CN110926348A - 基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统 - Google Patents

基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统 Download PDF

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CN110926348A CN201811091632.8A CN201811091632A CN110926348A CN 110926348 A CN110926348 A CN 110926348A CN 201811091632 A CN201811091632 A CN 201811091632A CN 110926348 A CN110926348 A CN 110926348A
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徐江涛
于洋
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0608—Height gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders

Abstract

基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统，包含操作底座、可调节高度的支撑臂、带有细分驱动器的两相混合式步进电机和视觉传感器，其中，在操作底座的左上角垂直竖立可调节高度的支撑臂，支撑臂的最上端嵌入带细分驱动器的两相混合式步进电机，该步进电机操控的转动轴连接视觉传感器且转动轴与操作底座平行，视觉传感器镜头初始垂直于操作底座且可以180度旋转；该系统由于采用被动测距法，不需要发射光线，降低了周围环境因素对其的干扰，较好地应用于室外场景，同时，也可以获得待测物体的高度信息，避免了双目测距所需的高复杂度算法，降低了太阳光等室外条件对于测距精度的影响。

Description

基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统
技术领域
本发明涉及到视觉深度测距和测高领域，尤其涉及一种基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统。
背景技术
目前广泛使用的视野测距方法是双目测距法。双目测距法是由Marr和Poggio 在Acomputational theory of human stereo vision.论文中提出的。它是一种基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。深度信息则通过比较两只眼睛获得图像之间的差别得到。但双目测距法其本身的算法复杂度较大，而且受到基线长度的限制，只能对近距离物体测距。而且大多数双目测距法以红外线作为结构光，在室外受太阳光影响较大。因此基于双目测距法的大部分仪器在室外测距效果欠佳。
发明内容
为了解决在室外条件下测距效果不佳且只能应用于近距离物体测距的问题，本发明提供了一种简单可靠的测距系统即基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统。该系统由于采用被动测距法，不需要发射光线，降低了周围环境因素对其的干扰，可以较好的应用于室外场景。该系统在获得待测物体的高度信息的同时，避免了双目测距所需的高复杂度算法，降低了太阳光等室外条件对于测距精度的影响。
基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统构成如下：
包含操作底座，尺寸为A*A；可调节高度的支撑臂，高度为B；带有细分驱动器的两相混合式步进电机，其步距角为C/步；视觉传感器。其中，在操作底座的左上角垂直竖立可调节高度的支撑臂，支撑臂的最上端嵌入带细分驱动器的两相混合式步进电机，该步进电机操控的转动轴连接视觉传感器且转动轴与操作底座平行，视觉传感器镜头初始垂直于操作底座且可以180度旋转。操作底座用来提高支撑臂和步进电机运动时图像的稳定性。可调节高度的支撑臂，用来支撑并调节视觉传感器、步进电机与操作底座的距离。两相混合式步进电机用来驱动视觉传感器的旋转。视觉传感器用来捕捉实时图像。
基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统在进行测量时，步骤如下：
视觉传感器对待测物体进行拍照，根据拍照的图片进行边缘检测。将边缘提取后的全图轮廓与原图待测物体进行对照，记录待测物体上下边界像素行并以此像素行作为标准像素行。然后对视觉传感器的成像区域进行划分，取平行于上下边界的中线作为判断线。当判断线的像素行与之前记录的标准像素行匹配时，记录此时步进电机的旋转角度。
在视觉传感器判断线第一次捕捉到图像边界时，记录步进电机旋转角度
Figure 882879DEST_PATH_IMAGE001
，在已知初始传感器距地面高度H，便可计算出与待测物体的距离L：
Figure 682339DEST_PATH_IMAGE002
在视觉传感器判断线第二次捕捉到图像边界后，记录步进电机旋转角度
Figure 424904DEST_PATH_IMAGE003
，根据计算出的L和已知高度的H，
Figure 335223DEST_PATH_IMAGE003
，计算出待测物提高度G，考虑到待测物体与支撑臂的相对高度未知，需要对待测物体高度做预先的判断，并选取合适的公式：
Figure 433629DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 899595DEST_PATH_IMAGE005
为待测物体预测值。
基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统相比于双目测距法有两点优势：
1、算法简单
双目测距法涉及到像素坐标系，图像坐标系，相机坐标系以及世界坐标系四个坐标系之间的坐标变换计算，其间夹杂着大量矩阵运算。而该系统所用方法为简单的几何运算，大大降低了计算难度。
2、更好地应用于室外场景
双目测距法需要红外线作为结构光，而室外环境下太阳光包含的红外线混杂在自身结构光中，降低了测距精度。而本方法采用被动测距法，不需要发射光线，降低了周围环境因素对其的干扰，更好地应用于室外场景。
附图说明
图1为待测物体低于机械臂时系统示意图；
图2为待测物体高于机械臂时系统示意图；
图3 视觉传感器像素阵列图；
图4 基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明所要保护的范围并不限于此。
为保证测量的质量，首先操作底座尺寸为1m*1m，以保证在支撑臂提升视觉传感器的高度以及镜头旋转时，不会出现晃动以及相对位移，达到提高捕捉物体边界稳定性的目的。可调节高度支撑臂要根据待测物体的大约高度进行选取，在不会被非待测物体遮挡的前提下，减少对于单位步距角以及转动精度的要求，拟定1.5m。随着角度不断上扬，单位步距角所对应的距离不断增加，因此要求高精度，小步距角的步进电机，选取加细分驱动器的两相混合式步进电机，以森创公司数字两相步进电机细分驱动器SD-20403，选取128细分，该步进电机可达到
Figure 614610DEST_PATH_IMAGE006
每步。选取视角较小的视觉传感器，以提升精度。
为了提高边界检测的精准度，采用曾俊（华中科技大学）提出的基于CIELAB空间的SUSAN彩色图像边界检测进行边界检测。该方法优于两大传统方法——Sobel边缘检测和SUSAN边缘检测的地方在以下两点。其一，相比于将RGB空间图像转换为灰度图像的传统方法，该方法将RGB空间图像转换为CIELAB空间图像，充分利用了色度和亮度双重图像信息，为后续处理提高捕捉边缘的精度。其二，相比于通过人为设定阈值来处理图像的传统方式，该方法根据人眼对于颜色差异感知程度来选取色差阈值，能有效地检测出彩色图像的边缘。这种依靠色度和亮度双重标准来捕捉图像边界的方法，更好地契合本系统室外测距的适用范围。
以下是其关键步骤：
首先将目标图片从RGB空间变换为CIEXYZ空间，再从CIEXYZ彩色空间变换为CIELAB空间，再用一个大小为5*5的模板遍历彩色CIELAB图像，模板内中心像素
Figure 797461DEST_PATH_IMAGE007
，模板内任意像素
Figure 530800DEST_PATH_IMAGE008
，计算两者的色差，计算公式如下：
Figure 937642DEST_PATH_IMAGE009
通过比较
Figure 798675DEST_PATH_IMAGE010
与色差阈值
Figure 300063DEST_PATH_IMAGE011
进行比较，如果小于色差阈值
Figure 622329DEST_PATH_IMAGE011
，则认为属于核值相似区；反之，不属于核值相似区。其中
Figure 183760DEST_PATH_IMAGE011
取6，基于人眼可以识别6NBS及以上的色差。
然后计算当前核值相似区的大小
Figure 358521DEST_PATH_IMAGE012
，计算公式如下：
Figure 628047DEST_PATH_IMAGE013
再对
Figure 165339DEST_PATH_IMAGE012
进行阈值化提取边界，若
Figure 884290DEST_PATH_IMAGE012
小于阈值g则为边缘像素点，若
Figure 61193DEST_PATH_IMAGE012
大于阈值时，则不是边缘像素点，
Figure 389537DEST_PATH_IMAGE014
依据该方法将整张待测物体的图像进行遍历，获得全图的边界。
基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统具体操作流程：
1、将操作平台对准待测物体，依据待测物体预估高度调整视觉传感器与地面的垂直距离H；
2、将视觉传感器镜头垂直于地面；
3、启动混合式步进电机以步距角为单位向待测物体方向旋转；
4、当第一次捕捉到物体边界后，对物体边界进行标记，记录旋转角度
Figure 951975DEST_PATH_IMAGE001
；
5、再次捕捉到物体边界，记录旋转角度
Figure 996154DEST_PATH_IMAGE003
；
6、通过两次旋转角度
Figure 906691DEST_PATH_IMAGE001
以及H，计算待测物体与镜头间距离L；
Figure 38727DEST_PATH_IMAGE002
7、通过两次旋转角度
Figure 721250DEST_PATH_IMAGE003
以及H， 以及待测物体距离L，计算待测物体高度G，
Figure 264226DEST_PATH_IMAGE015
其中
Figure 635296DEST_PATH_IMAGE005
为待测物体预测值。
由于实际情况不可避免地存在误差，表中给出待测物体距该系统10m，50m，100m，200m，500m五个距离的误差：
Figure 820290DEST_PATH_IMAGE016
具体见上表。
其中主要考虑因步进电机单位步距角偏差带来的误差，以森创公司数字两相步进电机细分驱动器SD-20403为例，假设偏差单位步进角——
Figure 94670DEST_PATH_IMAGE006
。统一选取视觉传感器与地面的垂直距离H=1.5m。

Claims (5)

1.基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统，其特征在于：构成如下：包含操作底座，尺寸为A*A；可调节高度的支撑臂，高度为B；带有细分驱动器的两相混合式步进电机，其步距角为C/步；视觉传感器；其中，在操作底座的左上角垂直竖立可调节高度的支撑臂，支撑臂的最上端嵌入带细分驱动器的两相混合式步进电机，该步进电机操控的转动轴连接视觉传感器且转动轴与操作底座平行，视觉传感器镜头初始垂直于操作底座且可以180度旋转。
2.根据权利要求1所述基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统，其特征在于：操作底座用来提高支撑臂和步进电机运动时捕捉到图像的稳定性。
3.根据权利要求1所述基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统，其特征在于：可调节高度的支撑臂，用来支撑并调节视觉传感器、步进电机与操作底座的距离。
4.根据权利要求1所述基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统，其特征在于：两相混合式步进电机用来驱动视觉传感器的旋转。
5.根据权利要求1所述基于细分驱动器两相混合式步进电机的单目测距系统，其特征在于：视觉传感器用来捕捉实时图像。
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