公开/公告号CN107543497A
专利类型发明专利
公开/公告日2018-01-05
原文格式PDF
申请/专利权人 四川精视科技有限公司;
申请/专利号CN201710179705.8
发明设计人 不公告发明人;
申请日2017-03-23
分类号
代理机构
代理人
地址 621000 四川省绵阳市路南工业园
入库时间 2023-06-19 04:15:03
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-03-11
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G01B11/00 专利号:ZL2017101797058 申请日:20170323 授权公告日:20191001
专利权的终止
2019-10-01
授权
授权
2018-01-30
实质审查的生效 IPC(主分类):G01B11/00 申请日:20170323
实质审查的生效
2018-01-05
公开
公开
技术领域
本发明属于科学试验技术领域,特指一种非重叠视域双目视觉测量站坐标关联方法。
背景技术
在科学试验技术领域,比如碰撞试验过程中,采用多个沿纵深配置、非重叠视域的双目视觉测量站构成视觉系统,用于弹射对象飞行的位置、姿态、位移等参数测量。如图1所示,该视觉测量系统由K个双目视觉测量站构成。双目视觉测量站,包含了2台摄像机用于拍摄弹射弹体表面的人工标记点图像,再通过双目立体视觉测量,获取的弹射对象在当前双目视觉测量站下的三维坐标。为了获得弹射对象整个过程的位置、姿态等信息,需要将K个双目视觉测量站的测量信息关联起来。为此,需要对K个双目视觉测量站进行坐标关联,以建立统一的坐标系。一般而言,对于小尺寸非重叠视域双目视觉测量站坐标关联,可以定制标尺作为真值基准,用于全局坐标关联。但是,对于大纵深(比如100m以上)、非重叠视域双目视觉测量站坐标关联,难以加工长度超过5m的标尺。为此,针对该问题,本发明提出一种容易实现、低成本的虚拟标尺生成方法用于全局坐标关联。
发明内容
本发明的目的是解决大纵深、非重叠视域双目视觉测量站坐标关联问题,公开一种基于虚拟标尺的全局坐标关联方法,其特征是:在双目视觉测量站构成的观测区域内,平移靶标生成虚拟标尺,由虚拟标尺提供基准,用于双目视觉测量站坐标关联,具体步骤如下:
步骤1:在双目视觉测量站构成的观测区域(1)内,定义坐标系O-xyz
在观测区域头部(2)和尾部(3)的横截面中心处设置中心标识(5),两个中心标识(5-1、5-2)的连线作为测量区域中轴线(4),在中轴线(4)上设置光学瞄准装置(24)、并使光学瞄准装置光轴(6)与中轴线(4)重合,光学瞄准装置(24)采用:中心带十字丝定位的光学瞄准镜,比如全站仪,或高倍变焦数字摄像机,或激光准直仪等;以观测区域头部处中心标识(5-1)为原点O,以中轴线为x轴,按右手准则定义坐标系O-xyz,其中x轴朝向观测区域尾部,y轴朝上,z轴朝内;
步骤2:沿中轴线(4)平移靶标(11)生成虚拟标尺(10)
采用的靶标(11)形状包括:阶梯状靶标(14)、L形靶标(16)、立方块靶标(17);在靶标的侧面a上设置m*n个人工标记点(12)构成人工标记点阵列(13),m、n的取值范围为1~100,人工标记点图案形式可采用棋盘格角点、圆形、十字丝图案;其中,阶梯状靶标(14)的侧面a为阶梯状,以产生不共面的人工标记点阵列,通过拍照1幅人工标记点阵列图像可对单站双目视觉测量系统进行标定;在靶标(11)的侧面b中心位置处设置人工标记点(15),该人工标记点的图案形式根据所采用的光学瞄准装置确定;当采用中心带十字丝定位的光学瞄准镜时,可采用十字丝图案;当采用高倍变焦数字摄像机、激光准直仪时,可采用十字丝或圆形图案;
把靶标(11)固定在五轴调节台(20)上,五轴调节台(20)可实现俯仰角、滚转角、偏航角3个角度调节和y轴、z轴2个方向平移调节;把五轴调节台(20)固定在一维平移台(19)上;一维平移台(19)放置在导轨(18)上作平移运动;
在靶标(11)上安置姿态角测量装置(21),用于测量靶标(11)的三个姿态角:俯仰、滚转、偏航,其中俯仰、滚转角可采用倾角仪测量,偏航角可采用陀螺仪或惯导角度测量装置实现,或采用成熟惯导系统测量靶标三个姿态角;在靶标(11)上安置激光测距仪(22),在测量区域头部(2)、测量区域尾部(3)设置反射镜(23),用于测量靶标平移距离;
以观测区域头部(2)作为起始位置,通过五轴调节台(20)调整靶标的三个姿态角,使靶标侧面a朝向双目视觉测量站、并位于第1个双目视觉测量站观测视野内,使侧面b朝向光学瞄准装置,使光学瞄准装置光轴(6)与侧面b垂直,使光学瞄准装置光轴穿过侧面b中心人工标记点(15)的中心,此位置为靶标初始位置;通过靶标姿态测量装置测量靶标初始姿态角α1,β1,γ1;通过激光测距仪测量靶标距离测量区域头部反射镜的距离d1;通过激光跟踪仪或全站仪测量人工标记点阵列(13)在坐标系O-xyz下的三维坐标:
平移一维移动台(19)带动靶标(11)进入第i个双目视觉测量站观测视野内,i是双目视觉测量站编号,取值范围为1~30;然后,通过五轴调节平台(20)调整靶标三个姿态角,并通过姿态角测量装置(21)测量靶标当前姿态角αi,βi,γi,当靶标当前姿态角与初始位置姿态角相同时,即αi=α1;βi=β1;γi=γ1,完成靶标姿态角调节;接着,在y轴、z轴方向上调节靶标在侧面b平面内位置,使侧面b中心与中轴线重合,以保证靶标沿着中轴线作平移运动;激光测距仪(22)测量靶标距离测量区域头部反射镜距离di,得到靶标平移距离li=di-d1;启动第i个双目视觉测量站,测量靶标侧面a上的人工标记点阵列(13)在第i个双目视觉测量站坐标系下三维坐标:
使靶标逐次经过K个双目视觉测量站,得到K个靶标平移距离L=[l1,...,lK],人工标记点阵列在K个双目视觉测量站坐标系下坐标:Q=[q1,...,qK],K的取值范围为1~1000;
步骤3:将双目视觉测量站下的人工标记点阵列坐标转换到虚拟标尺坐标系,实现全局坐标关联,具体方法如下:
步骤3.1根据平移距离L=[l1,...,lK],生成虚拟标尺中人工标记点阵列在O-xyz坐标系下坐标:G=[g1,...,gK],靶标在O-xyz坐标系下的y、z轴坐标不变:
步骤3.2根据靶标位于第i个靶标出现位置(7)处,在O-xyz坐标系下的坐标
步骤3.3:对K个双目视觉测量站中人工标记点阵列坐标进行处理,得到的K个转换矩阵P={p1,...,pK},以此实现全局坐标关联:即第i个双目视觉测量站测量结果qi转为O-xyz坐标系下坐标为:gi=piqi,进而用于模型表面人工标记点在O-xyz坐标系下三维坐标测量,以及用于计算被测对象的位置、姿态、位移等参数。
本发明有益效果:
提供了一种低成本、易于实现、高精度全局坐标关联方法。对于弹射试验而言,最关心的是:飞行姿态角,即俯仰、滚转、偏航三个角度,以及模型在O-yz平面内的位移,而对于大纵深(超过100m)飞行轨迹测量绝对精度要求不高。因此,所生成的虚拟标尺一定要保证各个双目视觉测量站关联以后,具有很高精度的姿态角、O-yz平面内测量精度。在本发明中,采用角度传感器直接测量靶标姿态角,角度传感器静态测量精度可达0.001度,因此全局坐标关联后,提供的参考基准姿态角精度为0.001度;另外,O-yz平面内位移,通过光学瞄准装置进行测量,测量精度可达0.1mm。因此本发明提供的全局坐标关联方法,相比制造大尺寸标尺用于全局坐标关联,成本更低、更易于实现,并且能够满足全局坐标关联精度和测量精度要求。
附图说明
图1非重叠视域双目视觉测量系统示意图;
图2平移靶标生成虚拟标尺原理图;
图3靶标示意图;
图4阶梯状靶标结构图;
图5 L形靶标结构图;
图6立方体靶标结构图;
图7生成虚拟标尺设备配置图;
图中,1、观测区域,2、观测区域头部,3、观测区域尾部,4、中轴线,5、中心标识,其中5-1位于观测区域头部、5-2位于观测区域尾部,6、光学瞄准装置光轴,7、靶标出现位置,8、靶标平移方向,9、双目视觉测量站,10、虚拟标尺,11、靶标,12、人工标记点,13、人工标记点阵列,14、阶梯状靶标,15、靶标侧面b中心处人工标记点,16、L形靶标,17、立方块靶标,18、导轨,19、一维平移台,20、五轴调节台,21、姿态角测量装置,22、激光测距仪,23、反射镜,24、光学瞄准装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示,在观测区域头部(2)和观测区域尾部(3)的横截面中心处设置十字丝形状的中心标识(5),两个中心标识(5-1、5-2)的连线作为中轴线(4)。选用全站仪作为光学瞄准装置。在测量区域头部,中轴线上设置反射镜,选用激光测距仪用于靶标平移距离测量。
靶标(11)形状采用阶梯状靶标(14),外形尺寸为600*600*1200mm,靶标表面涂成亚光黑色涂料,在靶标侧面a上设置10*30个均匀分布的白色圆形人工标记点(12)构成人工标记点阵列(13),人工标记点阵列中人工标记点间距离由三坐标测量机测量,测量精度为0.01mm。在靶标侧面b中心位置处,设置十字丝人工标记点。当采用全站仪的目镜时,用于对准侧面b中心位置处十字丝人工标记点。
如图7所示,把靶标(11)固定在五轴调节台(20)上,五轴调节台(20)具备俯仰角、滚转角、偏航角3个角度调节和2个方向平移调节;角度调节精度:0.001度,位移调节精度:0.01mm。五轴调节台(20)固定在一维平移台(19)上,一维平移台(19)放置在导轨(18)上,可推动一维平移台沿着测量区域轴线作平移运动。选用倾角仪用于测量靶标俯仰、滚转角,测量精度0.001度,选用激光陀螺仪用于测量靶标偏航角,测量精度0.001度,共同组成姿态角测量装置(21)。在靶标(11)上安置激光测距仪(22),在测量区域头部(2)、测量区域尾部(3)设置反射镜(23),用于测量靶标平移距离。
具体操作步骤如下:
步骤1:
使全站仪目镜中的十字丝与中心标识(5-1、5-2)重合,此时,全站仪目镜光轴与中轴线(4)重合,用于确定中轴线(4)。固定全站仪目镜姿态使其无法发生转动和位移。以测量区域头部处中心标识为原点O,以中轴线为x轴,按右手准则定义坐标系O-xyz,其中x轴朝向测量区域尾部,y轴朝上,z轴朝内。
步骤2:
如图2所示,以测量区域头部(2)作为起始位置,通过五轴调节台(20)调整靶标三个姿态角,使靶标侧面a朝向双目视觉测量站、并位于第1个双目视觉测量站观测视野内,使侧面b朝向全站仪目镜、侧面b中心人工标记点(15)的中心位于全站仪目镜中心,且侧面b与全站仪目镜光轴垂直。通过靶标姿态测量装置测量靶标初始姿态角:α1,β1,γ1;通过激光测距仪测量靶标距离测量区域头部反射镜的距离d1;通过激光跟踪仪或全站仪等设备,测量初始位置处,人工标记点阵列(13)在坐标系O-xyz下的三维坐标:
如图2所示,平移一维移动台(19)带动靶标(11)进入第i个双目视觉测量站观测视野内,i是双目视觉测量站编号,取值范围为1~30;然后,通过五轴调节平台(20)调整靶标的三个姿态角αi,βi,γi,使靶标当前姿态与初始位置姿态相同,即αi=α1;βi=β1;γi=γ1;接着,在y、z轴方向上调节靶标在侧面b平面内位置,使侧面b中心与全站仪目镜中心重合,以保证靶标沿着中轴线作平移运动;测量靶标距离测量区域头部反射镜距离di,得到靶标平移距离li=di-d1;启动第i个双目视觉测量站,测量靶标侧面a上的人工标记点阵列(13)在第i个双目视觉测量站坐标系下三维坐标:
使靶标逐次经过30个双目视觉测量站,得到30个靶标平移距离L=[l1,...,l30],人工标记点阵列在30个双目视觉测量站坐标系下坐标:Q=[q1,...,q30]
步骤3:将双目视觉测量站测量的人工标记点阵列坐标转换到虚拟标尺坐标系,实现全局坐标关联,具体方法如下:
步骤3.1根据平移距离L=[l1,...,l30],生成虚拟标尺中人工标记点阵列在O-xyz坐标系下坐标:G=[g1,...,g30],靶标在O-xyz坐标系下的y、z轴坐标不变:
步骤3.2根据靶标位于第i个靶标出现位置(7)处,在O-xyz坐标系下的坐标和第i个双目视觉测量站下坐标qi,通过最小二乘法计算出第i个双目视觉测量站坐标系转换到O-xyz坐标系的转换矩阵pi,使gi=piqi;
步骤3.3:对30个双目视觉测量站中人工标记点阵列坐标进行处理,得到的30个转换矩阵P={p1,...,p30},以此实现全局坐标关联:即第i个双目视觉测量站测量结果qi转为O-xyz坐标系下坐标为:gi=piqi,进而用于模型表面人工标记点在O-xyz坐标系下三维坐标测量,以及用于计算模型飞行过程中姿态与位移等参数。
实施例2
与实施例1不同之处,靶标侧面a采用棋盘格图案,图案中的角点用于坐标关联计算。
实施例3
与实施例1不同之处,靶标采用图5所示L形块。
实施例4
与实施例1不同之处,靶标采用图6所示立方块。
实施例5
与实施例1不同之处,侧面b中的人工标识设置为圆形人工标记点,用高倍变焦摄像机代替全站仪,用于靶标侧面b中人工标识对准。
实施例6
与实施例1不同之处,使用两个激光测距仪同时测量与测量区域头部反射镜和测量区域尾部反射镜的距离D1、D2,前15站利用D1计算平移位移,后15站利用D2计算平移位移。
机译: 一种用于测量双目视觉的方法,一种用于测量双目视觉的程序,一种设计眼镜镜片的方法以及一种用于制备眼镜镜片的方法
机译: 可编程控制器的交换号重叠站检测,交换号重叠站线重复方法,交换号重叠站号测量方法和交换号重叠站线取消方法
机译: 一种确定和校正非直角坐标和/或非刚性结构的坐标测量设备的与机器相关的测量误差的方法