CN112040192B - 并联式运动目标视觉追踪装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种并联式运动目标视觉追踪装置，涉及视频监控技术领域。并联式运动目标视觉追踪装置包括依次设置的相机、调焦透镜组以及并联旋转台，其中，并联旋转台包括静平台、连接组件和动平台，动平台通过连接组件连接在静平台上，动平台可相对静平台旋转，相机的焦点、调焦透镜组的焦点以及动平台的旋转中心共轴设置。并联式运动目标视觉追踪装置具有累积误差小、旋转精度高、结构紧凑、动态响应能力强、逆解求解方便等特点。

Description

并联式运动目标视觉追踪装置
技术领域
本发明涉及视频监控领域，具体而言，涉及一种并联式运动目标视觉追踪装置。
背景技术
相机作为机器视觉重要的信息采集设备，通常固定于云台上，在捕获动态目标时实时调整位姿，实现图像拍摄。而在捕获运动轨迹不稳定的高速目标时，为了更清楚的观察和掌握目标的运动细节，获得没有运动模糊的高速动态物体图像，并获得比固定相机更宽的视野，需要具有高动态性能和大视野的旋转云台，对相机的注视方向进行实时主动控制和调整，使得焦点始终稳定保持在高速目标上。
在高速运动目标的跟踪过程中，旋转云台作为制约高速视觉伺服系统性能的关键瓶颈，存在两方面不足：
1)高速目标追踪过程中，机械旋转云台动态响应能力不足，与高速图像处理器的高速处理能力不匹配。由于机械旋转云台和相机质量过大，导致系统动态响应能力差，因此将相机直接固定于机械旋转云台上很难实时获得以适当的视角聚焦在目标上、并使目标居中的图像。而且，通过旋转云台机械地控制高速图像处理器的注视方向，不能获得与高帧速率相匹配的高速对焦性能。
2)非平行光束成像条件下视野受限问题。在基于光学云台的高速视觉伺服系统中，具有高动态性能的旋转部件往往尺寸较小，对于非平行光束，光斑会随着两者距离的增加而增大，因而会限制系统的目标捕捉和追踪视野。为了扩大视野，使镜面容纳整个光斑，通常会增加镜面尺寸和数量，从而降低系统动态响应。
综上，设计一种并联式运动目标视觉追踪装置，具有累积误差小、旋转精度高、结构紧凑、动态响应能力强、逆解求解方便等特点，这是目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的包括提供一种并联式运动目标视觉追踪装置，其具有累积误差小、旋转精度高、结构紧凑、动态响应能力强、逆解求解方便等特点。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明实施例提供一种并联式运动目标视觉追踪装置，并联式运动目标视觉追踪装置包括依次设置的相机、调焦透镜组以及并联旋转台，其中，并联旋转台包括静平台、连接组件和动平台，动平台通过连接组件连接在静平台上，动平台可相对静平台旋转，相机的焦点、调焦透镜组的焦点以及动平台的旋转中心共轴设置。
这样，动平台通过连接组件连接在静平台上，动平台可相对静平台旋转，通过控制连接组件，即可调整动平台的空间反射角度，也就是说，本实施例通过采用并联旋转台实现在三维空间改变视线的方向，相较于现有技术中多个镜面的串行组合结构，本实施例的方案具有累积误差小、旋转精度高的优势。而且通过改变动平台的空间转角，捕获三维空间内运动目标的图像信息，并通过光路传送至相机，实现目标视觉追踪。在运动学求解方面，在实时控制时，需要计算逆解，而并联旋转台很显著的特点是逆解非常容易，因此相对于现有技术中的串联结构来说，本实施例的方案在实时控制方面具有很大优势。
在可选的实施方式中，连接组件包括支撑件和多个直线驱动器，支撑件包括底端和顶端，底端固定连接在静平台的几何中心，顶端通过铰链连接在动平台的旋转中心，多个直线驱动器均匀分布在支撑件的外围，直线驱动器包括固定端和输出端，固定端固定连接在静平台上，输出端通过铰链连接在动平台上，使得动平台可围绕自身的旋转中心进行自由转动。
在可选的实施方式中，连接组件包括第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器、第四直线驱动器和支撑件，其中，支撑件包括底端和顶端，底端固定连接在静平台的几何中心，顶端通过铰链连接在动平台的旋转中心，第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器和第四直线驱动器均匀分布在支撑件的外围，第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器和第四直线驱动器均包括固定端和输出端，固定端固定连接在静平台上，输出端通过铰链连接在动平台上，使得动平台可围绕自身的旋转中心进行自由转动。
在可选的实施方式中，动平台和静平台为方形，四个固定端分别固定连接在静平台的四个顶点上，四个输出端分别通过铰链连接在动平台的四个顶点上。
在可选的实施方式中，支撑件垂直于静平台设置。
这样，动平台的下表面的旋转中心安装铰链，通过支撑件与静平台固定连接，使得动平台可以绕自身的旋转中心进行自由转动。并联旋转台包括多个直线驱动器，并联旋转台的直线驱动器和支撑件固定于静平台，且与动平台通过铰链连接。通过改变直线驱动器的位移输出，即可调整动平台的空间反射角度。
在可选的实施方式中，动平台上设置有反射膜，反射膜用于将预定波长的图像信息反射至相机。
这样，由于采用多个直线驱动器构成的并联结构驱动动平台，在保证同等动态响应能力的前提下，相对于现有技术中多个镜面的串行组合结构，本实施例中动平台的反射膜的面积更大，因此能反射更大直径的光斑，使用一块反射膜即可实现在三维空间内的目标捕获，相较于现有技术中多个镜面的串行组合结构，本实施例的方案具有结构紧凑、旋转部件少等优点。
在可选的实施方式中，动平台的旋转中心位于相机的焦点与调焦透镜组的焦点的连线上。
在可选的实施方式中，调焦透镜组包括多个间隔设置的透镜，多个透镜的焦点与相机的焦点共轴设置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的并联式运动目标视觉追踪装置的整体结构示意图；
图2为图1中并联旋转台的分解示意图；
图3为图2中动平台的结构放大示意图；
图4为图2中第一直线驱动器和支撑件的结构示意图；
图5为并联旋转台在四种状态下，动平台的图像追踪视野的示意图。
图标：100-并联式运动目标视觉追踪装置；1-相机；2-调焦透镜组；3-并联旋转台；4-静平台；5-动平台；6-反射膜；7-连接组件；8-第一直线驱动器；9-第二直线驱动器；10-第三直线驱动器；11-第四直线驱动器；12-固定端；13-输出端；14-支撑件；15-底端；16-顶端。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1，本实施例提供了一种并联式运动目标视觉追踪装置100，并联式运动目标视觉追踪装置100包括依次设置的相机1、调焦透镜组2以及并联旋转台3，其中，并联旋转台3包括静平台4、连接组件7和动平台5，动平台5通过连接组件7连接在静平台4上，动平台5可相对静平台4旋转，相机1的焦点、调焦透镜组2的焦点以及动平台5的旋转中心共轴设置。相机1的焦点与调焦透镜组2的焦点的连线平行于静平台4连接连接组件7的表面。调焦透镜组2包括多个间隔设置的透镜，多个透镜的焦点与相机1的焦点共轴设置。
这样，动平台5可相对静平台4旋转，通过控制连接组件7，即可调整动平台5的空间反射角度，也就是说，本实施例通过采用并联旋转台3实现在三维空间改变视线的方向，相较于现有技术中多个镜面的串行组合结构，本实施例的方案具有累积误差小、旋转精度高的优势。而且通过改变动平台5的空间转角，捕获三维空间内运动目标的图像信息，并通过光路传送至相机1，实现目标视觉追踪。在运动学求解方面，在实时控制时，需要计算逆解，而并联旋转台3很显著的特点是逆解非常容易，因此相对于现有技术中的串联结构来说，本实施例的方案在实时控制方面具有很大优势。
具体的，请参阅图2，动平台5和静平台4可以为方形，在其它实施例中，动平台5和静平台4还可以为圆形、椭圆形、三角形等，也可以为不规则图形。连接组件7包括第一直线驱动器8、第二直线驱动器9、第三直线驱动器10、第四直线驱动器11和支撑件14，其中，请参阅图4，支撑件14包括底端15和顶端16，底端15固定连接在静平台4的几何中心，支撑件14垂直于静平台4设置，顶端16通过铰链连接在动平台5的旋转中心。
第一直线驱动器8、第二直线驱动器9、第三直线驱动器10和第四直线驱动器11均匀分布在支撑件14的外围。请参阅图4，第一直线驱动器8、第二直线驱动器9、第三直线驱动器10和第四直线驱动器11均包括固定端12和输出端13，四个固定端12分别固定连接在静平台4的四个顶点上，四个输出端13分别通过铰链连接在动平台5的四个顶点上。这样，通过改变直线驱动器的位移输出，即可调整动平台5的空间反射角度。
请参阅图3，动平台5上设置有反射膜6，反射膜6用于将预定波长的图像信息反射至相机1。反射膜6的边缘延伸至动平台5的边缘。优选地，反射膜6为圆形或椭圆形，反射膜6的边缘与动平台5的边缘相切。当然，反射膜6的形状不限于圆形或椭圆形，可根据实际应用改变区域形状。这样，由于采用多个直线驱动器驱动动平台5，在保证同等动态响应能力的前提下，相对于现有技术中多个镜面的串行组合结构，本实施例中动平台5的反射膜6的面积更大，因此能反射更大直径的光斑，使用一块反射膜6即可实现在三维空间内的目标捕获，相较于现有技术中多个镜面的串行组合结构，本实施例的方案具有结构紧凑、旋转部件少等优点。
请参阅图5，通过调节第一直线驱动器8、第二直线驱动器9、第三直线驱动器10、第四直线驱动器11的输出端13的输出位移，可实现对动平台5的三维空间任意角度的位姿调整。
图5中(a)～(d)展示了并联旋转台3的四种工作状态，并联旋转台3的初始工作位姿如图5(a)所示，其中，焦点的共轴线与动平台5初始位置的法线呈45°。当第一直线驱动器8和第二直线驱动器9减少输出位移，第三直线驱动器10和第四直线驱动器11增加输出位移，动平台5的法线绕y轴顺时针旋转，如图5(b)所示，此时可追踪沿x方向运动的目标。第二直线驱动器9和第三直线驱动器10减少输出位移，第一直线驱动器8和第四直线驱动器11增加输出位移，动平台5的法线绕x轴顺时针旋转，如图5(c)所示，此时可追踪到沿y方向运动的目标。第一直线驱动器8减少输出位移，第三直线驱动器10增加输出位移，第二直线驱动器9和第四直线驱动器11保持在初始位置，动平台5的法线绕x轴和y轴的45°夹角方向顺时针旋转，如图5(d)所示，此时可追踪到沿x、y轴夹角为45°的方向运动的目标。
本实施例中，并联旋转台3的连接组件7采用了四个直线驱动器，实现对动平台5的空间姿态的控制。在其它实施例中，连接组件7可以包括支撑件14和多个直线驱动器，支撑件14包括底端15和顶端16，底端15固定连接在静平台4的几何中心，顶端16通过铰链连接在动平台5的旋转中心，多个直线驱动器均匀分布在支撑件14的外围，直线驱动器包括固定端12和输出端13，固定端12固定连接在静平台4上，输出端13通过铰链连接在动平台5上，使得动平台5可围绕自身的旋转中心进行自由转动。其中，直线驱动器的数量可以是两个或三个。例如，可以只采用本实施例中的第一直线驱动器8和第二直线驱动器9，或者，将动平台5和静平台4设计为三角形，并采用三个直线驱动器，并将每个直线驱动器的两端分别连接在动平台5和静平台4的顶点上。
本实施例提供的并联式运动目标视觉追踪装置100的有益效果包括：
1.动平台5通过连接组件7连接在静平台4上，动平台5可相对静平台
4旋转，通过控制连接组件7，即可调整动平台5的空间反射角度，也就是说，本实施例通过采用并联旋转台3实现在三维空间改变视线的方向，相较于现有技术中多个镜面的串行组合结构，本实施例的方案具有累积误差小、旋转精度高的优势；
2.通过改变动平台5的空间转角，捕获三维空间内运动目标的图像信息，并通过光路传送至相机1，实现目标视觉追踪。在运动学求解方面，在实时控制时，需要计算逆解，而并联旋转台3很显著的特点是逆解非常容易，因此相对于现有技术中的串联结构来说，本实施例的方案在实时控制方面具有很大优势；
3.由于采用多个直线驱动器驱动动平台5，在保证同等动态响应能力的前提下，相对于现有技术中多个镜面的串行组合结构，本实施例中动平台5的反射膜6的面积更大，因此能反射更大直径的光斑，使用一块反射膜6即可实现在三维空间内的目标捕获，相较于现有技术中多个镜面的串行组合结构，本实施例的方案具有结构紧凑、旋转部件少等优点。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种并联式运动目标视觉追踪装置，其特征在于，所述并联式运动目标视觉追踪装置包括依次设置的相机(1)、调焦透镜组(2)以及并联旋转台(3)，其中，所述并联旋转台(3)包括静平台(4)、连接组件(7)和动平台(5)，所述动平台(5)通过所述连接组件(7)连接在所述静平台(4)上，所述动平台(5)可相对所述静平台(4)旋转，所述相机(1)的焦点、所述调焦透镜组(2)的焦点以及所述动平台(5)的旋转中心共轴设置；
所述连接组件(7)包括第一直线驱动器(8)、第二直线驱动器(9)、第三直线驱动器(10)、第四直线驱动器(11)和支撑件(14)，其中，所述支撑件(14)包括底端(15)和顶端(16)，所述底端(15)固定连接在所述静平台(4)的几何中心，所述顶端(16)通过铰链连接在所述动平台(5)的旋转中心，所述第一直线驱动器(8)、所述第二直线驱动器(9)、所述第三直线驱动器(10)和所述第四直线驱动器(11)均匀分布在所述支撑件(14)的外围，所述第一直线驱动器(8)、所述第二直线驱动器(9)、所述第三直线驱动器(10)和所述第四直线驱动器(11)均包括固定端(12)和输出端(13)，所述固定端(12)固定连接在所述静平台(4)上，所述输出端(13)通过铰链连接在所述动平台(5)上，使得所述动平台(5)可围绕自身的旋转中心进行自由转动。
2.根据权利要求1所述的并联式运动目标视觉追踪装置，其特征在于，所述动平台(5)和所述静平台(4)为方形，四个所述固定端(12)分别固定连接在所述静平台(4)的四个顶点上，四个所述输出端(13)分别通过铰链连接在所述动平台(5)的四个顶点上。
3.根据权利要求1所述的并联式运动目标视觉追踪装置，其特征在于，所述支撑件(14)垂直于所述静平台(4)设置。
4.根据权利要求1所述的并联式运动目标视觉追踪装置，其特征在于，所述动平台(5)上设置有反射膜(6)，所述反射膜(6)用于将预定波长的图像信息反射至所述相机(1)。
5.根据权利要求4所述的并联式运动目标视觉追踪装置，其特征在于，所述反射膜(6)的边缘延伸至所述动平台(5)的边缘。
6.根据权利要求1所述的并联式运动目标视觉追踪装置，其特征在于，所述动平台(5)的旋转中心位于所述相机(1)的焦点与所述调焦透镜组(2)的焦点的连线上。
7.根据权利要求1所述的并联式运动目标视觉追踪装置，其特征在于，所述调焦透镜组(2)包括多个间隔设置的透镜，多个所述透镜的焦点与所述相机(1)的焦点共轴设置。
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