CN106896343A - 一种伺服随动机器视觉装置及动态跟踪测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服随动机器视觉装置及动态跟踪测距方法，该装置包括视觉系统、伺服驱动与控制系统以及上位机任务控制系统，所述视觉系统由镜头、摄像机、图像处理板卡与软件组成，所述伺服驱动系统由支架、减速器、伺服电机、旋转编码器及伺服控制器组成，其动态跟踪测距是通过伺服驱动转动两台相距一定距离的摄像机使目标趋近相机光轴，通过旋转编码器测量光轴与基线的夹角，经过简单的几何运算即可得到目标距离和位置，并可通过镜头变焦提高测量精度。本发明不需要复杂的特征点匹配过程即能快速跟踪、高精度测距的目的。本发明摄像机镜头可以随意光学调焦，放大、清晰目标图像，提高跟踪测距精度。

Description

一种伺服随动机器视觉装置及动态跟踪测距方法

技术领域

本发明属于机器视觉领域，具体涉及一种用于工业生产伺服随动机器视觉装置及动态跟踪测距方法。

背景技术

常用的测距方法有超声波测距、激光测距、红外测距、光学测距等，主要应用于军事、工业测量、建筑施工等领域。目前常用的视觉测量技术主要有以下3种方法：双目立体视觉法、结构光法、几何光学法，大部分测距定位系统都采用双目视觉，其基于双目立体视觉理论，该理论建立在对人类视觉系统研究的基础上，通过双目视差获取场景信息。

双目立体视觉测距具有非接触、自动测量、对人眼无害等优点。最常用的是平行光轴模型，两摄像机相距一个基线距离水平放置，先通过畸变校正和极线校正，使得同一特征点在两图像只有水平视差，利用图像配准的方法得到对应点的视差，利用视差和深度的关系最终得到场景中物点的深度信息。

结构光测距需要一个投影光源和摄像机，两者相距一个基线距离，通过确定场景物点反射光源的成像位置和投影角等参数，获得场景的深度信息。

几何光学法包括聚焦法和离焦法。聚焦法通过调整摄像机的像距，使得成像平面在被测点处聚焦，在已知像距和焦距的条件下，通过透镜成像公式求取物距。离焦法利用物点不聚焦时图像的模糊程度获取深度信息。

发明专利201410035353.5公开了一种提高测量范围的双目视觉测距方法，采用具有固定基线长度的平行光轴结构的双目相机分别拍摄一组短焦图像及一组长焦图像，在双目相机安装固定的情况下，在保持大范围测量视角的同时提高深度的测量范围。

实用新型专利201220481315.9公开了激光辅助机器视觉测距装置，包括摄像装置、激光发射装置、数据采集及处理装置以及控制系统；两个摄像装置之间设置激光发射装置，并使用激光光斑中心作为系统唯一的特征点，特征点数目的降低使系统响应更快速，计算量减少，处理系统的要求降低。

发明专利申请201310625230.2公开了一种小型双目立体视觉测距系统，通过两个摄像头同步获取两幅图像，对图像进行预处理以抑制噪声并突出有用信息。经过图像的预处理，对所得图像进行角点检测和特征匹配，进而得到视差，从而恢复出实际的深度信息。

发明专利申请201511030814.0公开了一种基于双目视觉的测距方法及装置。同一时刻获取第一感光元件采集的第一图像和第二感光元件采集的第二图像；提取第一图像中选取物体的基准特征点,并根据基准特征点对第二图像进行暴力匹配，获取第二图像的匹配特征点；根据基准特征点和匹配特征点的位置分布，建立多条连接基准特征点和对应的匹配特征点的线段；计算线段的长度通过双目视觉测距方法计算得到多个深度距离。能够在快速得到物体与摄像头之间的距离的同时，保证了计算精度。

虽然双目视觉是最接近于人类视觉的三维数据恢复方式，但事实上，现有双目定位系统存在一定的问题，例如：采用固定焦距镜头的工业定焦相机，存在图像模糊散焦、遮挡盲区现象，特征点匹配过程复杂。在测距算法执行中需要复杂的特征点匹配过程以及在控制操作中需要高精度的双目协作一系列问题。测距范围有限，只能在两相机公共图像部分测距。影像经镜头折射后存在畸变，严重影响测距精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种伺服随动机器视觉装置，该装置能达到不需要复杂的特征点匹配过程即能快速跟踪、高精度测距的目的。同时本发明还提供一种动态跟踪测距方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，一种伺服随动机器视觉装置，包括视觉系统、伺服驱动系统以及上位机任务控制系统，所述视觉系统由两套摄像机及与摄像机匹配连接的镜头、图像处理板卡与软件组成，所述伺服驱动系统由两套伺服电机和两旋转编码器及两台减速器、伺服控制器及支架组成，所述摄像机与减速器输出轴连接，所述上位机任务控制系统接收处理视觉系统与伺服驱动系统的信息并指令伺服驱动系统带动视觉系统的摄像机和镜头一起随动转动。

进一步，所述两台摄像机的光轴在一个平面内，摄像机的光轴与减速器输出轴的转轴轴线垂直，两台减速器输出轴的转轴轴线平行且相距一定的距离，连接两台减速器输出轴的转轴轴线且平行于光轴平面的直线为测量基线。

进一步，所述摄像机的光轴绕减速器输出轴的转轴轴线±360°转动。

进一步，所述镜头为可变焦镜头。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，一种伺服随动机器视觉装置动态跟踪测距方法，通过伺服驱动转动摄像机使目标趋近摄像机光轴，通过旋转编码器测量光轴与基线的夹角，经过简单的三角几何运算即可得到目标相对基线的距离和位置，通过镜头变焦提高测量精度。

进一步，所述图像处理板卡及软件自动识别目标及位置，并输出光轴与目标的位置差到上位机任务控制系统；所述旋转编码器输出光轴与基线的夹角到上位机任务控制系统。

进一步，所述基线为两台摄像机转轴连接线，光轴旋转时与基线形成的夹角为测距计算的角度。

进一步，所述上位机任务控制系统的功能可合并到所述视觉系统或所述伺服驱动系统。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、对于运到目标，伺服随动机器视觉装置可以连续跟踪并连续输出目标距离。

2、伺服随动机器视觉装置可360°跟踪目标，在两相机互不遮挡的范围内均可快速输出目标距离。

3、存在两相机相互遮挡时，伺服随动机器视觉装置依然可360°跟踪目标。

4、采用光轴与目标趋近控制，不需要复杂的特征点匹配过程，光学镜头的畸变影响减到最低。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为现有双目测距技术原理示意图；

图2为本发明一种伺服随动机器视觉装置原理示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图2所示，本发明提供一种伺服随动机器视觉装置包括视觉系统、伺服驱动系统以及上位机任务控制系统，视觉系统由镜头、摄像机、图像处理板卡与软件等组成，伺服驱动系统由支架、减速器、伺服电机、旋转编码器及伺服控制器等组成，上位机任务控制系统接收处理视觉系统与伺服驱动系统的信息并指令伺服驱动系统带动视觉系统的镜头随动转动。视觉系统为相互独立转动的双目视觉系统，摄像机转动的轴线与摄像机的光轴垂直，两台摄像机的转轴相距一定的距离且平行，摄像机与光轴可以±360°转动，镜头可通过变焦获得更高的测量精度。所述两台摄像机的光轴在一个平面内，摄像机的光轴与减速器输出轴的转轴轴线垂直，两台减速器输出轴的转轴轴线平行且相距一定的距离，连接两台减速器输出轴的转轴轴线且平行于光轴平面的直线为测量基线。

基于伺服随动机器视觉装置的动态跟踪测距的方法，是采用伺服电机带动相机随动旋转，使测距目标始终与相机光轴对齐，通过与相机相连的旋转编码器输出相机与测量基线的夹角，按三角函数的方法计算出目标距离。图像处理板卡及软件可以自动识别目标及位置，并输出光轴与目标的位置差到上位机任务控制系统；旋转编码器输出光轴与基线的夹角到上位机任务控制系统，基线为两台摄像机转轴连接线，光轴旋转时与基线形成的夹角为测距计算的角度。

本发明的实施例取得了如下效果：

1)与现有双目视觉系统技术相比，本实施例的摄像机镜头可以随意光学调焦，放大、清晰目标图像，提高跟踪测距精度；

2)与现有机器视觉系统技术相比，本实施例的摄像机可以360°独立旋转，获得更大的视觉空间，避免视觉遮挡。

3)与现有固定式机器视觉系统技术相比，本实施例可以在360°范围内随动跟踪目标，避免目标溢出像面；

4)与现有双目视觉系统技术相比，本实施例的双目摄像机可以分别单独随动跟踪不同目标，应用于工业机器人时可以实现更灵活的机器视觉引导。

5)与现有机器视觉系统技术相比，本实施例采用光轴与目标趋近控制，不需要复杂的特征点匹配过程。

上位机任务控制系统的功能可以合并到所述视觉系统或所述伺服驱动系统。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种伺服随动机器视觉装置，包括视觉系统、伺服驱动系统以及上位机任务控制系统，其特征在于：所述视觉系统由两套摄像机及与摄像机匹配连接的镜头、图像处理板卡与软件组成，所述伺服驱动系统由两套伺服电机和两旋转编码器及两台减速器、伺服控制器及支架组成，所述摄像机与减速器输出轴连接，所述上位机任务控制系统接收处理视觉系统与伺服驱动系统的信息并指令伺服驱动系统带动视觉系统的摄像机和镜头一起随动转动。

2.根据权利要求1所述的一种伺服随动机器视觉装置，其特征在于：所述两台摄像机的光轴在一个平面内，摄像机的光轴与减速器输出轴的转轴轴线垂直，两台减速器输出轴的转轴轴线平行且相距一定的距离，连接两台减速器输出轴的转轴轴线且平行于光轴平面的直线为测量基线。

3.根据权利要求1所述的一种伺服随动机器视觉装置，其特征在于：所述摄像机与光轴绕减速器输出轴的转轴轴线±360°转动。

4.根据权利要求1所述的一种伺服随动机器视觉装置，其特征在于：所述镜头为可变焦镜头。

5.一种伺服随动机器视觉装置动态跟踪测距方法，其特征在于：通过伺服驱动转动摄像机使目标趋近摄像机光轴，通过旋转编码器测量光轴与基线的夹角，经过简单的三角几何运算即可得到目标相对基线的距离和位置，通过镜头变焦提高测量精度。

6.根据权利要求5所述的一种伺服随动机器视觉装置动态跟踪测距方法，其特征在于：所述图像处理板卡及软件自动识别目标及位置，并输出光轴与目标的位置差到上位机任务控制系统；所述旋转编码器输出光轴与基线的夹角到上位机任务控制系统。

7.根据权利要求5所述的一种伺服随动机器视觉装置动态跟踪测距方法，其特征在于：所述基线为两台摄像机转轴连接线，光轴旋转时与基线形成的夹角为测距计算的角度。

8.根据权利要求5所述的一种伺服随动机器视觉装置动态跟踪测距方法，其特征在于：所述上位机任务控制系统的功能可合并到所述视觉系统或所述伺服驱动系统。