CN112284360B - 基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法及系统，该双目视觉系统包括X型特征标识、双目相机、照明光源及倾角传感器，该方法包括：建立并标定前盾坐标系、后盾坐标系及测量系统坐标系，存储标定结果；启动测量，获取双目相机采集到的X型特征标识的图像数据，根据图像数据确定图像中的X型特征标识的二维坐标；根据双目立体视觉算法获取X型特征标识在测量系统坐标系下的坐标，通过坐标变换将测量系统坐标系下的坐标变换到后盾坐标系下，结合标定结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息；根据倾角数据对第一六自由度信息进行修正。本发明通过设置X型光学特征标识搭载双目相机及倾角传感器进行位姿测量，测量精度高。

Description

基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法及系统
技术领域
本发明涉及盾构姿态定位技术领域，尤其涉及一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法及系统。
背景技术
双护盾硬岩隧道掘进机是一种使用盾构法的隧道掘进机，双护盾硬岩隧道掘进机包括前盾和后盾，其中，前盾设置刀盘及其驱动、主轴承等，后盾体设置支撑设备，前盾和后盾之间通过伸缩油缸连接，伸缩油缸通过前后伸缩实现前盾相对后盾的前后伸缩，从而实现前盾相对后盾的运动，前后距离变动范围可达3.5m至5m。双护盾硬岩隧道掘进机可解决小半径转弯隧道，岩石强度高，岩石性质复杂等问题，其具备施工速度快、效率高、质量优特点，在硬岩隧道的掘进施工中成为首要选择。
在掘进施工过程中，采用盾构法的隧道掘进机只能前进无法后退，因此，需要实时精确测量盾体的位姿，并结合既定的隧道设计曲线，及时调整盾体的位姿，从而控制掘进机的实际掘进线路与既定隧道设计曲线之间的偏差。
目前，用于双护盾硬岩隧道掘进机的姿态定位系统包括陀螺仪测量系统及激光标靶测量系统，陀螺仪测量系统通过陀螺仪测量盾体的位置姿态，陀螺仪的测量精度受施工过程中振动及温度影响较大，存在测量误差，需要定期校准，稳定性较差，测量精度低。激光标靶测量系统使用激光标靶搭载全站仪，通过光斑图像测量盾体的位置姿态，由于测量现场环境恶劣，易受灰尘及环境灯光影响，导致测量过程中光斑被遮挡的情况，数据测量准确性差，测量效率低。
发明内容
本发明提供一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，实现了利用具有反光特性的特征点进行姿态定位，对环境条件要求低，解决了现有掘进机姿态定位系统测量精度低、效率差的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，用于对双护盾的前盾与后盾之间的相对六自由度信息进行测量，所述双目视觉系统包括设置于前盾后端面的多个具有反光特性的X型特征标识，设置于后盾前端面的双目相机及照明光源，与所述前盾同轴设置的第一倾角传感器，与所述后盾同轴设置的第二倾角传感器，所述双目相机包括第一相机和第二相机，所述方法包括以下步骤：建立前盾坐标系、后盾坐标系及双目相机所在的测量系统坐标系，对所述前盾坐标系、后盾坐标系及测量系统坐标系进行标定，存储标定结果；启动测量，获取双目相机采集到的X型特征标识的图像数据，根据所述图像数据确定图像中的X型特征标识的二维坐标；根据双目立体视觉算法获取所述X型特征标识在所述测量系统坐标系下的坐标，通过坐标变换将所述测量系统坐标系下的坐标变换到所述后盾坐标系下，结合标定结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息；获取所述第一倾角传感器的第一倾角数据及所述第二倾角传感器的第二倾角数据；根据所述第一倾角数据及所述第二倾角数据对所述第一六自由度信息进行修正，确定最终的前盾相对于后盾的实时六自由度信息。
可选地，所述X型特征标识包括吸光子标识和反光子标识，所述吸光子标识采用吸光材料，所述反光子标识采用反光材料，所述吸光子标识与所述反光子标识呈90度交替分布设置。
可选地，所述获取双目相机采集到的X型特征标识的图像数据，包括以下步骤：控制所述照明光源点亮；分别控制所述第一相机及所述第二相机按照相同的预设采样规则连续同步采集多个X型特征标识的图像数据；通过网络端口接收所述多个X型特征标识的图像数据。
可选地，所述根据所述图像数据确定图像中的X型特征标识的二维坐标，包括以下步骤：对所述X型特征标识的图像数据进行目标初定位识别，获取多个X型角点特征的初步位置；基于X型角点特征的初步位置采用海森矩阵对所述X型特征标识进行亚像素中心点提取；根据特征提取结果获取所述X型特征标识的二维坐标。
可选地，所述对所述X型特征标识的图像数据进行目标初定位识别，包括以下步骤：对所述X型特征标识的图像进行灰度化处理；根据灰度值对处理后的图像进行阈值分割，获取图像分割结果；采用连通域标记算法标记所述图像分割结果的连通域；根据连通域标记结果确定多个X型特征标识的初步位置。
可选地，所述建立前盾坐标系、后盾坐标系及双目相机所在的测量系统坐标系，对所述前盾坐标系、后盾坐标系及测量系统坐标系进行标定，包括以下步骤：获取所述第一相机及所述第二相机的相机内参及所述第一相机与所述第二相机之间的结构参数，根据所述相机内参及所述结构参数建立相机矩阵；采用全站仪测量前盾固有特征，根据测量结果建立所述前盾坐标系；获取所述前盾坐标系下，多个X型特征标识的第一三维标定坐标；采用全站仪测量后盾固有特征，根据测量结果建立所述后盾坐标系；控制所述双目相机中的第一相机及第二相机分别获取所述X型特征标识的标定图像，基于所述标定图像及所述相机矩阵获取所述第一相机与所述第二相机之间的第一旋转平移关系；采用全站仪测量所述后盾坐标系下多个X型特征标识的第二三维标定坐标；根据所述标定图像及所述第二三维标定坐标，标定所述后盾坐标系相对于所述测量系统坐标系的第二旋转平移关系；存储标定结果。
可选地，所述根据双目立体视觉算法获取所述X型特征标识在所述测量系统坐标系下的坐标，通过坐标变换将所述测量系统坐标系下的坐标变换到所述后盾坐标系下，结合标定结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息，包括以下步骤：根据极线约束及图像序列一致性约束，对所述第一相机及所述第二相机同步采集的图像数据中的X型特征标识进行匹配，确定各X型特征标识的编号；对匹配好的各特征点进行双目三维重建，得到所述测量系统坐标系下的各X型特征标识的三维坐标；通过坐标变换确定所述后盾坐标系下的各X型特征标识的三维坐标；获取所述前盾坐标系下，多个X型特征标识的第一三维标定坐标；通过公共点变换算法计算前盾相对于后盾的第一六自由度信息。
可选地，所述通过公共点变换算法计算前盾相对于后盾的实时六自由度，包括以下步骤：获取坐标系变换所需的N个公共观测点；获取各公共观测点的测量值满足的几何变换公式；基于所述几何变换公式，建立所有公共观测点的变换误差的最小二乘函数；根据所述最小二乘函数的求解结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息。
可选地，在前盾的空间位置和角度姿态发生变化时，所述X型特征标识与所述前盾的相对位置关系保持不变，所述双目相机与所述后盾的相对位置关系保持不变，所述双目相机具有第一视场角，所述照明光源具有第二视场角，所述第一视场角小于等于所述第二视场角，所述X型特征标识的运动区间落入所述第一视场角。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量系统，用于对双护盾的前盾与后盾之间的相对六自由度信息进行测量，包括：设置于前盾后端面的多个具有反光特性的X型特征标识，设置于后盾前端面的双目相机、照明光源及控制模块，与所述前盾同轴设置的第一倾角传感器，与所述后盾同轴设置的第二倾角传感器，所述双目相机包括第一相机和第二相机，所述双目相机及所述照明光源分别与所述控制模块电连接；所述控制模块用于控制所述照明光源点亮或者熄灭，并控制所述双目相机采集所述X型特征标识的图像数据，并根据所述图像数据确定图像中的X型特征标识的二维坐标，以及根据双目立体视觉算法获取所述X型特征标识在所述测量系统坐标系下的坐标，通过坐标变换将所述测量系统坐标系下的坐标变换到所述后盾坐标系下，结合标定结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息；所述控制模块还用于获取所述第一倾角传感器的第一倾角数据及所述第二倾角传感器的第二倾角数据，并根据所述第一倾角数据及所述第二倾角数据对所述第一六自由度信息进行修正，确定最终的前盾相对于后盾的实时六自由度信息。
本发明实施例提供的基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法及系统，通过设置双目视觉系统进行双护盾之间的空间位置和角度姿态测量，该双目视觉系统包括设置于前盾后端面的多个具有反光特性的X型特征标识，设置于后盾前端面的双目相机及照明光源，与前盾同轴设置的第一倾角传感器，与后盾同轴设置的第二倾角传感器，在测量前，对前盾坐标系、后盾坐标系及测量系统坐标系进行建立及统一标定，存储标定结果；在启动测量后，控制双目相机获取X型特征标识的图像，获取X型特征标识的二维坐标；计算各X型特征标识在测量系统坐标系下的坐标，并通过坐标变换将其变换到后盾坐标系下，结合标定结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息，并根据倾角传感器获取的实时倾角数据对第一六自由度信息进行修正，确定前盾相对于后盾的实时六自由度，实现了利用具有反光特性的特征点进行姿态定位，对环境条件要求低，解决了现有掘进机姿态定位系统测量精度低、效率差的问题，测量效率和测量精度高，系统集成度高，有利于实现姿态定位系统的轻量化及低功耗性能。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法的流程图；
图2是本发明实施例一提供的一种双目视觉系统的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的另一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法的流程图；
图4是本发明实施例一提供的又一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法的流程图；
图5是本发明实施例一提供的又一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法的流程图；
图6是本发明实施例一提供一种双目视觉系统的视平面的结构示意图；
图7是本发明实施例二提供的一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法的流程图，本实施例可适用于对双护盾的前盾与后盾之间的相对六自由度信息进行测量的应用场景，该方法可以由配置有双护盾六自由度测量系统的软件及处理器来执行。
图2是本发明实施例一提供的一种双目视觉系统的结构示意图。
如图2所示，该双目视觉系统包括设置于前盾后端面的多个具有反光特性的X型特征标识，设置于后盾前端面的双目相机及照明光源朝向X型特征标识，与前盾同轴设置的第一倾角传感器，与后盾同轴设置的第二倾角传感器，双目相机包括设置于左侧的第一相机及设置于右侧的第二相机，双目相机及照明光源的视场角能够覆盖X型特征标识的特征运动区间，在掘进机施工过程中，双目相机与后盾的相对位置关系保持不变。
其中，可在前盾后端面设置多个X型特征标识，将双目相机、照明光源固定于后盾前端面，双目相机通过USB数据线及同步信号触发线与控制模块连接，一方面将采集的图像发送至控制模块，另一方面接收控制模块发送的同步控制信号；照明光源通过控制线与控制模块连接，接收控制模块发送的照明控制信号，控制模块还通过总线网络与掘进机的上一级控制器连接，实现数据传输。典型地，控制模块可包括嵌入式处理器。
具体地，在测量启动前，将多个X型特征标识按照预设排布规则粘贴于前盾后端面，预设排布规则可根据双目相机的视场角进行设置，该预设排布规则的顶点落入双目相机的视场角区域内，典型地，预设排布规则可为十字结构或者类十字结构。
可选地，参考图2所示，X型特征标识包括吸光子标识和反光子标识，吸光子标识采用吸光材料，反光子标识采用反光材料，吸光子标识与反光子标识呈90度交替分布设置。
具体地，可采用黑色吸光布作为吸光子标识的原材料，采用亮银化纤反光布作为反光子标识的原材料，将黑色吸光布与亮银化纤反光布裁剪成顶角为90度的扇形结构，将扇形黑色吸光布与扇形亮银化纤反光布交替分布设置，制作成X型角点特征作为X型特征标识，X型特征标识的吸光子标识吸收光线，反光子标识反射光线，使得X型特征标识区域形成的图像的灰度值显著区别于非特征区域。
结合参考图1所示，该基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法包括以下步骤：
步骤S1：建立前盾坐标系、后盾坐标系及双目相机所在的测量系统坐标系，对前盾坐标系、后盾坐标系及测量系统坐标系进行标定，存储标定结果。
其中，定义前盾坐标系为OBXBYBZB，后盾坐标系为OSXSYSZS，测量系统坐标系为OCXCYCZC，测量系统坐标系建立在位于左侧的第一相机上。
具体地，在将双目视觉系统的各个模块固定安装好之后，通过全站仪建立前盾坐标系OBXBYBZB及后盾坐标系OSXSYSZS，在测量启动前，通过标定获取前盾坐标系OBXBYBZB、测量系统坐标系OCXCYCZC与后盾坐标系OSXSYSZS之间的旋转平移关系，其中，该旋转平移关系可用旋转矩阵R和平移向量T表示。进一步地，可将标定得到的旋转平移关系导入控制模块，控制模块根据标定得到的旋转平移关系进行测量过程中的坐标变换。
在本实施例中，还可通过标定过程，获得前盾坐标系OBXBYBZB下的所有X型特征标识的标定坐标及后盾坐标系OSXSYSZS下的所有X型特征标识的标定坐标，并将该标定结果一并导入控制模块进行存储。
步骤S2：启动测量，获取双目相机采集到的X型特征标识的图像数据，根据图像数据确定图像中的X型特征标识的二维坐标。
在本实施例中，可采用ARM(Advanced RISC Machines，微处理器)+GPU(GraphicsProcessing Unit，图形处理器)为核心的控制模块进行图像处理，可实现处理器的小型化和低功耗，通过USB端口连接双目相机，同时通过一路控制信号连接至相机硬触发信号端，通过一路控制信号连接至照明光源控制开关。
具体地，在掘进机施工过程中，启动测量，控制模块控制照明光源点亮，照明光源照射前盾后端面上设置的多个X型特征标识，通过同步控制信号控制双目相机打开，按照预设时间间隔连续采集施工过程中前盾后端面的图像，并将采集到的图像通过USB端口发送至处理器，处理器进行图像处理，在照明光源照射下，X型特征标识中的反光子标识在图像中显示高亮，而周围的吸光子标识在图像中相对较暗，可将图像中X型特征标识的大体位置确定出来，进而通过特征提取算法提取X型特征标识对应的特征区域，获取测量系统坐标系下的X型特征标识的中心点对应的二维像素坐标。
步骤S3：根据双目立体视觉算法获取X型特征标识在测量系统坐标系下的坐标，通过坐标变换将测量系统坐标系下的坐标变换到后盾坐标系下，结合标定结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息。
具体地，在双目立体视觉测量系统中，对双目相机同步采集的图像数据中的X型特征标识进行匹配，并根据特征点匹配结果进行三维重建，得到测量系统坐标系OCXCYCZC下的所有X型特征标识的三维坐标，根据标定结果中的后盾坐标系OSXSYSZS与测量系统坐标系OCXCYCZC之间的旋转平移关系，对测量系统坐标系OCXCYCZC下的所有X型特征标识的三维坐标进行坐标变换，得到后盾坐标系OSXSYSZS下的所有X型特征标识的三维坐标。
进一步地，根据标定结果中存储的前盾坐标系OBXBYBZB下的所有X型特征标识的标定坐标，通过坐标变换算法得到前盾坐标系OBXBYBZB相对后盾坐标系OCXCYCZC的六自由度变换关系，即得到前盾的第一六自由度信息。
步骤S4：获取第一倾角传感器的第一倾角数据及第二倾角传感器的第二倾角数据。
在本实施例中，第一倾角传感器的坐标轴与前盾坐标系中对应的坐标轴同轴设置，第一倾角传感器随着后盾的运动采集到的第一倾角数据即为前盾的实时滚转轴数据；第二倾角传感器的坐标轴与后盾坐标系中对应的坐标轴同轴设置，第二倾角传感器随着后盾的运动采集到的第二倾角数据即为后盾的实时滚转轴数据。
步骤S5：根据第一倾角数据及第二倾角数据对第一六自由度信息进行修正，确定最终的前盾相对于后盾的实时六自由度信息。
具体地，第一六自由度信息包括三个位置参数和三个倾角参数，根据第一倾角数据及第二倾角数据可计算得到前盾相对于后盾的实时倾转角度，采用该实时倾转角度替换第一自由度信息中对应的倾角参数，得到最终的前盾相对于后盾的实时六自由度信息。
在本实施例中，还可根据前盾相对于后盾的实时六自由度对前盾信息进行运动控制。
在本实施例中，将前盾的实时六自由度通过总线数据传输技术发送至掘进机的上一级控制器，使得上一级控制器根据实时六自由度信息对前盾的运动姿态进行调整，确保掘进机的实际掘进线路与既定隧道设计曲线之间的偏差不超于阈值。
由此，本发明实施例提供的基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，通过设置双目视觉系统进行双护盾之间的空间位置和角度姿态测量，该双目视觉系统包括设置于前盾后端面的多个具有反光特性的X型特征标识，设置于后盾前端面的双目相机及照明光源，与前盾同轴设置的第一倾角传感器，与后盾同轴设置的第二倾角传感器，在测量前，对前盾坐标系、后盾坐标系及测量系统坐标系进行建立及统一标定，存储标定结果；在启动测量后，控制双目相机获取X型特征标识的图像，获取X型特征标识的二维坐标；计算各X型特征标识在测量系统坐标系下的坐标，并通过坐标变换将其变换到后盾坐标系下，结合标定结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息，并根据倾角传感器获取的实时倾角数据对第一六自由度信息进行修正，确定前盾相对于后盾的实时六自由度，实现了利用具有反光特性的特征点进行姿态定位，对环境条件要求低，解决了现有掘进机姿态定位算法测量精度低、效率差的问题，测量效率和测量精度高，系统集成度高，有利于实现姿态定位系统的轻量化及低功耗性能。
可选地，获取双目相机采集到的X型特征标识的图像数据，包括以下步骤：控制照明光源点亮；控制第一相机及第二相机按照相同的预设采样规则连续同步采集多个X型特征标识的图像数据；通过网络端口接收多个X型特征标识的图像数据。
在本实施例中，预设采样规则是指的在采样周期内，每间隔预设间隔时间控制双目相机执行一次图像采集。
具体地，在掘进机施工过程中，控制模块直接控制照明光源常亮，同时按照预设采样规则将同步控制信号输送至双目相机中位于左侧的第一相机及位于右侧的第二相机，控制双目相机连续同步采集前盾后端面的图像，双目相机将图像通过USB端口传送至处理器，处理器接收多个包含有X型特征标识的图像数据，并对接收到的图像数据进行图像处理。
图3是本发明实施例一提供的另一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法的流程图。
可选地，如图3所示，根据图像数据确定测量系统坐标系下的X型特征标识的二维坐标，包括以下步骤：
步骤S201：对X型特征标识的图像数据进行目标初定位识别，获取多个X型角点特征的初步位置。
在本实施例中，在照明光源的照射下，X型特征标识中的反光子标识的亮度大于吸光子标识的亮度，通过自适应二值化处理及形态学运算，可获取图像中的多个X型角点特征的初步位置。
可选地，对X型特征标识的图像数据进行目标初定位识别，包括以下步骤：对X型特征标识的图像进行灰度化处理；根据灰度值对处理后的图像进行阈值分割，获取图像分割结果；采用连通域标记算法标记图像分割结果的连通域；根据连通域标记结果确定多个X型特征标识的初步位置。
具体地，采用处理器对X型特征标识的图像进行灰度化处理，得到灰度化图像，根据预设的分割阈值和公式对灰度图像进行阈值分割，得到二值图像；进而，采用连通域标记算法标记二值图像中的连通域，确定多个X型角点特征的初步位置。
步骤S202：基于X型角点特征的初步位置采用海森矩阵对X型特征标识进行亚像素中心点提取。
具体地，采用海森矩阵算法对X型角点特征对初步筛选后的图像进行亚像素提取，因前盾后端面及环境背景中除X型特征标识外几乎不存在X型角点特征，因此，采用海森矩阵算法，对步骤S201中确定的X型角点特征的初步位置亚像素提取，得到X型角点特征在图像中的亚像素中心点。典型地，本实施例中的图像处理过程可通过GPU进行加速，达到图像快速处理的效果。
步骤S203：根据特征提取结果获取测量系统坐标系下的X型特征标识的中心点的二维坐标。
具体地，可将双目相机采集的图像按照特定步长裁剪成多个像素大小均为m×n的子像素单元，并记录各子像素在原图像中的坐标标签，定义X型特征标识的角点的坐标为(x0，y0)，则角点(x0，y0)的海森矩阵如公式一所示：
Figure BDA0002780066510000131
其中，rxx表示双目相机采集的图像在角点(x0，y0)处沿x方向的二阶梯度，rxy表示双目相机采集的图像在角点(x0，y0)处沿x方向的一阶梯度的沿y方向的一阶梯度，ryy表示双目相机采集的图像在角点(x0，y0)处沿y方向的二阶梯度。
如公式一所示，沿角点(x0，y0)的法线方向的二阶梯度为该点的海森矩阵的最大绝对特征值，角点(x0，y0)的法线方向(nx，ny)该点的特征方向。
本实施例中，定义以角点(x0，y0)为基准点的一阶过零点亚像素坐标为(x0+s，y0+t)，若(s，t)∈[-0.5,0.5]*[-0.5,0.5]，即边缘的一阶过零点位于当前像素内，且二阶梯度值与法线方向的二阶导数大于预设阈值，则该点为边缘中心点，对角点(x0，y0)内子像素点的灰度值进行二阶泰勒展开，得到如下所示的公式二：
Figure BDA0002780066510000141
其中，rx表示双目相机采集的图像在角点(x0，y0)处沿x方向的一阶梯度，ry表示双目相机采集的图像在角点(x0，y0)处沿y方向的一阶梯度。
通过计算可得，如下所示的公式三和公式四：
Figure BDA0002780066510000142
Figure BDA0002780066510000143
结合上述公式，通过亚像素边缘提取方法得到X型特征标识的中心点的二维坐标。
图4是本发明实施例一提供的又一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法的流程图。
可选地，如图4所示，建立前盾坐标系、后盾坐标系及双目相机所在的测量系统坐标系，对前盾坐标系、后盾坐标系及测量系统坐标系进行标定，包括以下步骤：
步骤S101：获取第一相机及第二相机的相机内参及第一相机与第二相机之间的结构参数，根据相机内参及结构参数建立相机矩阵。
步骤S102：采用全站仪测量前盾固有特征，根据测量结果建立前盾坐标系；
步骤S103：获取前盾坐标系下，多个X型特征标识的第一三维标定坐标。
步骤S104：采用全站仪测量后盾固有特征，根据测量结果建立后盾坐标系。
步骤S105：控制第一相机及第二相机分别获取前盾后端面的X型特征标识的标定图像，基于标定图像及相机矩阵获取第一相机与第二相机之间的第一旋转平移关系。
步骤S106：采用全站仪测量后盾坐标系下多个X型特征标识的第二三维标定坐标。
步骤S107：根据标定图像及第二三维标定坐标标定后盾坐标系相对于测量系统坐标系的第二旋转平移关系。
步骤S108：存储标定结果。
具体地，在将双目相机安装在后盾前端面之前，需要在标准实验室环境下标定好双目相机的结构参数及相机内参，根据双目相机的相机内参及结构参数建立双目相机内参数矩阵。采用全站仪测量前盾固有特征，通过前盾固有特征的坐标值拟合建立前盾坐标系OBXBYBZB，将前盾坐标系OBXBYBZB作为全站仪的内置测量坐标系，测量各X型特征标识在前盾坐标系OBXBYBZB下的第一三维标定坐标，将各坐标按预设空间几何拓扑结构进行编号。
进一步地，采用全站仪测量后盾固有特征，通过后盾固有特征的坐标值拟合建立后盾坐标系OSXSYSZS，将后盾坐标系OSXSYSZS作为全站仪的内置测量坐标系，测量各X型特征标识在后盾坐标系OSXSYSZS下的第二三维标定坐标，使用固定好的双目相机拍摄标定过程中X型特征标识的图像，基于标定过程中的图像及双目相机内参数矩阵可计算出第一相机与第二相机之间的第一旋转平移关系，根据各X型特征标识在后盾坐标系OSXSYSZS下的第二三维标定坐标与图像中对应的二维标定坐标，标定后盾坐标系OSXSYSZS相对于测量系统坐标系OCXCYCZC的第二旋转平移关系，将标定参数中各坐标系的坐标变换关系参数导入嵌入式处理器中，作为后续测量计算的基准参数。
图5是本发明实施例一提供的又一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法的流程图。
可选地，如图5所示，上述步骤S3包括以下步骤：
步骤S301：根据极线约束及图像序列一致性约束，对第一相机及第二相机同步采集的图像数据中的X型特征标识进行匹配，确定各X型特征标识的编号。
可选地，结合参考图2所示，根据双目相机的视场变化，在前盾后端面设置9个X型特征标识，多个具有反光特性的X型特征标识包括第一X型特征标识、第二X型特征标识、第三X型特征标识、第四X型特征标识、第五X型特征标识、第六X型特征标识、第七X型特征标识、第八X型特征标识及第九X型特征标识。
在本实施例中，在双目视觉测量系统中，在第一相机建立第一视平面Ⅰ，并在第二相机建立第二视平面Ⅱ。
图6是本发明实施例一提供一种双目视觉系统的视平面的结构示意图。
具体地，结合参考图6所示，在双目视觉测量系统中，定义第一视平面Ⅰ的光心为C1，第二视平面Ⅱ的光心为C2，光心连线C1C2与第一视平面Ⅰ的交点为E1，光心连线C1C2与第二视平面Ⅱ的交点为E2，其中，E1为第一视平面Ⅰ的极点，E2为第二视平面Ⅱ的极点。
以空间一点P为例，其在第一视平面Ⅰ的投影为P1，其在第二视平面Ⅱ的投影为P2，由C1、C2、P1、P2及P所确定的平面称为极平面，极平面与第一视平面Ⅰ的交线为点P1的极线DE1，对称地，极平面与第二视平面Ⅱ的交线为点P2的极线DE2，参考图6所示，第一视平面Ⅰ上的任何极线DE1均经过极点E1，第二视平面Ⅱ上的任何极线DE2均经过极点E2。
在对第一相机及第二相机的图像中的特征点进行匹配时，设置预设误差范围，在该预设误差范围内的极线带上进行特征点搜索，若极线带内存在多个待匹配的特征点，则根据两个图像中同一极线上的对应匹配点的图像序列一致，进行特征点的匹配，从而确定各X型特征标识的标号。
步骤S302：对匹配好的各特征点进行三维重建，得到测量系统坐标系下的各X型特征标识的三维坐标。
具体地，在双目视觉测量系统中，以第一相机为基准，定义第一相机获取到的图像中特征点的二维像素坐标为(x，y)，在标定过程中，通过步骤S101获得相机矩阵Q，可得特征点对应的世界坐标的齐次式，该齐次式如公式五所示：
Figure BDA0002780066510000171
其中，[X，Y，Z，w]T表示图像中特征点的世界坐标的齐次式，x，y表示图像中特征点的横、纵坐标，d表示第一相机与第二相机之间的视差，相机矩阵Q如公式六所示：
Figure BDA0002780066510000181
其中，相机内参cx、cy表示相机的主点坐标，相机内参f表示相机的焦距，Tx表示第一相机与第二相机的基线距。
步骤S303：通过坐标变换确定后盾坐标系下的各X型特征标识的三维坐标。
具体地，通过上述步骤S107，可得到后盾坐标系相对于测量系统坐标系的第二旋转平移关系，该第二旋转平移关系可用旋转矩阵R及平移向量T表示。
本实施例中，通过建立后盾坐标系与测量系统坐标系之间的一一对应关系实现坐标系变换，变换公式如下所示：
Figure BDA0002780066510000182
其中，R表示从坐标系2变换到坐标系1的旋转矩阵，T表示从坐标系2变换到坐标系1的平移向量，O表示一行三列的元素全为0的行向量，[xi，yi，zi，1]T表示空间中点在坐标系i下的齐次坐标。
本实施例中，定义旋转矩阵R和平移向量T的公式如下：
Figure BDA0002780066510000191
Figure BDA0002780066510000192
步骤S304：获取前盾坐标系下的各X型特征标识的第一三维标定坐标。
步骤S305：通过公共点变换算法计算前盾相对于后盾的第一六自由度信息。
其中，公共点变换算法是指利用两个坐标系之间的多组公共点求解两坐标系的空间变换关系的算法。在两个坐标系中，公共观测点之间的相对位置保持不变，基于此，可以实现不同坐标系之间的相互变换。
可选地，上述步骤S305，包括以下步骤：获取坐标系变换所需的N个公共观测点；获取各公共观测点的测量值满足的几何变换公式；基于几何变换公式，建立所有公共观测点的变换误差的最小二乘函数；根据最小二乘函数的求解结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息。
具体地，定义公共观测点的测量值xi及yi满足的刚性的几何变换公式如下：
ei＝R*xi+T-yi (公式十)
其中，ei表示N个公共观测点中的第i个公共观测点的测量误差引起的变换误差。
结合公式十，建立的两个坐标系之间变换误差RE的最小二乘函数如下：
Figure BDA0002780066510000193
其中，N表示参与坐标系变换的公共观测点的数量。
进一步地，可通过求解最小二乘函数的最优解，获得最佳的一组旋转矩阵R及平移向量T，并根据最佳的一组旋转矩阵R及平移向量T确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息，采用倾角传感器获得的倾转角度对第一六自由度信息中的倾角参数进行修正，得到最终的实时六自由度信息。
可选地，可采用RS-485总线将前盾的实时六自由度信息传输至上一级控制器，实现运动反馈，并根据反馈的实时六自由度信息对前盾进行运动控制。
可选地，在前盾的空间位置及角度姿态发生变化时，X型特征标识与前盾的相对位置关系保持不变，双目相机与后盾的相对位置关系保持不变，双目相机具有第一视场角，照明光源具有第二视场角，第一视场角小于等于第二视场角，X型特征标识的运动区间落入第一视场角。
本实施例中，设置双目相机的视场角小于照明光源的视场角，且X型特征标识的运动区间落入双目相机的视场角，可以保证双目相机的有效采集，提高测量精度。
实施例二
本发明实施例二提供了一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量系统。图7是本发明实施例二提供的一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量系统的结构示意图。本实施例适用于对双护盾的前盾与后盾之间的相对六自由度信息进行测量的应用场景。
如图7所示，该基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量系统100包括：设置于前盾后端面的多个具有反光特性的X型特征标识10，设置于后盾前端面的双目相机20、照明光源30及控制模块40，与前盾同轴设置的第一倾角传感器50，与后盾同轴设置的第二倾角传感器60，双目相机20包括第一相机及第二相机，双目相机20及照明光源30分别与控制模块40电连接；控制模块40用于控制照明光源30点亮或者熄灭，并控制双目相机20采集X型特征标识10的图像数据，并根据图像数据确定测量系统坐标系下的X型特征标识10的二维坐标，以及根据双目立体视觉算法获取X型特征标识10在测量系统坐标系下的坐标，通过坐标变换将测量系统坐标系下的坐标变换到后盾坐标系下，结合标定结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息，控制模块还用于获取第一倾角传感器的第一倾角数据及第二倾角传感器的第二倾角数据，并根据第一倾角数据及第二倾角数据对第一六自由度信息进行修正，确定最终的前盾相对于后盾的实时六自由度信息，并根据实时六自由度信息对前盾进行运动控制。
可选地，X型特征标识10包括吸光子标识和反光子标识，吸光子标识采用吸光材料，反光子标识采用反光材料，吸光子标识与反光子标识呈90度交替分布设置。
可选地，双目相机20通过USB数据线及同步信号触发线与控制模块40连接，照明光源30通过控制线与控制模块40连接，控制模块40用于控制照明光源点亮，同时控制双目相机20的两个相机按照预设采样规则连续同步采集多个X型特征标识10的图像数据，控制模块40还通过USB端口接收多个X型特征标识的图像数据。
可选地，控制模块40包括初定位单元和计算单元，初定位单元，用于对X型特征标识10的图像数据进行目标初定位识别，获取多个X型角点特征的初步位置；计算单元，用于根据X型角点特征的初步位置采用海森矩阵对X型特征标识10进行亚像素中心点提取，并根据特征提取结果获取X型特征标识10的中心点二维坐标。
可选地，初定位单元包括灰度处理单元、图像分割单元、连通域标记单元及识别单元，灰度处理单元用于对X型特征标识的图像进行灰度化处理；图像分割单元用于根据灰度值对处理后的图像进行阈值分割，获取图像分割结果；连通域标记单元用于根据预设连通域标记算法标记图像分割结果的连通域；识别单元用于根据连通域标记结果确定多个X型特征标识的初步位置。
可选地，该基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量系统100还包括标定模块，标定模块用于获取第一相机及第二相机的相机内参及第一相机与第二相机之间的结构参数，根据相机内参及结构参数建立相机矩阵；采用全站仪测量前盾固有特征，根据测量结果建立前盾坐标系；获取前盾坐标系下，多个X型特征标识的第一三维标定坐标；采用全站仪测量后盾固有特征，根据测量结果建立后盾坐标系；控制第一相机及第二相机分别获取X型特征标识的标定图像，基于标定图像及相机矩阵获取第一相机与第二相机之间的第一旋转平移关系；采用全站仪测量后盾坐标系下多个X型特征标识的第二三维标定坐标；根据标定图像及第二三维标定坐标，标定后盾坐标系相对于测量系统坐标系的第二旋转平移关系；以及存储标定结果。
可选地，控制模块40还包括坐标系变换处理单元，坐标系变换处理单元用于根据极线约束及图像序列一致性约束，对第一相机及第二相机同步采集的图像数据中的X型特征标识进行匹配，确定各X型特征标识的编号；对匹配好的各特征点进行三维重建，得到测量系统坐标系下的各X型特征标识的三维坐标；通过坐标变换确定后盾坐标系下的各X型特征标识的三维坐标；获取前盾坐标系下，多个X型特征标识的第一三维标定坐标；通过公共点变换算法计算前盾相对于后盾的第一六自由度信息。
可选地，坐标系变换处理单元还用于获取坐标系变换所需的N个公共观测点；获取各公共观测点的测量值满足的几何变换公式；基于几何变换公式，建立所有公共观测点的变换误差的最小二乘函数；根据最小二乘函数的求解结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息。
可选地，在前盾的空间位置及角度姿态发生变化时，X型特征标识与前盾的相对位置关系保持不变，双目相机与后盾的相对位置关系保持不变，双目相机具有第一视场角，照明光源具有第二视场角，第一视场角小于等于第二视场角，X型特征标识的运动区间落入第一视场角。
综上，本发明实施例提供的基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，通过设置双目视觉系统进行双护盾之间的空间位置及角度姿态测量，该双目视觉系统包括设置于前盾后端面的多个具有反光特性的X型特征标识，设置于后盾前端面的双目相机及照明光源，在测量前，对前盾坐标系、后盾坐标系及测量系统坐标系进行建立及统一标定，存储标定结果；在启动测量后，控制双目相机获取X型特征标识的图像，获取X型特征标识的二维坐标；计算各X型特征标识在测量系统坐标系下的坐标，并通过坐标变换将其变换到后盾坐标系下，结合标定结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息，并根据倾角传感器获取的实时倾角数据对第一六自由度信息进行修正，确定前盾相对于后盾的实时六自由度，实现了利用具有反光特性的特征点进行姿态定位，对环境条件要求低，解决了现有掘进机姿态定位系统测量精度低、效率差的问题，测量效率和测量精度高，系统集成度高，有利于实现姿态定位系统的轻量化及低功耗性能。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，用于对双护盾的前盾与后盾之间的相对六自由度信息进行测量，其特征在于，所述双目视觉系统包括设置于前盾后端面的多个具有反光特性的X型特征标识，设置于后盾前端面的双目相机及照明光源，与所述前盾同轴设置的第一倾角传感器，与所述后盾同轴设置的第二倾角传感器，所述双目相机包括第一相机和第二相机，所述方法包括以下步骤：
建立前盾坐标系、后盾坐标系及双目相机所在的测量系统坐标系，对所述前盾坐标系、后盾坐标系及测量系统坐标系进行标定，存储标定结果；
启动测量，获取双目相机采集到的X型特征标识的图像数据，根据所述图像数据确定图像中的X型特征标识的二维坐标；
根据双目立体视觉算法获取所述X型特征标识在所述测量系统坐标系下的坐标，通过坐标变换将所述测量系统坐标系下的坐标变换到所述后盾坐标系下，结合标定结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息；
获取所述第一倾角传感器的第一倾角数据及所述第二倾角传感器的第二倾角数据；
根据所述第一倾角数据及所述第二倾角数据对所述第一六自由度信息进行修正，确定最终的前盾相对于后盾的实时六自由度信息。
2.根据权利要求1所述的基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，其特征在于，所述X型特征标识包括吸光子标识和反光子标识，所述吸光子标识采用吸光材料，所述反光子标识采用反光材料，所述吸光子标识与所述反光子标识呈90度交替分布设置。
3.根据权利要求1或2所述的基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，其特征在于，所述获取双目相机采集到的X型特征标识的图像数据，包括以下步骤：
控制所述照明光源点亮；
控制所述第一相机及所述第二相机按照相同的预设采样规则连续同步采集多个X型特征标识的图像数据；
通过网络端口接收所述多个X型特征标识的图像数据。
4.根据权利要求1或2所述的基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，其特征在于，所述根据所述图像数据确定图像中的X型特征标识的二维坐标，包括以下步骤：
对所述X型特征标识的图像数据进行目标初定位识别，获取多个X型角点特征的初步位置；
基于X型角点特征的初步位置采用海森矩阵对所述X型特征标识进行亚像素中心点提取；
根据特征提取结果获取所述X型特征标识的二维坐标。
5.根据权利要求4所述的基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，其特征在于，所述对所述X型特征标识的图像数据进行目标初定位识别，包括以下步骤：
对所述X型特征标识的图像进行灰度化处理；
根据灰度值对处理后的图像进行阈值分割，获取图像分割结果；
采用连通域标记算法标记所述图像分割结果的连通域；
根据连通域标记结果确定多个X型特征标识的初步位置。
6.根据权利要求1或2所述的基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，其特征在于，所述建立前盾坐标系、后盾坐标系及双目相机所在的测量系统坐标系，对所述前盾坐标系、后盾坐标系及测量系统坐标系进行标定，包括以下步骤：
获取所述第一相机及所述第二相机的相机内参及所述第一相机与所述第二相机之间的结构参数，根据所述相机内参及所述结构参数建立相机矩阵；
采用全站仪测量前盾固有特征，根据测量结果建立所述前盾坐标系；
获取所述前盾坐标系下，多个X型特征标识的第一三维标定坐标；
采用全站仪测量后盾固有特征，根据测量结果建立所述后盾坐标系；
控制所述第一相机及所述第二相机分别获取所述X型特征标识的标定图像，基于所述标定图像及所述相机矩阵获取所述第一相机与所述第二相机之间的第一旋转平移关系；
采用全站仪测量所述后盾坐标系下多个X型特征标识的第二三维标定坐标；
根据所述标定图像及所述第二三维标定坐标，标定所述后盾坐标系相对于所述测量系统坐标系的第二旋转平移关系；
存储标定结果。
7.根据权利要求6所述的基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，其特征在于，所述根据双目立体视觉算法获取所述X型特征标识在所述测量系统坐标系下的坐标，通过坐标变换将所述测量系统坐标系下的坐标变换到所述后盾坐标系下，结合标定结果，确定前盾相对于后盾的实时六自由度，包括以下步骤：
根据极线约束及图像序列一致性约束，对所述第一相机及所述第二相机同步采集的图像数据中的X型特征标识进行匹配，确定各X型特征标识的编号；
对匹配好的各特征点进行三维重建，得到所述测量系统坐标系下的各X型特征标识的三维坐标；
通过坐标变换确定所述后盾坐标系下的各X型特征标识的三维坐标；
获取所述前盾坐标系下，多个X型特征标识的第一三维标定坐标；
通过公共点变换算法计算前盾相对于后盾的第一六自由度信息。
8.根据权利要求7所述的基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，其特征在于，所述通过公共点变换算法计算前盾相对于后盾的第一六自由度信息，包括以下步骤：
获取坐标系变换所需的N个公共观测点；
获取各公共观测点的测量值满足的几何变换公式；
基于所述几何变换公式，建立所有公共观测点的变换误差的最小二乘函数；
根据所述最小二乘函数的求解结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息。
9.根据权利要求1或2所述的基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量方法，其特征在于，所述X型特征标识与所述前盾的相对位置关系保持不变，所述双目相机与所述后盾的相对位置关系保持不变，所述双目相机具有第一视场角，所述照明光源具有第二视场角，所述第一视场角小于等于所述第二视场角，所述X型特征标识的运动区间落入所述第一视场角。
10.一种基于双目视觉系统的双护盾六自由度测量系统，用于对双护盾的前盾与后盾之间的相对六自由度信息进行测量，其特征在于，包括：设置于前盾后端面的多个具有反光特性的X型特征标识，设置于后盾前端面的双目相机、照明光源及控制模块，与所述前盾同轴设置的第一倾角传感器，与所述后盾同轴设置的第二倾角传感器，所述双目相机包括第一相机和第二相机，所述双目相机及所述照明光源分别与所述控制模块电连接；
所述控制模块用于控制所述照明光源点亮或者熄灭，并控制所述双目相机采集所述X型特征标识的图像数据，并根据所述图像数据确定图像中的X型特征标识的二维坐标，以及根据双目立体视觉算法获取所述X型特征标识在所述测量系统坐标系下的坐标，通过坐标变换将所述测量系统坐标系下的坐标变换到所述后盾坐标系下，结合标定结果，确定前盾相对于后盾的第一六自由度信息；
所述控制模块还用于获取所述第一倾角传感器的第一倾角数据及所述第二倾角传感器的第二倾角数据，并根据所述第一倾角数据及所述第二倾角数据对所述第一六自由度信息进行修正，确定最终的前盾相对于后盾的实时六自由度信息。
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