CN103712603B - 基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置及其测量方法，装置包括图像采集装置、平面光栅标志器、背光光源、图像和数据处理系统和固定标志器平台，图像采集装置与图像和数据处理系统电信号连接，背光光源紧贴于平面光栅标志器下部与其固定连接，背光光源固定于固定标志器平台上，图像采集装置实时采集平面光栅标志器的图像，并将图像传至图像和数据处理系统测量方法包括以下步骤：对采集图像进行预处理；提取标志器的光栅暗条纹及辅助标识特征；使用辅助特征进行位姿粗估计；使用粗、精多组光栅计算精确角度偏移量；将粗、精计算结果进行数据融合，得到最终位姿估计结果。本发明实现了高精度的三维位姿测量，测量自动化程度高。

Description

基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置及其测量方法。

背景技术

与传统测量方法相比，基于视觉的三维位置和姿态测量具有非接触、动态响应快、操作便捷、自动化程度高等特点，自80年代后期起获得迅速发展，已广泛应用于制造与加工工业、航天测量与地面仿真系统、自主飞行器与地面车等领域中。现有位姿测量方法包括经纬仪、惯性器件组合(惯组)、直线／圆光栅、三坐标测量机、激光测量、结构光测量以及基于特定光学标志的三维测量等。经纬仪和三坐标测量机测量精度高，但一般仅限于离线手动测量，同时三维姿态需间接解算。使用惯组同样可完成位置、姿态测量，但测量误差随时间积累，同时标定和校正繁琐，器件价格高。通过直线／圆光栅测量可达到很高精度，但仅可完成单自由度位置和姿态测量，并且需安装于轴系或发生相对运动处，在很多测量场合，如并联机器人平台、气浮平台中无法应用。激光和结构光测量方法需要附加的激光或结构光光源，体积较大，同时应用受测量环境尺寸及几何形状限制。基于一般光学标志三维位姿测量是一种基于机器视觉的全被动式测量方式，使用灵活，可实现全自动连续测量，同时无需附加特殊光源。这类方法最大的问题是测量精度。受光学标志特征和非线性位姿解算的影响，该方法的测量精度、特别是姿态测量精度偏低，无法满足实际要求。

经文献检索，中国发明专利号：200610105107.8，专利名称为：基于机器视觉和平面正交光栅的测量装置及测量方法，该专利给出了一种基于正交光栅的精密平台测量定位方法，但该方法中使用的平面光栅为单层，仅用于投射测量，不具备位移和姿态放大效果；同时测量需借助显微镜实现，且测量范围过小(10mm*8mm，0.1rad)，无法满足大多数应用要求。中国发明专利号：200980100313.1，专利名称为：位置测量系统及位置测量方法、移动体装置、移动体驱动方法、曝光装置及曝光方法、图案形成装置、以及组件制造方法，该专利给出了一种基于光栅的高精度位置测量方法，但无法测量相对姿态。中国发明专利号：201210321861.0，专利名称为：一种五自由度主动磁悬浮惯性稳定平台，该专利给出了一种基于码盘和光栅尺的相对姿态测量方案，但测量依赖于轴系结构，在并联机构、气浮平台等机构的测量中无法应用。朱海军在其博士论文“双同心圆光栅二维平面位移测量术”中使用同心圆光栅测量平面位移，精度高，抗噪性较好。但该方法同样仅能测量平面位移。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置及方法。

本发明所采用的技术如下：一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，包括图像采集装置、平面光栅标志器、背光光源、图像和数据处理系统和固定标志器平台，图像采集装置与图像和数据处理系统电信号连接，背光光源紧贴于平面光栅标志器下部与其固定连接，背光光源固定于固定标志器平台上，图像采集装置实时采集平面光栅标志器的图像，并将图像传至图像和数据处理系统；所述的平面光栅标志器包括双层透射光栅片和光栅图案，光栅图案设置在双层透射光栅片上；所述的图像和数据处理系统包括计算机硬件、图像和数据处理软件和显示设备，通过图像采集装置将采集到的数字图像首先在计算机硬件中暂存，然后应用图像和数据处理软件完成图像处理、视觉检测和相对位姿计算，最后将测量结果在显示设备上显示。

本发明还具有如下特征：

1、所述的背光光源包括光源控制器、照明光源和漫射片，照明光源安装于漫射片下方，光源控制器与照明光源电信号连接，光源控制器为照明光源供电并提供亮度控制，照明光源通过漫射片为平面光栅标志器提供均匀的背光照明，形成清晰光栅条纹。

2、所述的双层透射光栅片包括2块透射光栅片及3块透明基板，由上至下按第一透明基板、第一透射光栅片、第二透明基板、第二透射光栅片、第三透明基板的顺序设置并保持平行，通过固定螺栓紧固。

3、所述的每个透射光栅片设置有2条粗测光栅条纹和2条精测光栅条纹，两种条纹呈相互正交排列；第一透射光栅片和第二透射光栅片其上、下位置对应光栅条纹间距存在差别，第一透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₁，第二透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₂，λ₁＞λ₂，则栅距差比r₁=(λ₁-λ₂)/λ₁×100％，r₁=0.5％～1％；第一透射光栅片的精测光栅条纹对应间距为λ₃，第二透射光栅片的精测光栅条纹对应间距为λ₄，λ₃＞λ₄，则栅距差比r₂=(λ₃-λ₄)/λ₃×100％，r₂=0.1～0.3％；该设计保证光栅图案对被测目标体位置和姿态的微小变化有放大作用。

4、所述的平面光栅标志器的四角分别设置有辅助标志物。

5、所述的透射光栅片由多组具有不同分辨率的光栅刻线构成。

6、所述的粗测光栅条纹的间距为精测光栅条纹的2～5倍。

7、一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量方法，采用如上所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，使用图像采集装置采集图像，并传至图像和数据处理系统，步骤如下：

(1)使用图像采集装置采集图像，并传至图像和数据处理系统，并对采集的图像进行去噪和图像增强预处理；

(2)通过图像分割和特征提取，得到平面光栅标志器各组光栅图案形成的光栅暗条纹和辅助标识特征；

(3)使用平面光栅标志器四角的辅助标识，首先定位圆标识点形心，进而通过PnP算法粗估计相对位姿，通过矩形特征定位判别保证求解的唯一性；

(4)对于粗测光栅条纹，首先通过基于图像矩的方法进行主轴校正，计算条纹方向，进而使用灰度投影法检测条纹相位，并得到位置偏移δ，对精测光栅条纹重复上述处理过程，得到位置偏移；

(5)精确偏移角度计算：第一透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₁，第二透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₂，基板高度为d，光线透过第一和第二光栅片形成的光栅暗条纹图案位置偏移为δ；当角度偏移小于一个光栅暗条纹周期对应的角度时，偏移量θ计算如下：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\δ}}{d}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}$

对与该方向垂直的另一组粗测光栅条纹采用同样方式计算；

(6)对精测光栅条纹采用与(6)相同方式计算，得到精测角度偏移量；

(7)对所有光栅条纹重复计算步骤(4)～(6)，然后与(3)得到的结果进行数据融合，得到最终的相对位姿测量结果。

本方法通过平面正交光栅设计，可将各自由度上微小的位移和姿态变化放大，有效提高了测量精度。通过特定的不等距双层光栅条纹设计，可在上、下层光栅不发生相对运动的条件下测量相对位置和姿态，克服了一般方法的光栅测量装置需安装在相对运动机构上的限制，因而应用范围更广，可在空间机器人在轨维护、气浮平台测量等场合中使用。

本发明的特点在于：

(1)测量精度较高。使用一般高清数字相机，三维位置测量精度＜0.1％R，R为目标与相机的相对距离；三轴姿态测量＜0.05°。使用更高清晰度的相机和密度更高的光栅刻线，上述精度还可进一步提高。

(2)设备简单，应用范围广，成本相对低廉。采用被动测量方式，无需激光或结构光等特殊光源，因而成本相对低廉，同时减轻了设备质量，可在空间飞行器、无人机等对负载重量要求严格的场合使用。

(3)测量效率高、速度快，可实现目标物姿态和位置的实时测量。

(4)自动化程度高。系统可全自动的完成全三维位置和姿态的自动测量，并可进一步完成连续测量、跟踪、数据记录和比对等任务，整个过程完全自动，无需用户介入。

附图说明

图1是本发明测量系统的组成示意图；

图2是平面光栅标志器的侧视剖面图；

图3是光栅图案示意图；

图4是背光光源结构示意图；

图5是发明中的测量方法与步骤流程图；

图6是实施方式4对应的基于工业控制计算机的气浮平台姿态测量装置；

图7是实施方式5对应的飞行机器人目标相对位姿测量装置。

其中，1、图像采集装置，2、高清相机，3、信号连接电缆，4、图像采集卡，5、图像和数据处理系统，6、平面光栅标志器，7、固定标志器平台，8、固定螺栓，9、第一透明基板，10、第一透射光栅片，11、第二透明基板，12、第二透射光栅片，13、第三透明基板，14、漫射片，15、照明光源，16、光源控制器，17、粗测光栅条纹，18、辅助标志物，19、精测光栅条纹，20、背光光源，21、气浮平台，22、目标飞行器，23、机械臂，24、操作手，25、飞行机器人本体。

具体实施方式

实施例1

一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，包括图像采集装置1、平面光栅标志器，6、背光光源20、图像和数据处理系统5和固定标志器平台7，图像采集装置1与图像和数据处理系统5电信号连接，背光光源20紧贴于平面光栅标志器6下部与其固定连接，背光光源20固定于固定标志器平台7上，图像采集装置1实时采集平面光栅标志器6的图像，并将图像传至图像和数据处理系统5；所述的平面光栅标志器6包括双层透射光栅片和光栅图案，光栅图案设置在双层透射光栅片上；所述的图像和数据处理系统5包括计算机硬件、图像和数据处理软件和显示设备，通过图像采集装置将采集到的数字图像首先在计算机硬件中暂存，然后应用图像和数据处理软件完成图像处理、视觉检测和相对位姿计算，最后将测量结果在显示设备上显示所述的背光光源20包括光源控制器16、照明光源15和漫射片14，照明光源15安装于漫射片14下方，光源控制器16与照明光源15电信号连接，光源控制器16为照明光源15供电并提供亮度控制，照明光源15通过漫射片14为平面光栅标志器6提供均匀的背光照明，形成清晰光栅条纹。所述的双层透射光栅片包括2块透射光栅片及3块透明基板，由上至下按第一透明基板9、第一透射光栅片10、第二透明基板11、第二透射光栅片12、第三透明基板13的顺序设置并保持平行，通过固定螺栓8紧固。

所述的每个透射光栅片设置有2条粗测光栅条纹17和2条精测光栅条纹19，两种条纹呈相互正交排列；第一透射光栅片和第二透射光栅片其上、下位置对应光栅条纹间距存在差别，第一透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₁，第二透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₂，λ₁＞λ₂，则栅距差比r₁=(λ₁-λ₂)/λ₁×100％，r₁=0.5％～1％；第一透射光栅片的精测光栅条纹对应间距为λ₃，第二透射光栅片的精测光栅条纹对应间距为λ₄，λ₃＞λ₄，则栅距差比r₂=(λ₃-λ₄)/λ₃×100％，r₂=0.1～0.3％，光栅图案对被测目标体位置和姿态的微小变化有放大作用。所述的平面光栅标志器6的四角分别设置有辅助标志物18。所述的透射光栅片由多组具有不同分辨率的光栅刻线构成。所述的粗测光栅条纹17的间距为精测光栅条纹19的2～5倍；两种条纹呈相互正交排列。

实施例2

一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量方法，步骤如下：

(8)使用图像采集装置采集图像，并传至图像和数据处理系统，并对采集的图像进行去噪和图像增强预处理；

(9)通过图像分割和特征提取，得到平面光栅标志器各组光栅图案形成的光栅暗条纹和辅助标识特征；

(10)使用平面光栅标志器四角的辅助标识，首先定位圆标识点形心，进而通过PnP算法粗估计相对位姿，通过矩形特征定位判别保证求解的唯一性；

(11)对于粗测光栅条纹，首先通过基于图像矩的方法进行主轴校正，计算条纹方向，进而使用灰度投影法检测条纹相位，并得到位置偏移δ，对精测光栅条纹重复上述处理过程，得到位置偏移；

(12)精确偏移角度计算：第一透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₁，第二透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₂，基板高度为d，光线透过第一和第二光栅片形成的光栅暗条纹图案位置偏移为δ；当角度偏移小于一个光栅暗条纹周期对应的角度时，偏移量θ计算如下：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\δ}}{d}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}$

对与该方向垂直的另一组粗测光栅条纹采用同样方式计算；

(13)对精测光栅条纹采用与(6)相同方式计算，得到精测角度偏移量；

(14)对所有光栅条纹重复计算步骤(4)～(6)，然后与(3)得到的结果进行数据融合，得到最终的相对位姿测量结果。

实施例3

基于工业控制计算机的气浮平台姿态测量装置

结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的装置由包含高清相机的图像采集装置1，特定设计的平面光栅标志器6，与6固联的背光光源20，使用工业控制计算机的硬件平台，图像和数据处理软件5、固定标志器平台7及气浮平台21构成。气浮平台21为被测量目标，可沿俯仰、方位、横滚三个方向作姿态运动；待测量为三自由度的姿态。光栅标志器6包含相互垂直的二组光栅标志器，与固定标志器平台7固联，并由固定标志器平台供电。每组标志器由多片透明基板、光栅片及紧固连接结构组成，如图2所示。透明基板为有机玻璃材质，包含夹在中间较厚的基板，厚度为5mm，和薄一些的相同两块基板，厚度为1.5mm。光栅片包含两片使用PET材质和激光刻印方式制作的透射光栅，每一片上刻有两组方向垂直的粗测光栅条纹与精测光栅条纹，并在四角设置有辅助标志物，由三实心圆和一斜矩形构成。背光光源位于光栅标志器板下部，包括高亮LED背光板及漫射片，保证光栅背光照明的亮度和光照均匀性。光栅标志器及背光光源以螺栓方式紧固连接。图像采集装置1使用二台500万像素工业黑白摄像机，沿不同角度对光栅标志器6的图像实时采集，通过信号连接电缆将图像传输至硬件平台6中。硬件平台6使用工业控制计算机，CPU为IntelE7400，其上运行Windows操作系统及图像和数据处理软件，软件使用C／C++语言编写。

测量步骤：

(1)将光栅标志器与固定标志器平台固联，保证平面光栅标志器处在二摄像机的视野内。开启标志器背背光光源；

(2)启动工业控制计算机，运行图像和数据处理软件；

(3)摄像机周期性的实时采集图像并传输给计算机，由运行于计算机上的软件算法完成图像处理和姿态计算；

(4)将结果实时的显示在工业显示器上。该测量周期结束，返回(3)，进行下一次测量；直至用户终止运行。

实施例4

飞行机器人目标相对位姿测量装置

结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的装置由图像采集装置1、特定设计的平面光栅标志器6，与平面光栅标志器6固联的背光光源20，与图像采集装置集成的硬件平台和图像和数据处理系统5、固定标志器平台7、飞行机器人本体25及安装器上的机械臂23和操作手24、目标飞行器22构成。目标飞行器22为被测量目标，可沿三自由度位置和三自由度姿态作全方位运动；待测量其相对于飞行机器人的六自由度位姿。光栅标志器6包含一套平面光栅标志器及对应的背光光源，与目标飞行器22面向飞行机器人一侧的平面固联，并由目标飞行器供电。平面光栅标志器与实施方式一中的单组光栅标志器相同。图像采集装置1为内置嵌入式处理硬件的400万像素高清黑白一体化相机，安装于飞行机器人的操作手24腕部。嵌入式硬件采用DSP结合FPGA平台，通过FPGA阵列完成相机图像的实时采集和传输，通过嵌入式32位处理器完成图像和数据处理。处理器选用TIDSP6410，其上运行图像和数据处理软件，使用C和嵌入式汇编语言结合编写。

Claims (7)

1.一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，包括图像采集装置、平面光栅标志器、背光光源、图像和数据处理系统和固定标志器平台，图像采集装置与图像和数据处理系统电信号连接，背光光源紧贴于平面光栅标志器下部与其固定连接，背光光源固定于固定标志器平台上，图像采集装置实时采集平面光栅标志器的图像，并将图像传至图像和数据处理系统；所述的平面光栅标志器包括双层透射光栅片和光栅图案，光栅图案设置在双层透射光栅片上；所述的图像和数据处理系统包括计算机硬件、图像和数据处理软件和显示设备，通过图像采集装置将采集到的数字图像首先在计算机硬件中暂存，然后应用图像和数据处理软件完成图像处理、视觉检测和相对位姿计算，最后将测量结果在显示设备上显示；其特征在于：所述的背光光源包括光源控制器、照明光源和漫射片，照明光源安装于漫射片下方，光源控制器与照明光源电信号连接，光源控制器为照明光源供电并提供亮度控制，照明光源通过漫射片为平面光栅标志器提供均匀的背光照明，形成清晰光栅条纹。

2.如权利要求1所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于：所述的透射光栅片由多组具有不同分辨率的光栅刻线构成。

3.如权利要求1所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于：所述的双层透射光栅片包括2块透射光栅片及3块透明基板，由上至下按第一透明基板、第一透射光栅片、第二透明基板、第二透射光栅片、第三透明基板的顺序设置并保持平行，通过固定螺栓紧固。

4.如权利要求3所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于：所述的每个透射光栅片设置有2条粗测光栅条纹和2条精测光栅条纹，两种条纹呈相互正交排列；第一透射光栅片和第二透射光栅片其上、下位置对应光栅条纹间距存在差别，第一透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₁，第二透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₂，λ₁＞λ₂，则栅距差比r₁＝(λ₁-λ₂)/λ₁×100％，r₁＝0.5％～1％；第一透射光栅片的精测光栅条纹对应间距为λ₃，第二透射光栅片的精测光栅条纹对应间距为λ₄，λ₃＞λ₄，则栅距差比r₂(λ₃-λ₄)/λ₃×100％，r₂＝0.1～0.3％。

5.如权利要求3所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于：所述的透射光栅片由多组具有不同分辨率的光栅刻线构成。

6.如权利要求4所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于：所述的粗测光栅条纹的间距为精测光栅条纹的2～5倍。

7.一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任意项所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，步骤如下：

(1)使用图像采集装置采集图像，并传至图像和数据处理系统，并对采集的图像进行去噪和图像增强预处理；

(2)通过图像分割和特征提取，得到平面光栅标志器各组光栅图案形成的光栅暗条纹和辅助标识特征；

(3)使用平面光栅标志器四角的辅助标识，首先定位圆标识点形心，进而通过PnP算法粗估计相对位姿，通过矩形特征定位判别保证求解的唯一性；

(4)对于粗测光栅条纹，首先通过基于图像矩的方法进行主轴校正，计算条纹方向，进而使用灰度投影法检测条纹相位，并得到位置偏移δ，对精测光栅条纹重复上述处理过程，得到位置偏移；

(5)精确偏移角度计算：第一透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₁，第二透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₂，基板高度为d，光线透过第一和第二光栅片形成的光栅暗条纹图案位置偏移为δ；当角度偏移小于一个光栅暗条纹周期对应的角度时，偏移量θ计算如下：

$tan\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\δ}}{d}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}$

对与该方向垂直的另一组粗测光栅条纹采用同样方式计算；

(6)对精测光栅条纹采用与(6)相同方式计算，得到精测角度偏移量；

(7)对所有光栅条纹重复计算步骤(4)～(6)，然后与(3)得到的结果进行数据融合，得到最终的相对位姿测量结果。