CN105157571A - 一种用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点 - Google Patents

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张宪民
李海
吴衡
莫嘉嗣
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Abstract

本发明公开了一种用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点，包括基座、LED点光源、准直透镜、标志端盖；基座端部具有一平底凹槽，LED点光源置于该平底凹槽并与平底凹槽的内底面固定，准直透镜中部具有一空腔，准直透镜设置在LED点光源上方，并使LED点光源置于其空腔之中；标志端盖设置在准直透镜的上方，用于通过压紧准直透镜的上边缘对准直透镜进行固定，标志端盖的内缘与平底凹槽的侧壁间隙配合，并通过平底凹槽的侧壁上的螺钉对其进行紧固；标志端盖上开设有光孔，该光孔即为视觉主动标志点。本发明可适应测量范围大，运动速度高等情况，并且无需额外提供光源。能给相机提供更好的成像效果，提高精度的同时能够加快处理速度。

Description

一种用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点。
背景技术
刚体平面运动包括3个自由度，即平面平移自由度x与y以及绕z轴的转动自由度。为了用视觉方法获取刚体平面运动实时位姿，必然需要通过跟踪物体上一个或多个对比明显的标志物来实现。标志物可以分为人工标志物和自然标志物两大类。对于高精度高速的测量来说，自然标志物受限于周围环境影响，成像效果差，很难达到高速与高精度，使用人工标志物是必然的选择。人工标志物又可以分为被动式和主动式两种。
被动式标志物使用广泛，其原理为自身不发光，但由于自身结构或者特殊材料，被外部光源照射之后光反射回相机成像，此时标志点与背景之间的对比明显，方便后续图像处理，如现在商用的扫描仪标志点、球形反射标志点等。主动标志点主要原理是通过自身发光，光线直接进入相机成像，从而标志点与背景对比明显，该类标志物应用相对较少，主要集中在测量精度要求不高的场合，如增强现实系统等。
现存的主动标志点大多数应用在测量精度要求不是很高的场合，因此大多数都由LED点光源直接作为标志点。对于平面高速运动刚体来说，由于运动空间相对较大，运动速度高，为了获取高精度实时姿态，必然需要高分辨率相机与高精度标志物。由于相机分辨率高，所以拍摄图像数据量就变大，这时候对图像进行处理时间必然增加，为了达到实时性要求，必须要求以最快的处理算法来实现定位，这就要求成像质量非常好。同时由于运动速度很高，为了获取无拖影的图像，必然要求极短的曝光时间，这时候必然需要外部光源才能获取足够的光强，然而由于工作空间比较大，所以使用被动反光标志点做标志物的话就需要足够大的外部光源才能满足条件，这对动态测量带来很大的不便。综上考虑，为了得到边缘清晰的标志点图像，同时方便后续求取平台转动角度，需要一种能够主动发光、边缘清晰、形状特定的标志物。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点，其不但可以主动发光，而且在相机成像中边缘清晰、形状规则，可用于平面高速运动物体位姿的实时高精度测量。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点，包括基座4、LED点光源3、准直透镜2、标志端盖1；
所述基座4端部具有一平底凹槽，LED点光源3置于该平底凹槽并与平底凹槽的内底面固定，准直透镜2中部具有一空腔2‐1，准直透镜2设置在LED点光源上方，并使LED点光源3置于其空腔2‐1之中；
所述标志端盖1设置在准直透镜2的上方，用于通过压紧准直透镜2的上边缘对准直透镜2进行固定，标志端盖1的内缘1‐1与平底凹槽的侧壁间隙配合，并通过平底凹槽的侧壁上的螺钉6对其进行紧固；
所述标志端盖1上开设有光孔1‐2，该光孔1‐2即为视觉主动标志点。
所述准直透镜2的空腔2‐1的内顶面为向下凸起的下凸圆弧曲面201，对应于下凸圆弧曲面201的准直透镜2上表面的中部为向上凸起的上凸圆弧曲面202；准直透镜2的外缘为向内凹陷的内凹圆弧曲面203，准直透镜2的侧表面为向外凸起的外凸圆弧曲面204；
其中下凸圆弧曲面201与上凸圆弧曲面202构成一对，使LED点光源3入射的光线经过下凸圆弧曲面201与上凸圆弧曲面202之后变成准直光线；
内凹圆弧曲面203与外凸圆弧曲面204构成另外一对，使LED点光源3入射的光线经过内凹圆弧曲面203与外凸圆弧曲面204后变成准直光线。
所述空腔2‐1为圆柱形空腔。
所述光孔1‐2为双圆孔或者圆弧过渡矩形孔或者矩形孔。
所述LED点光源3固定在基板3‐1上，基板3‐1通过螺栓5与平底凹槽的内底面固定。
所述平底凹槽的内底面开设有与外部连通的孔4‐1，用于将LED点光源3的导线3‐3通过该孔引出。
本发明其不但可以主动发光，而且在相机成像中边缘清晰、形状规则，可用于平面高速运动物体位姿的实时高精度测量。
本发明这种主动标志点非常适合刚体平面3自由度的测量，可以适应测量范围大，运动速度高等情况，并且无需额外提供光源。能给相机提供更好好的成像效果，提高精度的同时能够加快处理速度。
附图说明
图1为本发明结构剖面示意图。
图2为标志端盖的仰视示意图。
图3为准直透镜的结构剖面示意图。
图4为LED点光源的结构示意图。
图5为LED点光源通过标志端盖的光孔，在测量时发光成像示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至5所示。本发明一种用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点，包括基座4、LED点光源3、准直透镜2、标志端盖1；基座4和标志端盖1进行阳极氧化加黑处理。LED点光源3优选选为白光。
所述基座4端部具有一平底凹槽，LED点光源3置于该平底凹槽并与平底凹槽的内底面固定，准直透镜2中部具有一空腔2‐1，准直透镜2设置在LED点光源上方，并使LED点光源3置于其空腔2‐1之中；LED点光源3具有功率可调电路，其发光强度可调。
所述标志端盖1设置在准直透镜2的上方，用于通过压紧准直透镜2的上边缘对准直透镜2进行固定，标志端盖1的内缘1‐1与平底凹槽的侧壁间隙配合，并通过平底凹槽的侧壁上的螺钉6对其进行紧固；
所述标志端盖1上开设有光孔1‐2，该光孔1‐2即为视觉主动标志点。
准直透镜2由透明材料制成，如光学玻璃。准直透镜2的空腔2‐1的内顶面为向下凸起的下凸圆弧曲面201，对应于下凸圆弧曲面201的准直透镜2上表面的中部为向上凸起的上凸圆弧曲面202；准直透镜2的外缘为向内凹陷的内凹圆弧曲面203，准直透镜2的侧表面为向外凸起的外凸圆弧曲面204；
其中下凸圆弧曲面201与上凸圆弧曲面202构成一对，使LED点光源3入射的光线经过下凸圆弧曲面201与上凸圆弧曲面202之后变成准直光线；
内凹圆弧曲面203与外凸圆弧曲面204构成另外一对，使LED点光源3入射的光线经过内凹圆弧曲面203与外凸圆弧曲面204后变成准直光线。
所述空腔2‐1为圆柱形空腔。
所述光孔1‐2为优选圆弧过渡矩形孔或者双圆孔(即，两个独立的圆孔)，图2仅示出了圆弧过渡矩形孔。但也或者是矩形孔，具体形状可以根据测量要求进行选择加工。
所述LED点光源3固定在基板3‐1上，基板3‐1通过螺栓5与平底凹槽的内底面固定。
所述平底凹槽的内底面开设有与外部连通的孔4‐1，用于将LED点光源3的导线3‐3通过该孔引出。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点，其特征在于，包括基座(4)、LED点光源(3)、准直透镜(2)、标志端盖(1)；
所述基座(4)端部具有一平底凹槽，LED点光源(3)置于该平底凹槽并与平底凹槽的内底面固定，准直透镜(2)中部具有一空腔(2-1)，准直透镜(2)设置在LED点光源上方，并使LED点光源(3)置于其空腔(2-1)之中；
所述标志端盖(1)设置在准直透镜(2)的上方，用于通过压紧准直透镜(2)的上边缘对准直透镜(2)进行固定，标志端盖(1)的内缘(1-1)与平底凹槽的侧壁间隙配合，并通过平底凹槽的侧壁上的螺钉(6)对其进行紧固；
所述标志端盖(1)上开设有光孔(1-2)，该光孔(1-2)即为视觉主动标志点。
2.根据权利要求1所述的用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点，其特征在于，所述准直透镜(2)的空腔(2-1)的内顶面为向下凸起的下凸圆弧曲面(201)，对应于下凸圆弧曲面(201)的准直透镜(2)上表面的中部为向上凸起的上凸圆弧曲面(202)；准直透镜(2)的外缘为向内凹陷的内凹圆弧曲面(203)，准直透镜(2)的侧表面为向外凸起的外凸圆弧曲面(204)；
其中，下凸圆弧曲面(201)与上凸圆弧曲面(202)构成一对，使LED点光源(3)入射的光线经过下凸圆弧曲面(201)与上凸圆弧曲面(202)之后变成准直光线；
内凹圆弧曲面(203)与外凸圆弧曲面(204)构成另外一对，使LED点光源(3)入射的光线经过内凹圆弧曲面(203)与外凸圆弧曲面(204)后变成准直光线。
3.根据权利要求1所述的用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点，其特征在于，所述空腔(2-1)为圆柱形空腔。
4.根据权利要求1所述的用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点，其特征在于，所述光孔(1-2)为双圆孔或者圆弧过渡矩形孔。
5.根据权利要求1所述的用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点，其特征在于，所述光孔(1-2)为矩形孔。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点，其特征在于，所述LED点光源(3)固定在基板(3-1)上，基板(3-1)通过螺栓(5)与平底凹槽的内底面固定。
7.根据权利要求6所述的用于刚体平面运动位姿测量的视觉主动标志点，其特征在于，所述平底凹槽的内底面开设有与外部连通的孔(4-1)，用于将LED点光源(3)的导线(3-3)通过该孔引出。
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