CN110057341A - 一种双目立体视觉测量位姿参考平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双目立体视觉测量位姿参考平台，包括三个具有双输出轴的步进电机、三个旋转编码器、双目立体视觉待观测平台、单片机、电源模块，电源模块为单片机供电，电源模块通过步进电机驱动器与步进电机连接为步进电机供电，所述单片机分别与步进电机驱动器、旋转编码器电连接，所述单片机还连接有输入键盘和显示器。与现有技术相比，本发明可以通过单片机控制三个步进电机依次旋转就可以实现位姿的生成，此平台分别围绕空间三个坐标轴生成三个角度，通过旋转编码器即可实现测量，与双目立体视觉测量结果进行比对，检测双目立体视觉测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及双目立体视觉测量技术领域，特别是一种双目立体视觉测量位姿参考平台。
背景技术
双目立体视觉最早的研究起源于麻省理工学院，国外的研究成果领先于中国。双目立体视觉得到广泛的应用其主要应用于以下四个方面：三维测量、虚拟现实、机器人导航以及微操作系统的参数检测。有人进行重点讨论了如何在实际应用双目测量系统的过程中合理设置系统结构参数以提高该系统的测量精度，首次在理论上对系统测量精度与系统结构参数之间的关系做出了系统，详尽的分析，并通过实验对结论做出了验证。国外还有人提出了一种新的大视场双目视觉测量系统自标定方法。该方法无需高精度标定板或者标定物，仅需利用空间中常见的平行线和垂直线建立摄像机参数与特征线间的约束方程，即可实现摄像机的内参数与旋转矩阵标定；同时利用空间中距离已知的3个空间点即可线性标定两摄像机间的平移向量。
现阶段关于双目立体视觉测量的研究有很多，双目立体视觉测量也利用到了各个行业。使用在了农业方面，可以用来获取果树的三维信息，也可以用来识别，定位成熟番茄，检测人头，检测车距，进行三维地形重建。双目立体视觉测量也广泛利用在现代工业领域。也可以进行测距，利用到浮选液位槽液位检测。使用双目立体视觉校准铣刀位置。也有人将双目立体视觉测量利用到工业大尺寸测量。
可以看出双目立体视觉测量对工业，农业等方面意义非凡，但是如何衡量双目立体视觉测量的精确度，目前却没有很好的办法，所以针对双目立体视觉测量空间物体位姿问题，我们需要一个参考平台来衡量系统测量精确度。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种双目立体视觉测量位姿参考平台。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种双目立体视觉测量位姿参考平台，包括三个具有双输出轴的步进电机、三个旋转编码器、双目立体视觉待观测平台、单片机、电源模块，三个步进电机的输出轴两两垂直，第一个步进电机垂直固定在桌面平台上，第二个步进电机作为负载固定于第一个步进电机的前端输出轴上，第三个步进电机作为负载固定于第二个步进电机的前端输出轴上，第三个步进电机的前端输出轴垂直固定在双目立体视觉待观测平台中心，旋转编码器分别通过联轴器连接三个步进电机的后端输出轴上；电源模块为单片机供电，电源模块通过步进电机驱动器与步进电机连接为步进电机供电，所述单片机分别与步进电机驱动器、旋转编码器电连接，所述单片机还连接有输入键盘和显示器；其中，所述输入键盘用于输入三个步进电机的旋转角度，显示器用于显示输入的三个旋转角度；单片机用于计算输入的旋转角度所对应的脉冲数，三个步进电机依次旋转对应脉冲，与此同时单片机打开中断，记录并累加旋转编码器所产生的脉冲数，当三个步进电机均旋转完成，由单片机计算累加的脉冲数对应的角度，并由显示器显示旋转编码器所对应的旋转角度。
优选地，所述单片机为AT89C52单片机。
优选地，所述步进电机为57BYG250B两相步进电机。
优选地，所述显示器的型号为LCD1602。
优选地，所述步进电机驱动器的型号为TB6600。
优选地，所述旋转编码器的型号为E6B2-CWZ6C。
优选地，所述输入键盘为4*4矩阵键盘。
与现有技术相比，本发明可以通过单片机控制三个步进电机依次旋转就可以实现位姿的生成，此平台分别围绕空间三个坐标轴生成三个角度，通过旋转编码器即可实现测量，与双目立体视觉位姿测量结果进行比对，检测双目立体视觉位姿测量的准确性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的无桌面平台的立体结构图。
图3为U型支架的主视图。
图4为U型支架的侧视图。
图5为步进电机连接支架的主视图。
图6为步进电机连接支架的侧视图。
图7为步进电机驱动器与步进电机接线图。
图8为旋转编码器接线图。
图9为整体接线图。
图10为单片机最小系统与LCD1602接线图。
图11为本发明的操作流程图。
图12为本发明双目立体视觉测量位姿参考平台的原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
如图1-6所示，本实施例的一种双目立体视觉测量位姿参考平台，包括第一步进电机2、第二步进电机4、第三步进电机6、第一旋转编码器3、第二旋转编码器5、第三旋转编码器7、双目立体视觉待观测平台1、单片机、电源模块，三个步进电机的输出轴两两垂直，第一步进电机2垂直固定在桌面平台11上，桌面平台11包括底座1101、桌面1102以及竖直支撑在底座1101与桌面1102之间的支腿1103，第一步进电机2的外壳用螺钉固定在桌面1102上端面的且第一步进电机2的前端输出轴贯穿桌面1102上开设的通孔，第一步进电机2的后端输出轴通过联轴器8与第一旋转编码器3的轴轴向固定连接，且第一步进电机2与第一旋转编码器3之间通过U型支架9连接，U型支架9的一端用螺钉固定在第一旋转编码器3的外壳上、另一端用螺钉固定在第一步进电机2的外壳上，第一旋转编码器3的轴贯穿U型支架9的另一端上开设的通孔后通过联轴器8与第一步进电机2的后端输出轴轴向固定；第二步进电机4作为负载固定于第一步进电机2的前端输出轴上，具体地，第二步进电机4的外壳固定在步进电机连接支架10上，步进电机连接支架10包括L型支架101和垂直固定在L型支架101下端的套筒102，第二步进电机4的前端输出轴贯穿开设在L型支架101上的通孔，套筒102与第一步进电机2的前端输出轴轴向固定连接，第二步进电机4的后端输出轴通过联轴器8与第二旋转编码器5轴向固定连接，且第二步进电机4与第二旋转编码器5之间通过U型支架9连接，U型支架9的一端用螺钉固定在第二旋转编码器5的外壳上、另一端用螺钉固定在第二步进电机4的外壳上，第二旋转编码器5的轴贯穿U型支架9的另一端上开设的通孔后通过联轴器8与第二步进电机4的后端输出轴轴向固定；第三步进电机6作为负载固定于第二步进电机4的前端输出轴上，具体地，第三步进电机6的外壳用螺钉固定在步进电机连接支架10上，第三步进电机6的前端输出轴贯穿开设在L型支架101上的通孔，套筒102与第二步进电机4的前端输出轴轴向固定连接，第三步进电机6的后端输出轴通过联轴器8与第三旋转编码器7轴向固定连接，且第三步进电机6与第三旋转编码器7之间通过U型支架9连接，U型支架9的一端固定在第三旋转编码器7的外壳上、另一端固定在第二步进电机4的外壳上，第三旋转编码器7的轴贯穿U型支架9的另一端上开设的通孔后通过联轴器8与第三步进电机6的后端输出轴轴向固定，第三步进电机6的前端输出轴垂直固定在双目立体视觉待观测平台1中心，双目立体视觉待观测平台1尺寸为50cm*50cm，双目立体视觉待观测平台1是双目立体视觉所要观测的物体，其厚度为1.5mm，是一个片状棋盘格物体，主要跟第三步进电机6的输出轴相连接，整体可以使用轻质铝材；第一步进电机2、第二步进电机4、第三步进电机6的输出轴分别代表空间坐标系中x轴，y轴与z轴；电源模块为单片机供电，电源模块通过步进电机驱动器与步进电机连接为步进电机供电，所述单片机分别与步进电机驱动器、旋转编码器电连接，所述单片机还连接有输入键盘和显示器；其中，所述输入键盘用于输入三个步进电机的旋转角度，显示器用于显示输入的三个旋转角度；单片机用于计算输入的旋转角度所对应的脉冲数，三个步进电机依次旋转对应脉冲，与此同时单片机打开中断，记录并累加旋转编码器所产生的脉冲数，当三个步进电机均旋转完成，由单片机计算累加的脉冲数对应的角度，并由显示器显示旋转编码器所对应的旋转角度。
本实施例中，步进电机选择57BYG250B两相步进电机，其详细参数如下表：
步进电机不能直接接到电源上使其工作，必须要使用专用的驱动器才能工作，本次选择了TB6600步进电机驱动器。TB6600是一个比较专业的步进电机驱动器。它可以完成步进电机正反转工作，还可以通过拨码开关最大可以选择32细分控制。其还可以工作在4，8，16，32细分情况下。步进电机驱动器与步进电机接法如图7所示。
本实施例中，旋转编码器是可以将被测量轴发生的角位移，旋转编码器就会发出相应的高低电平，通过记录高低电平数就可以知道被测量轴转过了多少角度。步进电机步距角1.8度采用4细分后精度作为理论精度则需要编码器分辨率360/1.8*4＝800现选择E6B2-CWZ6C编码器作为角度测量进行反馈。该旋转编码器输出有A相，B相，Z相三种根输出线，读取A相与B相数据可以判断被测转轴的旋转方向与旋转角度，Z相为被测转轴旋转一整圈才会有一个高低电平，用来判断被测轴转的圈数，接线方法如图8所示。三个编码器通过一个选择开关连接在一起，实际运用中可以将P3.2口接入插座一端另一端接编码器的三个A相线，因为每次都是依次计数，即可实现对于依次对轴的角度读取，整体接线图如图9所示。
本实施例中，电源模块选择NKY1-S-60型号电源，该电源可以输出+5V，+12V，+24V，+36V等电压且功率达到60W，可以满足三个步进电机和其他元件的使用，单片选择AT89C52单片机。
显示器选择LCD1602型号，将LCD1602的第一引脚VSS接地；第二引脚VDD接5V电源；第三引脚VEE可以悬空，它的作用是调节亮度。第四，五，六引脚分别接接单片机I/O口，它们分别是RS寄存器选择，当它为高电平时选择数据寄存器，当它为低电平时选择指令寄存器；R/W读写信号线，当其为高电平进行读操作，低电平时进行写操作，当只使用一个功能时可以直接拉高或者拉低；E使能端，当使能为高电平有一个下降沿时，LCD1602执行命令。七到十四脚是双向的数据线，让它们与单片机I/O口相接，这里我让它与P0口相接，此时由于P0口特殊性需要添加上拉电阻，否则LCD1602不能工作。如图10是单片机最小系统与LCD1602接线图。
本实施例中由于需要通过输入键盘键入三个角度，此时需要0到9一共十个摁键加上小数点十一个摁键，考虑到确认键，还有可能其他功能键，所以选择使用4*4矩阵键盘。使用4*4矩阵键盘可以满足使用要求，微型计算机对键盘识别的方法是扫描。从微型计算机角度来实现扫描主要有两种办法，一种是程控扫描法，另一种是中断扫描法。就实现功能而言程控扫描法程序简单，明了，易于实现。中断扫描法可以大大节省中央处理器的资源，但是使用时用到了中断，实现起来编程较为复杂。这里我们使用程控扫描法。4*4键盘依次接入单片机P1口。注意键盘模块在接线时要加上拉电阻，否则不能够保证高电平，虽然在仿真中加不加不影响实际结果，但是在实际运用中则可能出现错误而导致不能够正确识别键值。
使用本实施例时：先开始打开电源，由操作者通过输入键盘用于输入三个步进电机的旋转角度，LCD1602显示输入的三个角度；摁下确认键后由单片机计算输入的角度所对应的脉冲数，三个两相步进电机依次旋转对应脉冲，与此同时单片机应该打开中断，记录并累加编码器所产生的脉冲数；当三个步进电机均旋转完成，由单片机计算累加的脉冲数对应的角度，当摁下显示键应该显示编码器所对应的角度。操作流程图如图11，而具体实现的编程流程如下：首先定义一个无符号字符型数组，数组里放入0到9数字与小数点还可以定义一些其他。在主函数中首先初始化LCD1602，给KeyState赋初值0，然后让LCD1602在第二行显示输入的角度。先运行键盘扫描程序，扫描键盘。如果有摁键真的被摁下KeyState会被置1，此时先手动将其置0。然后让LCD1602显示摁下的数字。这里要注意，输入的数字虽然看上去是一个数字，但是在单片机中是不能直接识别的，应该将输入的每个字符放到数组中，对每一个字符进行计算，对于3位数来说应该让第一个字符的数字乘以100，第二个数字乘以10，如果出现小数点，要将小数点后的数字除以10，但是单片机中如果使用C语言除以10是没有余数的。因此可以规定每次必须输入5个字符，前三位角度可以满足360，第四位为小数点，第五位为小数点后数字。这样在计算时可以将第一位乘以1000，将第二位乘以100，第三位乘以10，小数点不做处理，最后一位乘以1，然后将除了第三位以外所有数都加在一起，此时相当于给原来的角度数乘以10，由于步进电机步距角为0.9度，所以计算脉冲时直接让其除以9，相当于将乘的10约掉。这样处理不仅可以节约代码的数量还可以简单明了的处理除以小数的情况。接着当操作者确认摁下的角度数后，在步进电机转动前应该提前打开中断，然后延时一段时间让输出口取反，即可产生脉冲使步进电机转动，当转动完成后应该关闭中断，防止误操作。此时中断程序记录下的脉冲数乘以0.9就应该是编码器检测转轴转动的角度，与刚才写LCD1602相同，需要将每位数字转化为字符型，才能给予输出。具体办法与刚才类似，不过此时应乘以9，给每位依次取余，将每位数字转化为字符型，再放入数组里。循环三次，使三个电机都旋转，并记录三次转化过的编码器的角度数，最后当操作者摁下输出编码器角度数的摁键时，依次显示三个角度。
如图12所示，在桌面建立坐标系，设三个步进电机输出轴长依次为l1,l2,l3。则以50cm*50cm平板中点作为一个特殊点P。以参考坐标系作为原始坐标系，位置为零，原始姿态为零姿态。电机三个轴的长度分别为l1，l2，l3，分别绕一二三轴顺序旋转,旋转角度分别为α,β,γ。相对于初始位姿，最终可得当前位置为：(l2sinα-l3cosαcosβ,l2cosα+l3sinαcosβ,l1+l3sinβ)，当前姿态为：(γ,β,α)。
需要说明的是本发明中涉及到的相关模块均为硬件系统模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本系统的改进之处；本系统的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，包括位置和姿态计算过程，即为对系统的整体的构造进行改进，以解决本系统所要解决的相应技术问题。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双目立体视觉测量位姿参考平台，其特征在于，包括三个具有双输出轴的步进电机、三个旋转编码器、双目立体视觉待观测平台、单片机、电源模块，三个步进电机的输出轴两两垂直，第一个步进电机垂直固定在桌面平台上，第二个步进电机作为负载固定于第一个步进电机的前端输出轴上，第三个步进电机作为负载固定于第二个步进电机的前端输出轴上，第三个步进电机的前端输出轴垂直固定在双目立体视觉待观测平台中心，旋转编码器分别通过联轴器连接三个步进电机的后端输出轴上；电源模块为单片机供电，电源模块通过步进电机驱动器与步进电机连接为步进电机供电，所述单片机分别与步进电机驱动器、旋转编码器电连接，所述单片机还连接有输入键盘和显示器；其中，所述输入键盘用于输入三个步进电机的旋转角度，显示器用于显示输入的三个旋转角度；单片机用于计算输入的旋转角度所对应的脉冲数，三个步进电机依次旋转对应脉冲，与此同时单片机打开中断，记录并累加旋转编码器所产生的脉冲数，当三个步进电机均旋转完成，由单片机计算累加的脉冲数对应的角度，并由显示器显示旋转编码器所对应的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的双目立体视觉测量位姿参考平台，其特征在于：所述单片机为AT89C52单片机。
3.根据权利要求1所述的双目立体视觉测量位姿参考平台，其特征在于：所述步进电机为57BYG250B两相步进电机。
4.根据权利要求1所述的双目立体视觉测量位姿参考平台，其特征在于：所述显示器的型号为LCD1602。
5.根据权利要求1所述的双目立体视觉测量位姿参考平台，其特征在于：所述步进电机驱动器的型号为TB6600。
6.根据权利要求1所述的双目立体视觉测量位姿参考平台，其特征在于：所述旋转编码器的型号为E6B2-CWZ6C。
7.根据权利要求1所述的双目立体视觉测量位姿参考平台，其特征在于：所述输入键盘为4*4矩阵键盘。
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