CN107014338A - 一种基于高速相机的构件姿态测量方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于高速相机的构件姿态测量方法，涉及构件姿态测定技术领域，所述姿态测定方法包括：拍摄前在构件上粘贴标记点；在构件上建立两个坐标系，其中一个为固定的全局坐标系，另一个为随构件运动而运动的局部坐标系；构件开始运动，利用两台高速相机拍摄贴有标记点的构件，得到贴有标记点的构件运动图像；对拍摄的贴有标记点的构件运动图像进行处理，得到标记点在全局坐标系下的3D坐标。本发明还公开一种基于高速相机的构件姿态测量方法的应用。本发明用以计算出构件的欧拉角和其质心空间3D全局坐标。

Description

一种基于高速相机的构件姿态测量方法及其应用

技术领域

本发明涉及构件姿态测定技术领域，具体涉及一种基于高速相机的构件姿态测量方法及其应用。

背景技术

随着生产和科学的不断发展，在机械制造、航空、航天、国防、建筑等部门中，姿态角是需要确定的重要物理量。根据不同的测量精度、测量范围及自动化程度等的要求，涌现了诸多的测角方法，如机械测量、电磁测量、光学测量。

光电测量等在诸多测角方法中，以圆光栅法和环形激光法为代表的光学测角方法虽然精度较高，但对硬件条件要求苛刻，且只限于一维角度测量。

机械式和电磁式测角技术，大多为手工测量，不容易实现自动化，测量精度受到限制。

集成度高、体积小、重量轻的MEMS传感器是完成微型姿态测量系统的最佳选择，但同时这类传感器还有着固有的缺陷：MEMS陀螺的漂移比较大，虽然短期动态特性好，但长期的累积误差非常大，不适用于长时间的姿态确定。

发明内容

本发明的其中一个目的在于提供一种基于高速相机的构件姿态测量方法，用以计算出构件的欧拉角和其质心空间3D全局坐标。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于高速相机的构件姿态测量方法，所述姿态测定方法包括：

拍摄前在构件上粘贴标记点；标记点要求不发光、不发热和无辐射。

在构件上建立两个坐标系，其中一个为固定的全局坐标系，另一个为随构件运动而运动的局部坐标系；

构件开始运动，利用两台高速相机拍摄贴有标记点的构件，得到贴有标记点的构件运动图像；两台高速相机的目的是：一台相机只能拍摄平面2D图像，两台相机可以拍摄空间三维立体图像。

对拍摄的贴有标记点的构件运动图像进行处理，得到标记点在全局坐标系下的3D坐标；

通过对构件实际测量得到标记点在局部坐标系下的3D坐标；实际测量的方法是：用尺子测量标记点在x、y、z轴三个方向分别到局部坐标系原点的距离。

根据标记点在不同坐标系下的坐标转换关系，求解得到构件的欧拉角和构件的质心位置。

在可选的实施例中，两台高速相机均采用微距镜头，所述构件的标记点处于高速相机拍摄窗口的中部位置，两台高速相机的拍摄频率相等。

在可选的实施例中，采用TEMA图像分析软件对拍摄的贴有标记点的构件运动图像进行处理，得到标记点在全局坐标系下的3D坐标。

在可选的实施例中，测量全局坐标系中标记点之间的实际距离输入到TEMA图像分析软件，保证拍摄图像与实际大小比例为1:1。

在可选的实施例中，两台高速相机安装有触发器，保证两台高速相机同时拍摄。

在可选的实施例中，所述构件为平地机，所述平地机包括平地铲安装台、水平油缸、平地铲和平地机安装台架，所述平地铲安装台安装在平地机安装台架上，所述平地铲安装在平地铲安装台上，所述水平油缸一端与平地铲安装台连接，另一端与平地铲连接；标记点总共有五个，分别是标记点A、标记点B、标记点C、标记点O和标记点D；其中标记点A和标记点B粘贴在平地铲上，标记点A和标记点B不重合；标记点C、标记点O和标记点D粘贴在平地机安装台架上，标记点C、标记点O和标记点D构成的∠COD等于90°，所述标记点O为全局坐标系的原点，所述标记点O和标记点D确定全局坐标系的X轴，所述标记点O和C确定全局坐标系的Z轴，穿过标记点O并且与XOZ面垂直的直线确定全局坐标系的Y轴。

在可选的实施例中，计算构件质心位置和旋转矩阵方法如下：

在空间上任一点在全局坐标系下坐标为(x_i,y_i,z_i)，在局部坐标系下坐标为(x_i′,y_i′,z_i′)，设局部坐标系的原点O’坐标为(x₀,y₀,z₀)，任一点在全局坐标系和局部坐标系中转换关系如下，A为局部坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵：

其中矩阵A满足如下关系式：

根据公式(1)、(2)中未知量和约束条件关系，代入构件上两个标记点的局部坐标系和全局坐标系的坐标，得出旋转矩阵A和构件质心位置(x₀,y₀,z₀)。

在可选的实施例中，计算构件欧拉角方法如下：

由旋转矩阵A求解ZYX型欧拉角(α,β,γ)为：

在cosβ≠0时，得到各欧拉角的计算式如下：

若β＝±90°,cosβ＝0，α＝0°，此时，

若β＝90°，则：

若β＝-90°，则：

本发明的另一目的在于提供一种基于高速相机的构件姿态测量方法的应用。

一种采用前面所述的高速相机的构件姿态测量方法的应用，将基于高速相机的构件姿态测量方法应用在平地机上。

本发明的原理是：本发明为一种物理点三维坐标测量刚体姿态角的方法及在平地机平地铲的应用。建立以平地机安装台架位置为原点的全局坐标系，构件质心为原点局部坐标系，采用TEMA图像分析软件对视频进行处理，得到标记点在全局坐标系下3D坐标，通过测量得到标记点在局部坐标系下的3D坐标，根据点在不同坐标系下坐标转换关系，求解得到构件欧拉角和其质心空间3D全局坐标。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

1.本发明解决刚体空间运动位置及姿态测量困难的问题。

2.本发明的测量对硬件条件要求低，操作简单。

3.本发明采用TEMA图像分析软件和高速相机进行辅助测量，测量精度高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的平地机姿态测量结构的示意图。

图2为本发明实施例提供的平地机姿态测量结构全局坐标系和局部坐标系位置的示意图。

图3为本发明实施例提供的平地机姿态测量结构确定全局坐标系的位置示意图。

图4为本发明实施例提供的平地机姿态测量结构确定局部坐标系的位置示意图。

图5为本发明实施例提供的标记点形状示意图。

附图标记：

1、高速相机；2、平地铲安装台；3、水平油缸；4、平地铲；5、平地机安装台架。

具体实施方式

下面结合图1-5对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

参见图1-5所示，平地机包括平地铲安装台2、水平油缸3、平地铲4和平地机安装台架5，平地铲安装台2安装在平地机安装台架5上，平地铲4安装在平地铲安装台2上，水平油缸3一端与平地铲安装台2连接，另一端与平地铲4连接；平地机通过水平油缸3伸缩带动平地铲4转动。该平地机为1PJ-3.0型水田激光平地机。

本发明实施例提供一种基于高速相机的构件姿态测量方法。其中，所述姿态测定方法包括：

S100、拍摄前在平地机上粘贴标记点；标记点要求不发光、不发热和无辐射。

标记点总共有五个，分别是标记点A、标记点B、标记点C、标记点O和标记点D。其中标记点A和标记点B粘贴在平地铲4上，标记点A和标记点B不重合；标记点C、标记点O和标记点D粘贴在平地机安装台架5上，标记点C、标记点O和标记点D构成的∠COD等于90°。

S200、在平地机上建立两个坐标系，其中一个为平地机安装台架5位置为原点的固定的全局坐标系，另一个为以平地铲4质心为原点的随平地铲4运动而运动的局部坐标系。

所述标记点O为全局坐标系的原点，所述标记点O和标记点D确定全局坐标系的X轴，所述标记点O和C确定全局坐标系的Z轴，穿过标记点O并且与XOZ面垂直的直线确定全局坐标系的Y轴。

平地铲4的长度方向为局部坐标系的X轴，局部坐标系的Y轴方向与全局坐标系的Y轴方向相同，局部坐标系的Z轴方向为穿过标记点O并且与XOY面垂直的方向。

S300、平地机上的平地铲4开始转动，利用两台高速相机1拍摄贴有标记点的平地铲4，得到贴有标记点的平地铲4运动图像。

两台高速相机1均采用微距镜头，平地铲4上的标记点A和标记点B分别处于两台高速相机1拍摄窗口的中部位置，两台高速相机1的拍摄频率相等。

两台高速相机1安装有触发器，保证两台高速相机1同时拍摄。

S400、对拍摄的贴有标记点的平地铲4运动图像进行处理，得到标记点A和标记点B在全局坐标系下的3D坐标分别是(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)。

采用TEMA图像分析软件对拍摄的贴有标记点的平地铲4运动图像进行处理，得到标记点在全局坐标系下的3D坐标。TEMA由瑞典Image Systems公司生产的世界顶级专业运动图像分析软件，能导入两台以上同步拍摄同场景不同相机角度的图像，使用“双瞳”算法分析目标体三维空间数据，输出跟踪点三维空间位移与时间数据，支持三维坐标原点任意设定分析计算无限目标点的距离、速度、加速度和角度，多种数据图表显示方式。

测量全局坐标系中标记点之间的实际距离输入到TEMA图像分析软件，保证拍摄图像与实际大小比例为1:1。

S500、通过对平地铲4实际测量得到标记点A和标记点B在局部坐标系下的3D坐标分别是(x₁′,y₁′,z₁′)、(x₂′,y₂′,z₂′)。

S600、根据标记点在不同坐标系下的坐标转换关系，求解得到平地铲4的欧拉角和平地铲4的质心位置。

计算平地铲4质心位置和旋转矩阵方法如下：

设局部坐标系的原点O’坐标为(x₀,y₀,z₀)，标记点A和标记点B在全局坐标系和局部坐标系中转换关系如下，A为局部坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵：

其中矩阵A满足如下关系式：

得出旋转矩阵A和构件质心位置(x₀,y₀,z₀)。

在可选的实施例中，计算构件欧拉角方法如下：

由旋转矩阵A求解ZYX型欧拉角(α,β,γ)为：

在cosβ≠0时，得到各欧拉角的计算式如下：

若β＝±90°,cosβ＝0，α＝0°，此时，

若β＝90°，则：

若β＝-90°，则：

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于高速相机的构件姿态测量方法，其特征在于，所述姿态测量方法包括：

拍摄前在构件上粘贴标记点；

在构件上建立两个坐标系，其中一个为固定的全局坐标系，另一个为随构件运动而运动的局部坐标系；

构件开始运动，利用两台高速相机拍摄贴有标记点的构件，得到贴有标记点的构件运动图像；

对拍摄的贴有标记点的构件运动图像进行处理，得到标记点在全局坐标系下的3D坐标；

通过对构件实际测量得到标记点在局部坐标系下的3D坐标；

根据标记点在不同坐标系下的坐标转换关系，求解得到构件的欧拉角和构件的质心位置。

2.根据权利要求1所述的基于高速相机的构件姿态测量方法，其特征在于，两台高速相机均采用微距镜头，所述构件的标记点处于高速相机拍摄窗口的中部位置，两台高速相机的拍摄频率相等。

3.根据权利要求1所述的基于高速相机的构件姿态测量方法，其特征在于，采用TEMA图像分析软件对拍摄的贴有标记点的构件运动图像进行处理，得到标记点在全局坐标系下的3D坐标。

4.根据权利要求3所述的基于高速相机的构件姿态测量方法，其特征在于，测量全局坐标系中标记点之间的实际距离输入到TEMA图像分析软件，保证拍摄图像与实际大小比例为1:1。

5.根据权利要求1所述的基于高速相机的构件姿态测量方法，其特征在于，两台高速相机安装有触发器，保证两台高速相机同时拍摄。

6.根据权利要求1所述的基于高速相机的构件姿态测量方法，其特征在于，所述构件为平地机，所述平地机包括平地铲安装台、水平油缸、平地铲和平地机安装台架，所述平地铲安装台安装在平地机安装台架上，所述平地铲安装在平地铲安装台上，所述水平油缸一端与平地铲安装台连接，另一端与平地铲连接；标记点总共有五个，分别是标记点A、标记点B、标记点C、标记点O和标记点D；其中标记点A和标记点B粘贴在平地铲上，标记点A和标记点B不重合；标记点C、标记点O和标记点D粘贴在平地机安装台架上，标记点C、标记点O和标记点D构成的∠COD等于90°，所述标记点O为全局坐标系的原点，所述标记点O和标记点D确定全局坐标系的X轴，所述标记点O和C确定全局坐标系的Z轴，穿过标记点O并且与XOZ面垂直的直线确定全局坐标系的Y轴。

7.根据权利要求6所述的基于高速相机的构件姿态测量方法，其特征在于，计算构件质心位置和旋转矩阵方法如下：

在空间上任一点在全局坐标系下坐标为(x_i,y_i,z_i)，在局部坐标系下坐标为(x_i′,y_i′,z_i′)，设局部坐标系的原点O’坐标为(x₀,y₀,z₀)，任一点在全局坐标系和局部坐标系中转换关系如下，A为局部坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵：

其中矩阵A满足如下关系式：

根据公式(1)、(2)中未知量和约束条件关系，代入构件上两个标记点的局部坐标系和全局坐标系的坐标，得出旋转矩阵A和构件质心位置(x₀,y₀,z₀)。

8.根据权利要求7所述的基于高速相机的构件姿态测量方法，其特征在于，计算构件欧拉角方法如下：

由旋转矩阵A求解ZYX型欧拉角(α,β,γ)为：

在cosβ≠0时，得到各欧拉角的计算式如下：

若β＝±90°,cosβ＝0，α＝0°，此时，

若β＝90°，则：

若β＝-90°，则：

9.一种采用权利要求1至7任一项所述的基于高速相机的构件姿态测量方法的应用，其特征在于，将基于高速相机的构件姿态测量方法应用在平地机上。