CN108980539B - 多自由度运动拍摄平台装置及空间点坐标测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度运动拍摄平台装置及空间点坐标测量方法，所述装置包括上下伸缩机构、前后移动机构、左右移动机构和二轴云台，所述二轴云台设置在左右移动机构上，用于安装相机并控制相机绕航向轴和俯仰轴转动，所述前后移动机构设置在上下伸缩机构上，所述左右移动机构设置在前后移动机构上，所述上下伸缩机构用于调节前后移动机构的高度，所述前后移动机构用于控制左右移动机构前后移动，所述左右移动机构用于控制二轴云台左右移动。本发明集标定及测量于一体，操作方便且省事省力，有效的提高了测量效率及安全性。

Description

多自由度运动拍摄平台装置及空间点坐标测量方法

技术领域

本发明涉及一种拍摄平台装置，尤其是多自由度运动拍摄平台装置及空间点坐标测量方法，属于机器视觉测量领域。

背景技术

目前使用单台或多台相机可实现空间点坐标测量，相机一般都装在三脚架上，在标定和测量的时候，对于单台相机，我们要多次移动相机来实现目标的多视图采集，对于多台相机，我们要移动各个相机使得各自采集的图像包括所有目标点，这样不便于我们操作，也降低了作业效率，此外，三脚架也不够稳定，若不小心被触碰到，会造成相机的毁坏。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种多自由度运动拍摄平台装置，该平台装置集标定及测量于一体，操作方便且省事省力，有效的提高了测量效率及安全性。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述平台装置的空间点坐标测量方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

多自由度运动拍摄平台装置，所述装置包括上下伸缩机构、前后移动机构、左右移动机构和二轴云台，所述二轴云台设置在左右移动机构上，用于安装相机并控制相机绕俯仰轴和航向轴转动，所述前后移动机构设置在上下伸缩机构上，所述左右移动机构设置在前后移动机构上，所述上下伸缩机构用于调节前后移动机构的高度，所述前后移动机构用于控制左右移动机构前后移动，所述左右移动机构用于控制二轴云台左右移动。

进一步的，所述装置还包括底座，所述上下伸缩机构设置在底座上。

进一步的，所述底座包括工字型结构梁和橡胶垫，所述橡胶垫垂直布置在工字型结构梁的下表面，使整个平台装置稳定地与地面接触，所述上下伸缩机构的下端垂直固定在工字型结构梁上表面。

进一步的，所述上下伸缩机构包括下伸缩管、固定管夹、上支撑管和工字型安装台，所述下伸缩管的上端管身缩入到上支撑管内，所述固定管夹的上管夹锁紧在上支撑管上，固定管夹的下管夹能够以松开和拧紧的方式固定安装在下伸缩管上，所述工字型安装台固定在上支撑管的上端。

进一步的，所述前后移动机构包括第一圆形滑轨、第一滑块和两个固定块，所述固定块设置在上下伸缩机构上，所述第一圆形滑轨的两端分别固定在两个固定块上，所述第一滑块滑动设置在第一圆形滑轨上，所述左右移动机构固定在第一滑块上。

进一步的，所述第一滑块包括第一滑台和第一滚轮，所述第一滚轮安装在第一滑台的下方，所述第一滑台通过第一滚轮滑动设置在第一圆形滑轨上，当第一滚轮沿第一圆形滑轨前后滑动时，第一滚轮绕自身轴线转动，所述左右移动机构固定在第一滑台上。

进一步的，所述左右移动机构包括第二圆形滑轨、第二滑块和两块L形安装板，所述L形安装板设置在前后移动机构上，所述第二圆形滑轨的两端分别固定在两块L形安装板上，所述第二滑块滑动设置在第二圆形滑轨上，所述二轴云台固定在第二滑块上。

进一步的，所述第二滑块包括第二滑台和第二滚轮，所述第二滚轮安装在第二滑台的下方，所述第二滑台通过第二滚轮滑动设置在第二圆形滑轨上，当第二滚轮沿第二圆形滑轨左右滑动时，第二滚轮绕自身轴线转动，所述二轴云台固定在第二滑台上。

进一步的，所述二轴云台包括固定座、航向管夹、航向旋转轴芯、俯仰管夹、俯仰旋转轴芯和安装台，所述固定座设置在左右移动机构上，所述航向旋转轴芯设置在固定座上，并可在固定座上航向旋转，所述航向管夹能够以松开和拧紧的方式固定安装在航向旋转轴芯上，所述俯仰旋转轴芯设置在航向管夹上，并可在航向管夹上俯仰旋转，所述俯仰管夹能够以松开和拧紧的方式固定安装在俯仰旋转轴芯上，所述安装台与俯仰旋转轴芯固定连接，用于安装相机。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述平台装置的空间点坐标测量方法，所述方法包括：

当测量静态点坐标时，采用一台相机，在测量点上粘贴标记点；利用上下伸缩机构调节相机的高度；利用前后移动机构、左右移动机构和二轴云台让相机平移旋转，调整相机到至少两个拍摄位置，采集相机在至少两个拍摄位置拍摄的图像；根据至少两个拍摄位置的图像，求解出空间点的坐标；

当测量动态点坐标时，采用至少两台相机，在需要测量的点上粘贴标记点；利用上下伸缩机构调节至少两台相机的高度；利用前后移动机构、左右移动机构和二轴云台让至少两台相机平移旋转，调整每台相机的拍摄位置，使得至少两台相机同时拍摄标记点的运动过程；根据至少两台相机拍摄的标记点运动过程，求解出标记点每一时刻的空间点坐标，根据标记点各个时刻的空间点坐标绘制出标记点的运动轨迹。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的平台装置整体结构紧凑，并且设置了上下伸缩机构、前后移动机构、左右移动机构和二轴云台，使得相机具备多个自由度可调节功能，可实现相机的实现空间目标点的多视角图像采集，可以根据需要，灵活配置不同功能的相机及数量来实现空间点坐标的静态或动态测量，极大的方便了测量人员的操作，有效的提高了测量效率及测量的安全性。

2、本发明的平台装置还设置了底座，通过底座可以平稳支撑整个平台装置，并且底座的橡胶垫垂直布置在工字型结构梁的下表面，使整个平台装置稳定地与地面接触，减少震动。

附图说明

图1为本发明实施例1的多自由度运动拍摄平台装置结构示意图。

图2为本发明实施例1的实现相机空间移动的各个机构的装配示意图。

图3为图2中A处的放大图。

图4为图2中B处的放大图。

图5为本发明实施例1的相机在二轴云台上的装配示意图。

图6为本发明实施例1的两台相机实现的动态点坐标测量示意图。

图7为本发明实施例2的单相机实现的静态点坐标测量示意图。

其中，1-上下伸缩机构，101-下伸缩管，102-固定管夹，103-上支撑管，104-工字型安装台，2-前后移动机构，201-第一圆形滑轨，202-第一滑块，2021-第一滑台，2022-第一滚轮，203-固定块，3-左右移动机构，301-第二圆形滑轨，302-第二滑块，3021-第二滑台，3022-第二滚轮，303-L形安装板，4-二轴云台，401-固定座，402-航向管夹，403-航向旋转轴芯，404-俯仰管夹，405-俯仰旋转轴芯，406-安装台，407-安装螺丝，5-相机，6-底座，601-工字型结构梁，602-橡胶垫。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种多自由度运动拍摄平台装置，该平台装置包括上下伸缩机构1、前后移动机构2、左右移动机构3和二轴云台4，二轴云台4设置在左右移动机构3上，用于安装相机5并控制相机5绕航向轴和俯仰轴转动，前后移动机构2设置在上下伸缩机构1上，左右移动机构3设置在前后移动机构2上，上下伸缩机构1用于调节前后移动机构的高度，前后移动机构2用于控制左右移动机构3前后移动，左右移动机构3用于控制二轴云台4左右移动。

为了平稳支撑整个平台装置，本实施例的多自由度运动拍摄平台装置还包括底座6，所述底座6包括工字型结构梁601和橡胶垫602，橡胶垫602垂直布置在工字型结构梁601的下表面，使整个平台装置稳定地与地面接触，减少震动。

如图1和图2所示，所述上下伸缩机构1为可伸缩脚架，为了能够稳定调节前后移动机构2的高度，本实施例的上下伸缩机构1为两个，两个上下伸缩机构1左右对称，每个上下伸缩机构1包括下伸缩管101、固定管夹102、上支撑管103和工字型安装台104，下伸缩管101的下端固定在工字型结构梁601的上表面，具体地，下伸缩管101的下端垂直焊接在工字型结构梁601的上表面一端，其中左边的上下伸缩机构1的下伸缩管101下端垂直焊接在工字型结构梁601的上表面左端，右边的上下伸缩机构1的下伸缩管101下端垂直焊接在工字型结构梁601的上表面右端，下伸缩管101的上端管身缩入到上支撑管103内，固定管夹102的上管夹锁紧在上支撑管103上，固定管夹102的下管夹能够以松开和拧紧的方式固定安装在下伸缩管101上，工字型安装台104开有通孔，且固定在上支撑管103的上端，具体地，工字型安装台104焊接安装在上支撑管103的上端；由于相机5安装在二轴云台4上，而二轴云台4设置在左右移动机构3上，左右移动机构3设置在前后移动机构2上，因此调节前后移动机构2的高度，即可调节相机5的高度，在相机5标定及测量需要提升相机5高度的时候，用手拧松固定管夹102上的梅花螺母，然后上提上支撑管103调整好相机5高度后，再用手拧紧梅花螺母锁紧下伸缩管101。

如图1～图3所示，为了使前后移动机构2与上下伸缩机构1对应，本实施例的前后移动机构2为两个，两个前后移动机构2左右对称，每个前后移动机构2包括第一圆形滑轨201、第一滑块202和两个固定块203，每个固定块203的两侧开有通孔，通过螺栓穿过该通孔、工字型安装台104上的通孔，使每个固定块203安装在工字型安装台104上，其中左边的两个固定块203安装在左边的工字型安装台104上，右边的两个固定块203安装在右边的工字型安装台104上，为了能够稳定控制左右移动机构3前后移动，本实施例的第一圆形滑轨201有两根，每个固定块203的中间开有两个非通孔，使两根第一圆形滑轨201的一端插入到该非通孔中，具体地，两根第一圆形滑轨201的一端插入到其中一个固定块203的非通孔中，两根第一圆形滑轨201的另一端插入到另一个固定块203的非通孔中。

进一步地，所述第一滑块202包括第一滑台2021和第一滚轮2022，第一滚轮2022安装在第一滑台2021的下方，并可沿第一圆形滑轨201前后滑动，第一滑台2021通过第一滚轮2022滑动设置在第一圆形滑轨201上，且第一滑台2021上开有两个螺纹孔，当第一滚轮2022沿第一圆形滑轨201前后滑动时，第一滚轮2022绕自身轴线转动。

如图1～图4所示，所述左右移动机构3包括第二圆形滑轨301、第二滑块302和两块L形安装板303，每块L形安装板303的水平段开有两个螺纹通孔，通过螺丝穿过该螺纹通孔、第一滑台2021上的螺纹孔，使每块L形安装板303固定在第一滑台2021上，其中一块L形安装板303固定在左边的第一滑台2021上，另一块L形安装板303固定在右边的第一滑台2021上，为了能够稳定控制二轴云台4左右移动，本实施例的第二圆形滑轨301有两根，L形安装板303的垂直段开有两个非通孔，使两根第二圆形滑轨301的一端插入到该非通孔中，具体地，两根第二圆形滑轨301的一端插入到其中一块L形安装板303的非通孔中，两根第二圆形滑轨301的另一端插入到另一块L形安装板303的非通孔中。

进一步地，所述第二滑块302为两个，每个第二滑块302包括第二滑台3021和第二滚轮3022，第二滚轮3022安装在第二滑台3021的下方，并可沿第二圆形滑轨301左右滑动，第二滑台3021通过第二滚轮3022滑动设置在第二圆形滑轨301上，且第二滑台3021上开有四个螺纹孔，当第二滚轮3022沿第二圆形滑轨301左右滑动时，第二滚轮3022绕自身轴线转动。

通过操作上述的上下伸缩机构1、前后移动机构2和左右移动机构3，可以使相机5在空间中移动。

如图1～图5所示，由于第二滑块302为两个，因此相应地，本实施例的二轴云台4也为两个，每个二轴云台4用于安装一台相机5，其包括固定座401、航向管夹402、航向旋转轴芯403、俯仰管夹404、俯仰旋转轴芯405和安装台406，固定座401上开有四个通孔，通过螺丝穿过该通孔、第二滑台3021上的螺纹孔，使固定座401固定在第二滑台3021上，航向旋转轴芯402设置在固定座上，并可在固定座401上航向旋转，航向管夹402能够以松开和拧紧的方式固定安装在航向旋转轴芯403上，俯仰旋转轴芯405设置在航向管夹402上，并可在航向管夹402上俯仰旋转，俯仰管夹404能够以松开和拧紧的方式固定安装在俯仰旋转轴芯405上，安装台406与俯仰旋转轴芯405固定连接，且安装台406通过安装螺丝407安装一台相机5。

进一步地，俯仰旋转轴芯405与航向管夹402是一体的，在需要调节相机5的航向角时，用手拧松航向管夹402，然后在水平方向上旋转航向旋转轴芯403，再用手拧紧航向管夹402；在需要调节相机5的俯仰角时，用手拧松俯仰管夹404，然后在垂直方向上旋转俯仰旋转轴芯405，再用手拧紧俯仰管夹404。

通过操作上述的前后移动机构2和左右移动机构3移动相机，以及通过二轴云台4转动相机，可以实现空间目标点的多视角图像采集。

如图6所示，为本实施例的两台相机实现的动态点坐标测量示意图，若测量的空间点是运动的，则将两台相机5配置为高速相机，高速相机可以采集时间序列图像，在需要测量的点上粘贴标记点，这样易于后期图像处理软件提取该标记点的像素坐标；利用上下伸缩机构1调节两台相机5的高度；操作人员利用前后移动机构2、左右移动机构3和二轴云台4让两台相机5平移旋转，调整每台相机5的拍摄位置，达到最佳观测位姿，保证标记点的运动范围在两台相机5的视场内，调整两台相机5的分辨率和焦距，设置相同的拍摄速率，然后同步触发使得两台相机5同时拍摄标记点的运动过程，根据两台相机5拍摄的标记点运动过程，在计算标记点的动态坐标时，要对两台相机5进行标定，确定两台相机5的内外参数，假定已经完成两台相机5的标定，则两台相机的m_ij(i,j＝1,2,3,4)已经知道，现在要确定空间点的坐标，空间点的世界坐标与其在像平面坐标有一对应的关系，关系如下：

其中，[u,v，1]^T是空间点对应的齐次像素坐标，[X,Y,Z,1]^T是空间点齐次世界坐标，m_ij(i,j＝1,2,3,4)是与相机内外参数相关的元素,Zc是空间点在相机坐标系Z轴方向的坐标。

该标记点每一时刻的两师徒中的像素坐标可通过图像软件得到，则该标记点每一时刻的空间坐标与该时刻两视图的像素坐标之间的关系表示如下：

消掉上式中的和得到关于(X,Y,Z)的4个线性方程：

再将上式写成矩阵形式如下：

采用最小二乘法即可求解出标记点每一时刻的空间点坐标，根据标记点各个时刻的空间点坐标绘制出标记点的运动轨迹。

本领域技术人员可以理解的是，本实施例的第二滑块302和二轴云台4可以设置三个或以上，以便安装三台或以上的相机5，这样求解出坐标精度会更高。

实施例2：

如图6所示，为本实施例的单相机实现的静态点坐标测量示意图，在对静态点坐标测量的时候，首先要在测量点上粘贴标记点，这样易于后期图像处理软件提取该标记点的像素坐标，然后操作人员利用上下伸缩机构1调节相机5的高度，再利用前后移动机构2、左右移动机构3和二轴云台4让相机5平移旋转，调整相机5到最佳的第一拍摄位置，调整相机5的焦距及图像分辨率，使图像中的标记点清晰可见，采集该第一拍摄位置的图像，接着调整相机5的位姿到第二拍摄位置，继续调整相机5的焦距及图像分辨率，采集该第二拍摄位置的图像，可以知道，空间点的世界坐标与其在像平面坐标有一对应的关系，关系如下：

其中，[u,v，1]^T是空间点对应的齐次像素坐标，[X,Y,Z,1]^T是空间点齐次世界坐标，m_ij(i,j＝1,2,3,4)是与相机内外参数相关的元素,Zc是空间点在相机坐标系Z轴方向的坐标。

用单台相机在两个位置采集目标点图像，每个位置都要先进行相机标定，确定各位置下的相机内外参数，假定我们已经完成各位置下的相机标定，则各位置下的m_ij(i,j＝1,2,3,4)已经知道，现在要确定空间点的坐标，该标记点在两视图中的像素坐标可通过图像软件得到，则该点的空间坐标与两视图的像素坐标之间的关系表示如下：

消掉上式中的和得到关于(X,Y,Z)的4个线性方程：

再将上式写成矩阵形式如下：

采用最小二乘法即可求解出空间点的坐标，在本实施例中，采用的是单相机两视图来求解空间点坐标，本领域技术人员可以理解的是，可以采用更多的视图来求解空间点坐标，这样求解出坐标精度会更高。

综上所述，本发明的平台装置整体结构紧凑，并且设置了上下伸缩机构、前后移动机构、左右移动机构和二轴云台，使得相机具备多个自由度可调节功能，可实现相机的实现空间目标点的多视角图像采集，可以根据需要，灵活配置不同功能的相机及数量来实现空间点坐标的静态或动态测量，极大的方便了测量人员的操作，有效的提高了测量效率及测量的安全性。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.多自由度运动拍摄平台装置，其特征在于：所述装置包括上下伸缩机构、前后移动机构、左右移动机构和二轴云台，所述二轴云台设置在左右移动机构上，用于安装相机并控制相机绕航向轴和俯仰轴转动，所述前后移动机构设置在上下伸缩机构上，所述左右移动机构设置在前后移动机构上，所述上下伸缩机构用于调节前后移动机构的高度，所述前后移动机构用于控制左右移动机构前后移动，所述左右移动机构用于控制二轴云台左右移动；

所述二轴云台包括固定座、航向管夹、航向旋转轴芯、俯仰管夹、俯仰旋转轴芯和安装台，所述固定座设置在左右移动机构上，所述航向旋转轴芯设置在固定座上，并可在固定座上航向旋转，所述航向管夹能够以松开和拧紧的方式固定安装在航向旋转轴芯上，所述俯仰旋转轴芯设置在航向管夹上，并可在航向管夹上俯仰旋转，所述俯仰管夹能够以松开和拧紧的方式固定安装在俯仰旋转轴芯上，所述安装台与俯仰旋转轴芯固定连接，用于安装相机。

2.根据权利要求1所述的多自由度运动拍摄平台装置，其特征在于：所述装置还包括底座，所述上下伸缩机构设置在底座上。

3.根据权利要求2所述的多自由度运动拍摄平台装置，其特征在于：所述底座包括工字型结构梁和橡胶垫，所述橡胶垫垂直布置在工字型结构梁的下表面，使整个平台装置稳定地与地面接触，所述上下伸缩机构的下端垂直固定在工字型结构梁上表面。

4.根据权利要求1所述的多自由度运动拍摄平台装置，其特征在于：所述上下伸缩机构包括下伸缩管、固定管夹、上支撑管和工字型安装台，所述下伸缩管的上端管身缩入到上支撑管内，所述固定管夹的上管夹锁紧在上支撑管上，固定管夹的下管夹能够以松开和拧紧的方式固定安装在下伸缩管上，所述工字型安装台固定在上支撑管的上端。

5.根据权利要求1所述的多自由度运动拍摄平台装置，其特征在于：所述前后移动机构包括第一圆形滑轨、第一滑块和两个固定块，所述固定块设置在上下伸缩机构上，所述第一圆形滑轨的两端分别固定在两个固定块上，所述第一滑块滑动设置在第一圆形滑轨上，所述左右移动机构固定在第一滑块上。

6.根据权利要求5所述的多自由度运动拍摄平台装置，其特征在于：所述第一滑块包括第一滑台和第一滚轮，所述第一滚轮安装在第一滑台的下方，所述第一滑台通过第一滚轮滑动设置在第一圆形滑轨上，当第一滚轮沿第一圆形滑轨前后滑动时，第一滚轮绕自身轴线转动，所述左右移动机构固定在第一滑台上。

7.根据权利要求1所述的多自由度运动拍摄平台装置，其特征在于：所述左右移动机构包括第二圆形滑轨、第二滑块和两块L形安装板，所述L形安装板设置在前后移动机构上，所述第二圆形滑轨的两端分别固定在两块L形安装板上，所述第二滑块滑动设置在第二圆形滑轨上，所述二轴云台固定在第二滑块上。

8.根据权利要求7所述的多自由度运动拍摄平台装置，其特征在于：所述第二滑块包括第二滑台和第二滚轮，所述第二滚轮安装在第二滑台的下方，所述第二滑台通过第二滚轮滑动设置在第二圆形滑轨上，当第二滚轮沿第二圆形滑轨左右滑动时，第二滚轮绕自身轴线转动，所述二轴云台固定在第二滑台上。

9.基于权利要求1-8任一项所述平台装置的空间点坐标测量方法，其特征在于：所述方法包括：

当测量静态点坐标时，采用一台相机，在测量点上粘贴标记点；利用上下伸缩机构调节相机的高度；利用前后移动机构、左右移动机构和二轴云台让相机平移旋转，调整相机到至少两个拍摄位置，采集相机在至少两个拍摄位置拍摄的图像；根据至少两个拍摄位置的图像，求解出空间点的坐标；

当测量动态点坐标时，采用至少两台相机，在需要测量的点上粘贴标记点；利用上下伸缩机构调节至少两台相机的高度；利用前后移动机构、左右移动机构和二轴云台让至少两台相机平移旋转，调整每台相机的拍摄位置，使得至少两台相机同时拍摄标记点的运动过程；根据至少两台相机拍摄的标记点运动过程，求解出标记点每一时刻的空间点坐标，根据标记点各个时刻的空间点坐标绘制出标记点的运动轨迹。