CN107515012A - 基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准装置，包括单轴旋转机构，标志点粘贴在单轴旋转机构的旋转平面上，旋转机构控制柜通过电缆与单轴旋转机构连接，视觉测量系统安装在三脚架上，且视觉测量系统与单轴旋转机构通过同步触发线连接。视觉测量系统包括左右两台相机，左右两台相机的公共视场能覆盖单轴旋转机构的旋转平面。

Description

基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准装置及方法

技术领域

本发明属于视觉测量领域，具体涉及一种基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准装置及方法。

背景技术

随着航空航天领域的迅速发展，视觉测量系统以其高精度、快速、非接触等优势在相关领域中得到了广泛的应用，已被成功应用于空间物体三维位姿测量、大尺寸工业测量、目标识别等领域，例如飞行器动态位姿测量，助推级分离姿态测量等。视觉测量系统可以实时跟踪物体的运动过程，是一种动态的测量设备。目前关于动态视觉测量系统校准的相关研究较少，大部分的研究主要集中在静态条件下视觉系统的校准问题，以设备静态特性代替动态准确度是不可取的。现有研究则采用三轴转台和模拟件实现对动态视觉系统的校准，但三轴转台自身负载较大，且整轴回转存在遮挡，并不能为动态视觉系统校准提供较好的数据参考。

单轴高精度旋转机构作为一种高精准的动态测试平台，被广泛应用于惯性器件、测试系统等的动态性能校准，单轴旋转机构较之于三轴转台而言，其自身负载较小，可以实现高速旋转，且整轴回转不存在遮挡，对视觉系统而言，可以实现全视场测量。基于上述分析，本发明采用基于单轴高速旋转机构实现对动态视觉测量系统的校准，可满足动态视觉测量领域的计量校准需求。。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准装置及方法，解决动态视觉测量系统的校准问题。单轴高速旋转机构以一定的角速率w₀进行转动，同时建立相机坐标系o-xyz与旋转机构坐标系o′-x′y′z′之间的对应关系，并精确同步控制视觉测量系统与单轴高速旋转机构，用于校准动态视觉测量系统。

本发明的技术方案如下：一种基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准装置，包括单轴旋转机构，标志点粘贴在单轴旋转机构的旋转平面上，旋转机构控制柜通过电缆与单轴旋转机构连接，视觉测量系统安装在三脚架上，且视觉测量系统与单轴旋转机构通过同步触发线连接。

视觉测量系统包括左右两台相机，左右两台相机的公共视场能覆盖单轴旋转机构的旋转平面。

一种基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准装置的方法，包括以下步骤：

S1：单轴旋转机构内部测角器件的输出信号通过同步触发线传递给视觉测量系统的两台相机，作为视觉测量系统的同步信号；

S2：建立视觉测量系统坐标系o-xyz与单轴旋转机构坐标系o′-x′y′z′之间的关系；

S2.1：建立单轴旋转机构坐标系o′-x′y′z′，已知由视觉测量系统可解算出标志点在整周回转过程中不同旋转位置的坐标值，可得单轴旋转机构的中心轴线，此轴线作为单轴旋转机构坐标系的z′轴；再由z′轴与单轴旋转机构3的旋转平面的交点作为单轴旋转机构中心点，单轴旋转机构中心点与标志点初始位置质心的连线作为x′轴；y′轴则由右手法则确定，由此建立起旋转机构坐标系o′-x′y′z′，在此坐标系下可测得标志点的三维坐标p′＝(x′,y′,z′)^T；

S2.2：在视觉测量系统中，以左相机坐标系作为视觉测量系统坐标系o-xyz，通过位姿解算可得标志点在视觉测量系统坐标系下的三维坐标p＝(x,y,z)^T；

S2.3：分别获得标志点多个转动位置处，在视觉测量系统坐标系o-xyz与单轴旋转机构坐标系o′-x′y′z′两坐标系下的空间三维坐标值；再通过两坐标系之间变换公式(1)，可解算得到视觉测量系统坐标系o-xyz相对与单轴旋转机构3坐标系o′-x′y′z′间的旋转矩阵R和平移矩阵t，其变换公式如下：

p′＝Rp+t (1)

设标志点在视觉测量系统坐标系o-xyz与单轴旋转机构坐标系o′-x′y′z′两坐标系下的齐次坐标为P′＝(x′,y′,z′,1)^T与P＝(x,y,z,1)^T，可得：

式中，R为3×3正交单位矩阵，t为三维平移向量，0＝(0，0，0)^T，M_lr为4×4矩阵；

S2.4：通过刚体位姿解算算法，解得旋转矩阵R和平移矩阵t；

S3：为了保证数据采集的高度同步，事先对视觉测量系统5的相机快门延时进行测量，在视觉测量系统的同步信号中进行相应的超前补偿；

S4：单轴旋转机构按角速率w₁转动，并触发视觉测量系统采集图像信息，单轴旋转机构记录标志点的旋转角度值θ₀，视觉测量系统记录标志点的旋转角度值θ₁；

S5：得到视觉测量系统的动态测量误差δ，δ＝θ₁-θ₀；

S6：不断增加单轴旋转机构的角速率，直到超出某一极限角速率w₀时，视觉测量系统同步采集图像会出现拖影严重，无法辨识，此极限角速率w₀下即是视觉系统最大动态测量能力。

所述S2.3中，分别获得不少于4个标志点转动位置处，在视觉测量系统坐标系o-xyz与单轴旋转机构3坐标系o′-x′y′z′两坐标系下的空间三维坐标值。

还包括S7：使单轴旋转机构分别在多个均匀分布且小于95％的w₀的角速率下转动，分别得到相应的动态测量误差；并得到相应的动态测量误差的重复性，以标准偏差σ表达。

使单轴旋转机构分别在不少于五个均匀分布且小于95％的w₀的角速率下转动。

本发明的显著效果在于：在不同转动角速率w下，通过视觉系统的角度测量值测量误差δ及测量数据重复性，作为校准动态视觉测量系统的两项技术指标，给视觉测量系统的动态性能研究提供测量数据，可为视觉系统设计分析提供依据。

附图说明

图1为本发明所述的基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准装置示意图；

图中：1旋转机构控制柜、2标志点、3单轴旋转机构、5视觉测量系统、三脚架6；

具体实施方式

基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准装置及方法，包括单轴旋转机构3，标志点2粘贴在单轴旋转机构3的旋转平面上，旋转机构控制柜1通过电缆与单轴旋转机构3连接，视觉测量系统5包括左右两台相机，左右两台相机的公共视场能覆盖单轴旋转机构3的旋转平面，视觉测量系统5安装在三脚架6上，且视觉测量系统5与单轴旋转机构3通过同步触发线连接；

一种基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准方法

S1：单轴旋转机构3内部测角器件的输出信号通过同步触发线传递给视觉测量系统5的两台相机，作为视觉测量系统5的同步信号；

S2：建立视觉测量系统5坐标系o-xyz与单轴旋转机构3坐标系o′-x′y′z′之间的关系；

S2.1：建立单轴旋转机构3坐标系o′-x′y′z′，已知由视觉测量系统5可解算出标志点2在整周回转过程中不同旋转位置的坐标值，可得单轴旋转机构3的中心轴线，此轴线作为单轴旋转机构3坐标系的z′轴；再由z′轴与单轴旋转机构3的旋转平面的交点作为单轴旋转机构3中心点，单轴旋转机构3中心点与标志点2初始位置质心的连线作为x′轴；y′轴则由右手法则确定，由此建立起旋转机构坐标系o′-x′y′z′，在此坐标系下可测得标志点的三维坐标p′＝(x′,y′,z′)^T；

S2.2：在视觉测量系统5中，以左相机坐标系作为视觉测量系统5坐标系o-xyz，通过位姿解算可得标志点2在视觉测量系统5坐标系下的三维坐标p＝(x,y,z)^T；

S2.3：分别获得标志点多个转动位置处(不少于4个位置)，在视觉测量系统5坐标系o-xyz与单轴旋转机构3坐标系o′-x′y′z′两坐标系下的空间三维坐标值；再通过两坐标系之间变换公式(1)，可解算得到视觉测量系统5坐标系o-xyz相对与单轴旋转机构3坐标系o′-x′y′z′间的旋转矩阵R和平移矩阵t，其变换公式如下：

p′＝Rp+t (1)

设标志点2在视觉测量系统5坐标系o-xyz与单轴旋转机构3坐标系o′-x′y′z′两坐标系下的齐次坐标为P′＝(x′,y′,z′,1)^T与P＝(x,y,z,1)^T，可得：

式中，R为3×3正交单位矩阵，t为三维平移向量，0＝(0，0，0)^T，M_lr为4×4矩阵；

S2.4：通过刚体位姿解算算法，解得旋转矩阵R和平移矩阵t；

S3：为了保证数据采集的高度同步，事先对视觉测量系统5的相机快门延时进行测量，在视觉测量系统5的同步信号中进行相应的超前补偿；

S4：单轴旋转机构3按角速率w₁转动，并触发视觉测量系统5采集图像信息，单轴旋转机构3记录标志点2的旋转角度值θ₀，视觉测量系统5记录标志点2的旋转角度值θ₁；

S5：得到视觉测量系统5的动态测量误差δ，δ＝θ₁-θ₀；

S6：不断增加单轴旋转机构3的角速率，直到超出某一极限角速率w₀时，视觉测量系统5同步采集图像会出现拖影严重，无法辨识，此极限角速率w₀下即是视觉系统最大动态测量能力；

S7：使单轴旋转机构3分别在不少于五个均匀分布且小于95％的w₀的角速率下转动，分别得到相应的动态测量误差；并得到相应的动态测量误差的重复性，以标准偏差σ表达。

Claims (6)

1.一种基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准装置，其特征在于：包括单轴旋转机构(3)，标志点(2)粘贴在单轴旋转机构(3)的旋转平面上，旋转机构控制柜(1)通过电缆与单轴旋转机构(3)连接，视觉测量系统(5)安装在三脚架(6)上，且视觉测量系统(5)与单轴旋转机构(3)通过同步触发线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准装置，其特征在于：视觉测量系统(5)包括左右两台相机，左右两台相机的公共视场能覆盖单轴旋转机构(3)的旋转平面。

3.一种应用如权利要求2所述的一种基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：单轴旋转机构(3)内部测角器件的输出信号通过同步触发线传递给视觉测量系统(5)的两台相机，作为视觉测量系统(5)的同步信号；

S2：建立视觉测量系统(5)坐标系o-xyz与单轴旋转机构(3)坐标系o′-x′y′z′之间的关系；

S2.1：建立单轴旋转机构(3)坐标系o′-x′y′z′，已知由视觉测量系统(5)可解算出标志点(2)在整周回转过程中不同旋转位置的坐标值，可得单轴旋转机构(3)的中心轴线，此轴线作为单轴旋转机构(3)坐标系的z′轴；再由z′轴与单轴旋转机构(3)的旋转平面的交点作为单轴旋转机构(3)中心点，单轴旋转机构(3)中心点与标志点(2)初始位置质心的连线作为x′轴；y′轴则由右手法则确定，由此建立起旋转机构坐标系o′-x′y′z′，在此坐标系下可测得标志点的三维坐标p′＝(x′,y′,z′)^T；

S2.2：在视觉测量系统(5)中，以左相机坐标系作为视觉测量系统(5)坐标系o-xyz，通过位姿解算可得标志点(2)在视觉测量系统(5)坐标系下的三维坐标p＝(x,y,z)^T；

S2.3：分别获得标志点(2)多个转动位置处，在视觉测量系统(5)坐标系o-xyz与单轴旋转机构(3)坐标系o′-x′y′z′两坐标系下的空间三维坐标值；再通过两坐标系之间变换公式(1)，可解算得到视觉测量系统(5)坐标系o-xyz相对与单轴旋转机构(3)坐标系o′-x′y′z′间的旋转矩阵R和平移矩阵t，其变换公式如下：

p′＝Rp+t (1)

设标志点(2)在视觉测量系统(5)坐标系o-xyz与单轴旋转机构(3)坐标系o′-x′y′z′两坐标系下的齐次坐标为P′＝(x′,y′,z′,1)^T与P＝(x,y,z,1)^T，可得：

<mrow> <msup> <mi>P</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>=</mo> <msub> <mi>M</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>R</mi> </mtd> <mtd> <mi>t</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msup> <mn>0</mn> <mi>T</mi> </msup> </mtd> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mi>P</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，R为3×3正交单位矩阵，t为三维平移向量，0＝(0，0，0)^T，M_lr为4×4矩阵；

S2.4：通过刚体位姿解算算法，解得旋转矩阵R和平移矩阵t；

S3：为了保证数据采集的高度同步，事先对视觉测量系统(5)的相机快门延时进行测量，在视觉测量系统(5)的同步信号中进行相应的超前补偿；

S4：单轴旋转机构(3)按角速率w₁转动，并触发视觉测量系统(5)采集图像信息，单轴旋转机构(3)记录标志点(2)的旋转角度值θ₀，视觉测量系统(5)记录标志点(2)的旋转角度值θ₁；

S5：得到视觉测量系统(5)的动态测量误差δ，δ＝θ₁-θ₀；

S6：不断增加单轴旋转机构(3)的角速率，直到超出某一极限角速率w₀时，视觉测量系统(5)同步采集图像会出现拖影严重，无法辨识，此极限角速率w₀下即是视觉系统最大动态测量能力。

4.根据权利要求3所述的一种基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准方法，其特征在于：所述S2.3中，分别获得不少于4个标志点转动位置处，在视觉测量系统(5)坐标系o-xyz与单轴旋转机构(3)坐标系o′-x′y′z′两坐标系下的空间三维坐标值。

5.根据权利要求3所述的一种基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准方法，其特征在于：还包括S7：使单轴旋转机构(3)分别在多个均匀分布且小于95％的w₀的角速率下转动，分别得到相应的动态测量误差；并得到相应的动态测量误差的重复性，以标准偏差σ表达。

6.根据权利要求5所述的一种基于单轴旋转机构的动态视觉测量系统校准方法，其特征在于：使单轴旋转机构(3)分别在不少于五个均匀分布且小于95％的w₀的角速率下转动。