CN103063201A

CN103063201A - 一种三维位姿探测装置及其测量方法

Info

Publication number: CN103063201A
Application number: CN2012105545250A
Authority: CN
Inventors: 张力平; 孙安; 薛培培; 刘克
Original assignee: JIANGSU DEZUO ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd; JIANGSU ANDERSON SUPERCONDUCTING ACCELERATOR TECHNOLOGY Inc; Nanjing University; Changan University
Current assignee: JIANGSU DEZUO ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd; JIANGSU ANDERSON SUPERCONDUCTING ACCELERATOR TECHNOLOGY Inc; Nanjing University; Changan University
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明公开了一种三维位姿探测装置，包括二维位置敏感探测器、凸透镜、发射板，所述发射板上的点光源发出光线通过所述凸透镜在所述二维位置敏感探测器的光敏面上成像为清晰点，所述发射板在中心和四角共设置五个所述点光源，且相邻两个角落的所述点光源的距离为20mm；本发明同时公开了使用这种探测装置的测量方法。本发明的优点是将二维位置敏感探测器添加光学装置进行改装，用于三维空间的位姿检测，并通过发射板的布置，结合测量方法协调工作，完成空间探测和精准测量；探测装置结构简单，控制容易，测量精确度高。

Description

一种三维位姿探测装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种三维位姿探测装置及其测量方法。

背景技术

空间三维位姿探测在现代化作业、空间探测和军事等领域有着广泛的应用。为了感知作业方所处的环境，我们需要采用照相机或摄像机，为了采取进一步的操作或完成相互协调动作，我们需要精确地知道作业方的位置和姿态，这就需要采用至少3个成像设备以确定其精确的空间位置和姿态。这样的结果一是大大增加了三维位姿探测机构的复杂性，二是使得整体的控制方法变得十分繁杂，容错性变差。

空间三维定位发展较早的是立体视觉理论，应用较多的是双目立体视觉，其基本原理类似于人的视力，通过频繁的信号交替可以精确完成给定的动作，这里的问题有两个，一是对应双目需要配置两个摄像机构，二是双目无法精确定位距离远近。因此，很多研究机构致力于开发对应的算法，如一种空间目标三维位姿视觉测量方法（国别：中国，公开号：101464134A，公开日期：2009年6月24日）等。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、控制容易的探测对象空间位置和姿态的三维位姿探测装置；本发明的另一目的是提供使用这种三维位姿探测装置进行测量的方法，完成空间探测功能需要和精准的测量。

技术方案：一种三维位姿探测装置，包括二维位置敏感探测器、凸透镜、发射板，所述发射板上的点光源发出光线通过所述凸透镜在所述二维位置敏感探测器的光敏面上成像为清晰点，所述发射板在中心和四角共设置五个所述点光源，且相邻两个角落的所述点光源的距离为20mm。

所述点光源采用发光二极管。点光源发出的光线作为二维位置敏感探测器检测的信号，要求该点光源的选取应直径要尽可能小且发射角要尽量大，这样当不可避免的出现近距离检测时以及受到二维位置敏感探测器自身检测范围的限制时，保证二维位置敏感探测器能够检测到点光源的位置。

所述光敏面为正方形，所述二维位置敏感探测器的视角为30°。对二维位置敏感探测器的要求是视角越大，能感知到的最小距离越小，对齐精确度就会越高。但是视角不能无限增大，因为视角越大，在最小距离时发射板上的点光源阵列在二维位置敏感探测器上的成像就会越小，分辨率和精确度都会受到影响，因此取视角为30°左右。同时，由于在二维位置敏感探测器上X和Y方向等价，因此尽量选择光敏面为正方形的二维位置敏感探测器。

上述一种三维位姿探测装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤（1）：测量空间距离：将所述二维位置敏感探测器的所述光敏面放置于所述凸透镜的焦平面上，且所述光敏面的中心与所述凸透镜的焦点重合，所述凸透镜的位置为F，所述凸透镜和所述二维位置敏感探测器构成接收板；所述发射板四角的所述点光源A'、B'、C'、D'和中心的所述点光源O'，使O'A'＝O'B'＝O'C'＝O'D'，且A'、B'、C'、D'中相对的两个分别与所述发射板的X'轴、Y'轴重合；A、B、C、D为A'、B'、C'、D'在所述光敏面上对应的成像点；经调整使所述发射板的Z'轴与所述接收板的Z轴对正时，得到所述接收板与所述发射板之间的距离O'F；

步骤（2）：对齐接收板与发射板：

信号捕捉：所述发射板沿其X轴、Y轴、Z轴分别移动、转动，直到接收到所述发射板的所述点光源的成像；

接收板与发射板的对齐：按给定的步长和运动次序移动所述接收板至其与所述发射板正好对齐，此时所述接收板与所述发射板姿态一致，由所述接收板姿态得知所述发射板姿态；对齐判据为：AC⊥BD，0.5（x_A＋x_C）≤0.1mm、0.5（y_A＋y_C）≤0.1mm，0.5（x_B＋x_D）≤0.1mm、0.5（y_B＋y_D）≤0.1mm，其中0.1mm为要求的误差精度。

所述发射板上的五个所述点光源通过单片机控制发光顺序、发光持续时间、发光间隔时间。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是将二维位置敏感探测器添加光学装置进行改装，用于三维空间的位姿检测，并通过发射板的布置，结合测量方法协调工作，完成空间探测和精准测量；探测装置结构简单，控制容易，测量精确度高。

附图说明

图1为本发明三维位姿探测装置的结构示意图；

图2为发射板上点光源的分布位置图；

图3为本发明测量方法原理图；

图4为单片机控制的发射板部分的流程图；

图5为单片机控制的接收板部分的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明三维位姿探测装置是对二维位置敏感探测器作出改装，运用于三维空间进行位姿探测。

如附图1、2所示，一种三维位姿探测装置，包括二维位置敏感探测器1、凸透镜2、发射板3，发射板3上的点光源4发出光线通过凸透镜2在二维位置敏感探测器1的光敏面5上成像为清晰点。

发射板3上设置有五个点光源4，分布在发射板3的中心和四角，这样的布置是为了安排时序以实现位姿感知的控制测量，其中相邻两个角落的点光源4的距离为20mm。点光源4采用发光二极管，点光源4的选取原则是应直径要尽可能小且发射角要尽量大，这样当不可避免的出现近距离检测时以及受到二维位置敏感探测器1自身检测范围的限制时，保证二维位置敏感探测器1能够检测到点光源4的位置。

由于二维位置敏感探测器1检测的信号是来自点光源4发出的光线，尽管已经选取了直径比较小的发光二极管来模拟点光源，但是当二维位置敏感探测器1跟发光二极管距离较近时，发光二极管的发光状况仍然跟点光源相差甚远。为了使来自发光二极管的光线接近于点光源，同时也为了使光强对二维位置敏感探测器1的影响减到最小和扩大二维位置敏感探测器1的检测距离，采取与照相机镜头的工作原理相同的光学装置改装二维位置敏感探测器1，二维位置敏感探测器1和凸透镜2构成新型的三维位姿探测器，能将来自发光二极管的部分光线会聚成二维位置敏感探测器1的光敏面5上的一点，也就是说，能使每个发光二极管都在光敏面5上有一个清晰的像点。对二维位置敏感探测器1和凸透镜2的装配可以使用固定支架6连接。

对二维位置敏感探测器1的要求是视角越大，能感知到的最小距离越小，对齐精确度就会越高。但是视角不能无限增大，因为视角越大，在最小距离时发射板3上的点光源4阵列在二维位置敏感探测器1上的成像就会越小，分辨率和精确度都会受到影响，因此取视角为30°左右。同时，由于在二维位置敏感探测器1上X和Y方向等价，因此尽量选择光敏面为正方形的二维位置敏感探测器。

附图3所示为使用本发明三维位姿探测装置进行探测的测量方法原理图，具体的测量方法包括以下步骤：

步骤（1）：测量空间距离：将二维位置敏感探测器1的光敏面5放置于凸透镜2的焦平面上，且光敏面5的中心与凸透镜2的焦点重合，凸透镜2的位置为F，凸透镜2和二维位置敏感探测器1构成接收板；所述发射板3四角的点光源4分别标为A'、B'、C'、D'，中心的点光源4标为O'，使O'A'＝O'B'＝O'C'＝O'D'，且A'C'与发射板3的Y'轴重合，B'D'与发射板3的X'轴重合；A、B、C、D为A'、B'、C'、D'发出的光线经凸透镜2聚焦后在光敏面5上对应的成像点。经空间几何投影关系可知，如果发射板3的Z'轴与接收板的Z轴对正时，可以得到（A'O'/O'F）＝（AO/OF），即O'F＝（A'O'·OF/AO），得到接收板与发射板3之间的距离O'F。因此，要测量接收板与发射板3之间的距离，关键问题是要调整接收板的Z轴与发射板3的Z'轴，使其精确对准。

步骤（2）：对齐接收板与发射板：

信号捕捉：发射板3在其工作空间内沿其X轴、Y轴、Z轴分别移动、转动，直到接收到发射板3的点光源4的成像，完成信号捕捉过程；

接收板与发射板的对齐：按给定的步长和运动次序移动接收板至其与发射板3正好对齐，对齐判据为：AC⊥BD，0.5（x_A＋x_C）≤0.1mm、0.5（y_A＋y_C）≤0.1mm，0.5（x_B＋x_D）≤0.1mm、0.5（y_B＋y_D）≤0.1mm，其中0.1mm为要求的误差精度。此时接收板与发射板3姿态一致，由接收板自身姿态可知发射板3的姿态，由空间距离的感知可以测得空间相对位置，从而得到发射板3的空间位姿。因此，可以在被感知物上放置发射板3来实现被感知。

以上探测的测量过程通过单片机来自动控制。发射板和接收板通过发光二极管阵列和接收板的二维位置敏感探测器之间的光电感应信号形成闭环回路，由接收板的处理器对位置偏差进行处理，从而控制接收板按照处理的结果运动，运动的结果会减小位置偏差。发射板的工作过程如附图4所示：由发射板的主处理器发出指令给其控制模块，该指令包括给定的A/D脉冲频率、各个发光二极管的发光频率和发光顺序、每个发光二极管的发光持续时间、相邻发光二极管的发光间隔时间；经控制模块处理过的指令直接发送给发光二极管的驱动电路，则发光二极管按驱动电路所给的信号不断闪光。接收板的工作过程如附图5所示：接收板首先按照测量空间距离的算法在其空间中搜寻发光二极管的光线信号，当找到目标信息时，接收板的二维位置敏感探测器的四个输出端输出电平信号到自身的信号处理电路中，经过信号处理电路处理过的信号表示处于发射板上一个发光二极管在二维位置敏感探测器上对应的一组X、Y值，该值可以确定该发光二极管对应的成像点在二维位置敏感探测器平面上的位置。发射板上不同发光二极管的位置依靠时序来区分。

本发明的设计实现过程主要如下：

（1）根据设定的要求，完成发射板的组装；

（2）为选定的二维位置敏感探测器安装光学装置，使光学装置的焦平面正好位于二维位置敏感探测器的光敏面上；

（3）利用单片机实现发射板上点光源的时序控制；

（4）被探测物上安装由点光源阵列和控制器组成的发射板，并在被探测物上安装由二维位置敏感探测器和光学装置构成新型的三维位姿探测器；

（5）搭建控制系统，由主处理器和底层控制模块组成，如图4所示，二维位置敏感探测器信号经过信号处理电路和A/D转换器，把二维坐标以数值形式发送给主处理器；主处理器根据接收到的信号值和程序执行过程，进一步控制接收板的运动和发射板的子控制器；

（6）进行自动化测试。

Claims

1.一种三维位姿探测装置，其特征在于：包括二维位置敏感探测器（1）、凸透镜（2）、发射板（3），所述发射板（3）上的点光源（4）发出光线通过所述凸透镜（2）在所述二维位置敏感探测器（1）的光敏面（5）上成像为清晰点，所述发射板（3）在中心和四角共设置五个所述点光源（4），且相邻两个角落的所述点光源（4）的距离为20mm。

2.根据权利要求1所述的一种三维位姿探测装置，其特征在于：所述点光源（4）采用发光二极管。

3.根据权利要求1所述的一种三维位姿探测装置，其特征在于：所述光敏面（5）为正方形。

4.根据权利要求1所述的一种三维位姿探测装置，其特征在于：所述二维位置敏感探测器（1）的视角为30°。

5.一种权利要求1所述的三维位姿探测装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤（1）：测量空间距离：将所述二维位置敏感探测器（1）的所述光敏面（5）放置于所述凸透镜（2）的焦平面上，且所述光敏面（5）的中心与所述凸透镜（2）的焦点重合，所述凸透镜（2）的位置为F，所述凸透镜（2）和所述二维位置敏感探测器（1）构成接收板；所述发射板（3）四角的所述点光源（4）A'、B'、C'、D'和中心的所述点光源（4）O'，使O'A'＝O'B'＝O'C'＝O'D'，且A'、B'、C'、D'中相对的两个分别与所述发射板（3）的X'轴、Y'轴重合；A、B、C、D为A'、B'、C'、D'在所述光敏面（5）上对应的成像点；经调整使所述发射板（3）的Z'轴与所述接收板的Z轴对正时，得到所述接收板与所述发射板（3）之间的距离O'F；

步骤（2）：对齐接收板与发射板：

信号捕捉：所述发射板（3）沿其X轴、Y轴、Z轴分别移动、转动，直到接收到所述发射板（3）的所述点光源（4）的成像；

接收板与发射板的对齐：按给定的步长和运动次序移动所述接收板至其与所述发射板（3）正好对齐，此时所述接收板与所述发射板（3）姿态一致，由所述接收板姿态得知所述发射板（3）姿态；对齐判据为：AC⊥BD，0.5（x_A＋x_C）≤0.1mm、0.5（y_A＋y_C）≤0.1mm，0.5（x_B＋x_D）≤0.1mm、0.5（y_B＋y_D）≤0.1mm，其中0.1mm为要求的误差精度。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述发射板（3）上的五个所述点光源（4）通过单片机控制发光顺序、发光持续时间、发光间隔时间。