送旋转指令转动云台使激光头L0产生的激光点与测量空间中A点重合，重合时的云台当前位置时的经度方向上的step值为x0，纬度方向上的step值为y0；激光头L0到激光头L1的标定值，经度方向上的标定step值记录为x01，纬度方向上的标定step值记录为y01；

x01＝x1-x0    y01＝y1-y0

同理我们可以得到：

x12＝x2-x1    y12＝y2-y1

x23＝x3-x2    y23＝y3-y2

x34＝x4-x3    y34＝y4-y3

从而得到云台先后多次不同时间在穹顶系统中初校正时相邻激光束之间的step值都不一样，即相邻激光头之间的角度相差值都不一样；

2)、精密标定

当向三维扫描系统发出角度指令时，三维扫描系统能准确地在测量空间上用激光指示点标注；根据三维扫描系统特点和测量物体表面特征，抽样出典型的测量角度点进行标定出云台。这些典型的角度点至少应包括测量过程中转换激光头时角度点和测量空间范围的最大最小角度；在转换激光头的角度上如果相差得足够小，又能保证激光头能进行切换，那么在空间中两角度对应不同两激光指示器在三维空间中应该几乎投射到同一位置，如果没有在同一空间位置，应调整云台旋转步数；

测量空间的标定角度应包括三维扫描系统的边界值和激光头转换处的角度值，同时根据测量物体表面的特点确定其它标定角度点；为了数据处理上的方便，标定角度数据可组织为一矩阵；

假定在经度方向取定角度向量为Xa，纬度方向取定角度向量为Ya。空间角度矩阵为Sm；即有：Sm(i，j)＝(Xa(i)，Ya(j))，其中，Sm第i行，j列元素记为Sm(i，j)

根据上述空间标定角度，记录两个方向上的标定角度的旋转步数，在转换激光头的角度处的相邻角度处，两激光头应投射到三维空间同一点，记录上述角度对应的云台旋转步数生成旋转步数矩阵Tm；

3)、三维测量系统的任意角度参数

任意角度的旋转步数，可由Sm，Tm双线性插值得到。

本发明利用非定制的二自由度云台和激光指示器提供计算机可以控制的三维空间经纬度测量系统，当计算机发出要求系统测量的经纬度指令时，云台将激光点精确投射到指定的经纬度空间位置。该测量系统包括硬件设备和软件系统。发明内容包括基于通用二自由度云台的三维空间经纬度测量设备，三维空间经纬度测量设备精密化算法。

(1)基于通用二自由度云台的三维空间经纬度测量设备：

云台是最普遍的用来搭载物体进行旋转的设备。通常云台用来搭载摄像头或相机进行视频监控或视频会议。云台的旋转与否主要是通过控制云台步进电机的通断电来完成。因此通过控制云台旋转过程的通断电时间，可以控制云台的旋转角度。部分精密性较高的云台提供云台控制每次旋转的步数，每步对应一定角度。

为了能对整个三维空间进行扫描，我们选用具有二自由度的云台作为搭载激光指示器的旋转设备。由于工程设计上的限制，二自由度的云台很难做到全角度的旋转范围，即在水平扫描角度范围小于360度，垂直方向小于180度。例如，中国华杰友科技生产的双自由度云台HJY-YT205L的角度旋转标称范围，俯仰角度：-36度～36度，水平方向旋转角度：-157度～157度。HJY-YT205L的角度分辨率：0.0129度。

为了拓展云台的扫描范围，我设计了多头激光指示器在这个设备上共装载了5个激光头分别为L0，L1，L2，L3，L4。

为了描述上的方便，下面对专利书上出现的几个名词进行了定义。

定义1——激光束：激光头发出的激光光束，由光在同种介质中的直线传播原理，理论计算上可以等效成为一条直线。

为了后期在图象校正计算上的方便，我们总是以三维空间中球坐标意义上进行角度计算，并且假定云台旋转轴的轴心为球坐标的球心。

定义2——测量空间中任意点的角度：测量空间中任意点角度定义为三维空间中球坐标系下的经度和纬度。在三维空间中建立直角坐标系OXYZ，直角坐标系的原点为二自由度云台旋转轴的轴心，也为球坐标系下的圆心。三维空间中的点经度为该点与旋转轴的轴心的连线与水平面ZX之间的夹角。三维空间中的点纬度为该点与旋转轴的轴心的连线与平面XY之间的夹角。

定义3——测量空间中任意两点间的角度：测量空间中任意两点间的角度包括经度和纬度，两点间的经度定义为其中一点的经度与另外一点经度之差；两点间的纬度定义为其中一点的纬度与另外一点纬度之差。

定义4——两激光束之间角度：激光指示器两激光束之间角度定义为两激光束等效直线与空间中被测物体的两个交点之间的角度。

定义4中只考虑在测量时，激光指示器激光束等效直线每次与测量物体的交点只有一个。

命题1：当激光指示器两激光光束等效直线任意一条不过云台旋转轴轴心时，两激光束之间的角度在测量空间中不唯一。

命题2：由命题1可知，激光指示器两激光束等效直线过旋转轴轴心时，在测量空间中两激光束之间的角度与被测物体和旋转轴轴心之间的相对位置无关。

命题1的正确性可以用表1中的实际测量数据可以说明。命题2的正确性是显然的。

由命题1，2我们可以看出，尽管激光指示器的物理结构上任意两激光束之间的关系是固定不变，但让系统中的每个激光指示器激光束都经过旋转轴的轴心是个很强的条件。只要有任意一条激光束等效直线不经过轴心，对扫描系统的5激光束之间的标定就不能一次标定完成。理论上，在测量空间中的任意点处可能这样的激光束之间的角度都不相同。

通过多安装激光头可以拓展整个三维扫描系统的扫描范围。精确标定出相邻激光头之间激光束角度是使用整个三维精确测量三维空间经纬度的基础。以下几个原因导致激光束等效直线都通过云台旋转轴的轴心是件困难的事情。

由于工程上的机械加工限制很难保证激光指示器各个激光束的等效直线交于一点；

多头激光指示器安装在云台上时很难保证各个激光头产生的激光束交点在旋转轴轴心；

由于云台的机械加工限制，云台的轴心很难完全保证在旋转过程中稳定不变。

云台的设计上并不能保证测量精度，在实际使用过程中我们发现，一些二自由度云台具有偏心现象，也就是在旋转过程中，旋转轴的轴心并不是固定不变，会发生微小的偏移。轴心的微小偏移，在角度上造成误差，空间中距离轴心越远的测量位置，空间测量误差越大。在实验现象表现出，纬度不变的情况下，测量物体为环幕时，激光束在环幕上的扫描路径出现螺旋上升或螺旋下降现象。

由命题1，2和上述三个造成激光束不过云台旋转轴轴心原因，由于很难让系统的激光束在旋转过程中都通过轴心，并且轴心本身不稳定。因此在系统的扫描过程，很难用一个简单的数学公式表达这种关系。这必将造成各个激光头光束之间的二维夹角标定与云台的旋转轴心的位置有关。

因此基于云台的三维空间经纬度测量系统，要做到完全精密化必须从软件算法上进行弥补。

(2)基于云台的三维空间经纬度测量系统精密化方法：

基于云台的三维空间经纬度测量系统精密化方法包括测量系统标定和任意测量空间角度测量系统旋转参数计算两个方面。

为了在测量的方便，本发明人将云台，激光指示器，水平调整台整体上看着为一个三维扫描系统，理论上角度扫描范围为纬度：0度～360度，经度：-90度～+90度。当测量空间中的角度(0，0)确定以后，扫描范围以内的任意一个角度，只要计算机向扫描系统发指令，三维扫描系统都能准确的扫描到空间指定位置。在实际的基于投影仪的虚拟现实穹顶系统中，在1米高的观察台上，从1.75米高的人视点看出去纬度范围：0度～360度，经度范围：-20度～+90度。

扫描系统的标定分为初标定和精密标定两步。初级标定的目的是为了在精密标定过程中减少云台移动范围，缩小精密标定时间。由于云台步进电机和旋转偏离轴心等会造成测量误差，精密标定是为了弥补这些误差，以便在后期测量系统能根据计算机指令对三维空间进行精确测量。

这里的标定，以中国华杰友科技生产的双自由度云台HJY-YT205L作为实验云台进行具体的实验设备。云台HJY-YT205L提供了计算机控制接口，HJY-YT205L的角度分辨率：0.0129度。计算机向云台发送的旋转指令包括，云台旋转的自由度，云台旋转的步数(即step值)。由于知道每一步的角度分辨率，间接的也可以知道，云台当前自由度上旋转的角度。在计算机的控制状态下，可以读出当前云台在两个不同自由度的当前step值。

本发明的有益效果是：提出了基于云台的三维空间经纬度测量系统，并将测定方法完全精密化，克服了硬件系统误差，提高了测量精度。

附图说明

图1是激光指示系统结构示意图(以HJY-YT205L云台为经纬度测量设备旋转构件时，激光指示系统上设计了5个激光指示器)；

图2是空间任意点A角度计算示意图；

图3是经纬度测量设备屏幕测量过程照片(背景的小圆点为实际测量经纬度分布均匀的空间经纬度点阵)。

具体实施方式

利用非定制的二自由度云台和激光指示器提供计算机全自动控制的三维空间经纬度测量系统。在具体实施方式上，本发明专利以双自由度云台HJY-YT205L为例详述专利中硬件系统和软件算法的实施方式。对于选用其它云台应根据具体参数激光指示系统的指示器个数做相应调整即可。

(1)三维空间经纬度测量系统物理设备。激光指示系统的设计和位置安装应保证各个激光指示器的激光束等效直线过云台旋转轴轴心，并且在同一平面，相邻激光指示器激光束之间的纬度方向上角度均匀分布，云台安装在可调的水平台上。对于双自由度云台HJY-YT205L，激光指示系统的指示器可选为5个，相邻激光指示器激光束之间的纬度方向上角度为45度。

(2)三维空间经纬度测量系统精密化算法

1、初标定

当把三维扫描系统放置在系统中央后，初标定主要是粗标定出相邻两激光头产生的两激光束之间的角度。标定的方法为，将其中一个激光点在空间的初始位置和云台的当前状态值记录下来。旋转云台，将标定的另外一个激光头产生的激光点与上一激光点位置重合时，云台在过程中在经度和纬度方向移动角度为相邻两激光头之间的标定角度。对于云台HJY-YT205L在底层操作为旋转步数，因此在初标定时，相邻激光头之间的角度暂以云台的旋转步数作为记录。

下面以激光头L0和激光头L1之间的标定为例进行详细说明。

假定云台当前位置时的经度方向上的step值为x1，纬度方向上的step值为y1。当前激光头L1产生的激光点在测量空间中A点，激光头L0产生的激光点在空间位置B。向云台发送旋转指令转动云台使激光头L0产生的激光点与测量空间中A点重合，重合时的云台当前位置时的经度方向上的step值为x0，纬度方向上的step值为y0。激光头L0到激光头L1的标定值，经度方向上的标定step值记录为x01，纬度方向上的标定step值记录为y01。

x01＝x1-x    0y01＝y1-y0

同理我们可以得到：

x12＝x2-x1    y12＝y2-y1

x23＝x3-x2    y23＝y3-y2

x34＝x4-x3    y34＝y4-y3

表1.云台先后8次不同时间在穹顶系统中初校正时相邻激光束之间的step

表1中，No.列表示第No.次实验；x0为云台确定出扫描系统0度位置时经度方向上的云台初始step值，y0为云台确定出0度位置时纬度方向上的云台初始step值；x01为激光头L0到L1产生的激光束经度方向上的云台相差步数，y01为激光头L0到L1产生的激光束纬度方向上的云台相差步数。其它符号代表同样含义。

由表1我们可以看出，在先后8次标定过程中，相邻激光头之间的角度相差值都不一样。这可能是由于激光指示器的安装位置和三维扫描系统每次在三维测量空间中的位置上有细微的差别。从实验上进一步证明了命题1的正确性。

2、精密标定

精密标定的目的是准确标定出三维扫描系统，当向三维扫描系统发出角度指令时，三维扫描系统能准确地在测量空间上用激光指示点标注。由于不可能测定出测量空间中每一点的角度，只能根据三维扫描系统特点和测量物体表面特征，抽样出典型的测量角度点进行标定出云台。这些典型的角度点至少应包括测量过程中转换激光头时角度点和测量空间范围的最大最小角度。在转换激光头的角度上如果相差得足够小，又能保证激光头能进行切换，那么在空间中两角度对应不同两激光指示器在三维空间中应该几乎投射到同一位置，如果没有在同一空间位置，应调整云台旋转步数。

测量空间的标定角度应包括三维扫描系统的边界值和激光头转换处的角度值，同时根据测量物体表面的特点确定其它标定角度点。一般说来，测量物体表面越平滑，变化规律性越强，标定的角度越小。为了数据处理上的方便，标定角度数据可组织为一矩阵。

假定在经度方向取定角度向量为Xa，纬度方向取定角度向量为Ya。空间角度矩阵为Sm。

以下数据三维扫描系统的实验数据

Xa＝(0，36，72，108，144，180，180.001，211，252，288，324，360)

Ya＝(-18.5，-7.65，3.2，14.05，23.8263，23.8273，31.476，31.477，

38，46.6，57.45，65.3127，65.3137，71，77.142，77.143，81，86，90)

Sm第i行，j列元素记为Sm(i，j)则

Sm(i，j)＝(Xa(i)，Ya(j))

$\mathrm{Sm}=\left(\begin{array}{ccc}(0,-18.5)(36,-18.5)(72,-18.5)& ...& (324,-18.5)(360,-18.5)\\ ....& ...& ...\\ \left(\mathrm{0,90}\right)\left(\mathrm{36,90}\right)\left(\mathrm{72,90}\right)& ...& \left(\mathrm{324,90}\right)\left(\mathrm{360,90}\right)\end{array}\right)$

根据上述空间标定角度，记录两个方向上的标定角度的旋转步数。在转换激光头的角度处的相邻角度处，两激光头应投射到三维空间同一点。记录上述角度对应的云台旋转步数生成旋转步数矩阵Tm。

3.三维测量系统的任意角度参数

任意角度的旋转步数，可由Sm，Tm双线性插值得到。