CN112697091B

CN112697091B - 一种中继跟踪器的跟踪扫描系统、标定方法及测量方法

Info

Publication number: CN112697091B
Application number: CN202011414461.5A
Authority: CN
Inventors: 郑顺义; 王晓南; 李志权; 成剑华; 刘庆龙
Original assignee: Wuhan Zhongguan Automation Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Zhongguan Automation Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-07
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2022-10-18
Anticipated expiration: 2040-12-07
Also published as: CN112697091A

Abstract

本发明涉及一种中继跟踪器的跟踪扫描系统、标定方法及测量方法，该方法包括：根据外部扫描结果，确定中继跟踪器的标靶点坐标系；根据标定板、主跟踪器和中继跟踪器的相对位置关系，确定中继跟踪器的跟踪系统坐标系；通过标定板、主跟踪器和中继跟踪器的坐标变换关系，确定标靶点坐标系转换到主跟踪器的三维跟踪坐标系的第一转换式、三维跟踪坐标系转换到标定坐标系的第二转换式以及标定坐标系转换到跟踪系统坐标的第三转换式；根据三个转换式，确定标靶点坐标系转换到跟踪系统坐标的第四转换式。本发明的中继跟踪器，既可以被跟踪，也可以跟踪下一级中继式跟踪器，延长跟踪器跟踪距离和扫描区域，以此保证扫描定位的准确性。

Description

一种中继跟踪器的跟踪扫描系统、标定方法及测量方法

技术领域

本发明涉及三维测量技术领域，尤其涉及一种中继跟踪器的跟踪扫描系统、标定方法及测量方法。

背景技术

基于跟踪器的大型物体三维测量方法是一种新兴的三维测量技术，目前市面上的跟踪式的三维扫描系统基于单一跟踪功能的跟踪器、标定板和扫描球，通过跟踪器和扫描球跟踪标定板上的标记，测量大型物体的局部三维数据，将局部三维数据拼接，以完成对大型物体的整体扫描测量。然而上述三维测量技术存在多种弊端，一方面，易遗漏局部三维数据，无法完成完整的测量扫描，扫描过程中，跟踪器和扫描球之间有时是被现场的工作环境遮挡，有时是被大型的被测物体遮挡，被遮挡之后就不能完成对局部的扫描；另一方面，跟踪器的跟踪范围受限，由于跟踪器的相机分辨率是由双目相机的基线长度和双目相机的相对角度所决定的，双目相机对跟踪范围的限制，易导致最终的扫描无法达到预定要求。

因而，如何进行覆盖范围完整、精度高的跟踪扫描是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种中继跟踪器的跟踪扫描系统、标定方法及测量方法，用以解决如何进行覆盖范围完整、精度高的跟踪扫描的问题。

本发明提供一种中继跟踪器的跟踪扫描系统，包括含有已知标定坐标系的标定板、具有跟踪功能的主跟踪器和多个具有跟踪靶点和跟踪功能的中继跟踪器，其中，多个所述中继跟踪器形成级联结构，且每一所述中继跟踪器用于被上一级中继跟踪器跟踪和/或用于跟踪下一级中继跟踪器。

本发明还提供一种中继跟踪器的标定方法，基于如上所述的中继跟踪器的跟踪扫描系统，所述中继跟踪器的标定方法包括：

根据外部扫描结果，确定所述中继跟踪器的标靶点坐标系；

根据标定板、主跟踪器和所述中继跟踪器的相对位置关系，确定所述中继跟踪器的跟踪系统坐标系；

通过所述标定板、所述主跟踪器和所述中继跟踪器的坐标变换关系，确定所述标靶点坐标系转换到所述主跟踪器的三维跟踪坐标系的第一转换式、所述三维跟踪坐标系转换到标定坐标系的第二转换式以及所述标定坐标系转换到所述跟踪系统坐标的第三转换式；

根据所述第一转换式、所述第二转换式和所述第三转换式，确定所述标靶点坐标系转换到所述跟踪系统坐标的第四转换式。

进一步地，所述第一转换式表示为：

P_t(x,y,z)＝Inverse(RT|_{t_to_r_m})*P_{r_m}(x,y,z)

其中，P_t(x,y,z)表示所述三维跟踪坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{t_to_r_m})表示所述三维跟踪坐标系转换到所述标靶点坐标系的第一旋转平移关系对应的逆运算，P_{r_m}(x,y,z)表示所述标靶点坐标系下的三维坐标点，其中，所述第一旋转平移关系通过所述主跟踪器跟踪所述中继跟踪器的靶点而确定。

进一步地，所述第二转换式表示为：

P_b(x,y,z)＝[RT|_{t_to_b}]*P_t(x,y,z)

其中，P_b(x,y,z)表示所述标定坐标系下的三维坐标点，RT|_{t_to_b}表示所述三维跟踪坐标系转换到所述标定坐标系的第二旋转平移关系，P_t(x,y,z)表示所述三维跟踪坐标系下的三维坐标点，其中，所述第二旋转平移关系通过所述主跟踪器跟踪所述标定坐标系而确定。

进一步地，所述第三转换式表示为：

P_{r_t}(x,y,z)＝Inverse(RT|_{r_t_to_b})*P_b(x,y,z)

其中，P_{r_t}(x,y,z)表示所述跟踪系统坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{r_t_to_b})表示所述跟踪系统坐标系转换到所述标定坐标系的第三旋转平移关系的逆运算，P_b(x,y,z)表示所述标定坐标系下的三维坐标点，其中，所述第三旋转平移关系通过所述中继跟踪器跟踪所述标定坐标系而确定。

进一步地，所述第四转换式表示为：

P_{r_t}(x,y,z)＝Inverse(RT|_{r_t_to_b})*[RT|_{t_to_b}]*Inverse(RT|_{t_to_r_m})*P_{r_m}(x,y,z)

其中，P_{r_t}(x,y,z)表示所述跟踪系统坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{t_to_r_m})表示所述三维跟踪坐标系转换到所述标靶点坐标系的第一旋转平移关系对应的逆运算，RT|_{t_to_b}表示所述三维跟踪坐标系转换到所述标定坐标系的第二旋转平移关系，Inverse(RT|_{r_t_to_b})表示所述跟踪系统坐标系转换到所述标定坐标系的第三旋转平移关系的逆运算，P_{r_m}(x,y,z)表示所述标靶点坐标系下的三维坐标点；

其中，所述第一旋转平移关系通过所述主跟踪器跟踪所述中继跟踪器的靶点而确定，所述第二旋转平移关系通过所述主跟踪器跟踪所述标定坐标系而确定，所述第三旋转平移关系通过所述中继跟踪器跟踪所述标定坐标系而确定。

进一步地，上述中继跟踪器的标定方法还包括：

根据所述第四转换式，确定所述标靶点坐标系转换到所述跟踪系统坐标之间的变换矩阵；

获取所述中继跟踪器处于不同标定位置的姿态信息；

根据最小二乘法对多个所述姿态信息进行数据处理，使所述变换矩阵的误差最小。

本发明还提供一种中继跟踪器的测量方法，包括：

在标定后的跟踪扫描系统中，获取中继跟踪器在跟踪系统坐标系下的三维坐标点、所述跟踪系统坐标系转换到主跟踪器的三维跟踪坐标系下的跟踪转换式、以及所述中继跟踪器之间的中继转换式，其中，所述跟踪扫描系统通过如上所述的中继跟踪器的标定方法进行标定；

根据所述中继跟踪器在跟踪系统坐标系下的三维坐标点、所述跟踪转换式以及所述中继转换式，确定第n层中继跟踪器转换到所述主跟踪器的三维跟踪坐标系下的第n层跟踪转换式，其中，n为整数。

进一步地，所述跟踪转换式表示为：

P_t(x,y,z)＝Inverse(RT|_{t_to_r_t})*P_{r_t}(x,y,z)

其中，P_t(x,y,z)表示所述三维跟踪坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{t_to_r_t})表示所述三维跟踪坐标系转换到所述跟踪系统坐标系的第四旋转平移关系对应的逆运算，P_{r_t}(x,y,z)表示所述跟踪系统坐标系下的三维坐标点。

进一步地，所述第n层跟踪转换式表示为：

P_t(x,y,z)＝Inverse(RT|_{t_to_r_t})*…*Inverse(RT|_{r(j)_to_r(j+1)})*…*Inverse(RT|_{r(n-1)_to_r(n)})*P_{r_t}(x,y,z)

其中，P_t(x,y,z)表示所述三维跟踪坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{t_to_r_t})表示所述三维跟踪坐标系转换到所述跟踪系统坐标系的第四旋转平移关系对应的逆运算，P_{r_t}(x,y,z)表示所述第n层级联型中继跟踪器在所述跟踪系统坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{r(j)_to_r(j+1)})表示第j层中继跟踪器到第j+1中继跟踪器之间的中继转换式的逆运算，Inverse(RT|_{r(n-1)_to_r(n)})表示第n-1层中继跟踪器到第n层所述中继跟踪器之间的中继转换式的逆运算，j为小于n的整数。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：在中继跟踪器的跟踪扫描系统中，定义了一种新的中继式跟踪器，不仅具有跟踪功能，同时它还能被其他中继跟踪器跟踪，以形成级联型的中继结构，不仅避免了工作环境形成的遮挡，还延长了跟踪器的跟踪区域和扫描仪的工作范围。在中继跟踪器的跟踪扫描系统的基础上，提出了一种中继跟踪器的标定方法，在该方法中，首先，通过外部扫描结果，以确定标靶点坐标系，通过系统中的相对位置关系，以确定跟踪系统坐标系，其中，标靶点坐标系反馈该中继跟踪器被其他中继跟踪器跟踪的状态，跟踪系统坐标系反馈该中继跟踪器跟踪其他中继跟踪器的状态，以此结合中继跟踪器的两种功能，建立两种坐标系；进而，通过主跟踪器、主跟踪器和中继跟踪器的坐标变换关系，确定多种转换式，作为坐标转换的基础；最后，通过多种转换式，确定标靶点坐标系和跟踪系统坐标之间的转换，以此反映中继式跟踪器跟踪和被跟踪两种功能的坐标转换，以便级联系统的坐标转换。在中继跟踪器的测量方法中，首先，在上述中继跟踪器的标定方法的基础上，确定标定后的跟踪扫描系统，根据标定后的跟踪扫描系统，确定对应的跟踪转换式、中继转换式；进而通过跟踪转换式、中继转换式，将第n层中继跟踪器转换到主跟踪器的三维跟踪坐标系下，基于级联结构完成坐标转换，有效扩大了跟踪区域，完成精准的扫描。综上，本发明利用了中继跟踪器，使其既可以被跟踪，也可以跟踪下一级中继式跟踪器，延长跟踪器跟踪距离和扫描区域，同时通过多种转换关系，进行准确的标定和测量，以此保证扫描定位的准确性。

附图说明

图1为本发明提供的中继跟踪器的跟踪扫描系统的结构示意图；

图2为本发明提供的中继跟踪器的标定方法的流程示意图；

图3为本发明提供的确定变换矩阵的流程示意图；

图4为本发明提供的中继跟踪器的标定装置的结构示意图；

图5为本发明提供的中继跟踪器的测量方法的流程示意图；

图6为本发明提供的中继跟踪器的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种中继跟踪器的跟踪扫描系统，结合图1来看，图1为本发明提供的中继跟踪器的跟踪扫描系统的结构示意图，该系统包括含有已知标定坐标系的标定板、具有跟踪功能的主跟踪器和多个中继跟踪器具有跟踪靶点和跟踪功能，其中，多个中继跟踪器形成级联结构，且每一中继跟踪器用于被上一级中继跟踪器跟踪和/或用于跟踪下一级中继跟踪器。

本发明实施例提供的中继跟踪器的跟踪扫描系统，在中继跟踪器的跟踪扫描系统中，定义了一种新的中继式跟踪器，不仅具有跟踪功能，同时它还能被其他中继跟踪器跟踪，以形成级联型的中继结构，基于该级联型的中继结构，形成全面的扫描范围，不仅避免了工作环境形成的遮挡，还延长了跟踪器的跟踪区域和扫描仪的工作范围。

实施例2

本发明实施例提供了一种中继跟踪器的标定方法，结合图2来看，图2为本发明提供的中继跟踪器的标定方法的流程示意图，上述标定方法基于实施例1的中继跟踪器的跟踪扫描系统，上述中继跟踪器的标定方法包括步骤S101至步骤S104，其中：

在步骤S101中，根据外部扫描结果，确定中继跟踪器的标靶点坐标系；

在步骤S102中，根据标定板、主跟踪器和中继跟踪器的相对位置关系，确定中继跟踪器的跟踪系统坐标系；

在步骤S103中，通过标定板、主跟踪器和中继跟踪器的坐标变换关系，确定标靶点坐标系转换到主跟踪器的三维跟踪坐标系的第一转换式、三维跟踪坐标系转换到标定坐标系的第二转换式以及标定坐标系转换到跟踪系统坐标的第三转换式；

在步骤S104中，根据第一转换式、第二转换式和第三转换式，确定标靶点坐标系转换到跟踪系统坐标的第四转换式。

本发明实施例在中继跟踪器的跟踪扫描系统的基础上，提出了一种中继跟踪器的标定方法，在该方法中，首先，通过外部扫描结果，以确定标靶点坐标系，通过系统中的相对位置关系，以确定跟踪系统坐标系，其中，标靶点坐标系反馈该中继跟踪器被其他中继跟踪器跟踪的状态，跟踪系统坐标系反馈该中继跟踪器跟踪其他中继跟踪器的状态，以此结合中继跟踪器的两种功能，建立两种坐标系；进而，通过主跟踪器、主跟踪器和中继跟踪器的坐标变换关系，确定多种转换式，作为坐标转换的基础；最后，通过多种转换式，确定标靶点坐标系和跟踪系统坐标之间的转换，以此反映中继式跟踪器跟踪和被跟踪两种功能的坐标转换，以便级联系统的坐标转换。

优选地，第一转换式表示为：

P_t(x,y,z)＝Inverse(RT|_{t_to_r_m})*P_{r_m}(x,y,z)

其中，P_t(x,y,z)表示三维跟踪坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{t_to_r_m})表示三维跟踪坐标系转换到标靶点坐标系的第一旋转平移关系对应的逆运算，P_{r_m}(x,y,z)表示标靶点坐标系下的三维坐标点，其中，第一旋转平移关系通过主跟踪器跟踪中继跟踪器的靶点而确定。

由此，设置第一转换式有效反映三维跟踪坐标系转换到标靶点坐标系之间的转换关系，以便后续确定标靶点坐标系和跟踪系统坐标之间的转换。

需要说明的是，P_t(x,y,z)对应的是主跟踪器(track)的三维跟踪坐标系下的三维坐标点，P_{r_m}(x,y,z)对应的是中继跟踪器的标靶点坐标系(relay-markers)下的三维坐标点，P_{r_t}(x,y,z)对应的是中继跟踪器的跟踪系统坐标系(relay-track)下的三维坐标点，P_b(x,y,z)对应的是标定板(board)的标定坐标系下的三维坐标点，RT|_{t_to_r_m}对应的是主跟踪器(track)的三维跟踪坐标系转换到中继跟踪器的标靶点坐标系(relay-markers)的第一旋转平移关系，RT|_{t_to_b}对应的是主跟踪器(track)的三维跟踪坐标系转换到标定板(board)的标定坐标系的第二旋转平移关系，RT|_{r_t_to_b}对应的是中继跟踪器的跟踪系统坐标系(relay-track)转换到标定板(board)的标定坐标系的第三旋转平移关系，类似的公式表达意义在此不再赘述。

优选地，第二转换式表示为：

P_b(x,y,z)＝[RT|_{t_to_b}]*P_t(x,y,z)

其中，P_b(x,y,z)表示标定坐标系下的三维坐标点，RT|_{t_to_b}表示三维跟踪坐标系转换到标定坐标系的第二旋转平移关系，P_t(x,y,z)表示三维跟踪坐标系下的三维坐标点，其中，第二旋转平移关系通过主跟踪器跟踪标定坐标系而确定。

由此，设置第二转换式有效反映三维跟踪坐标系转换到标定坐标系之间的转换关系，以便后续确定标靶点坐标系和跟踪系统坐标之间的转换。

优选地，第三转换式表示为：

P_{r_t}(x,y,z)＝Inverse(RT|_{r_t_to_b})*P_b(x,y,z)

其中，P_{r_t}(x,y,z)表示跟踪系统坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{r_t_to_b})表示跟踪系统坐标系转换到标定坐标系的第三旋转平移关系的逆运算，P_b(x,y,z)表示标定坐标系下的三维坐标点，其中，第三旋转平移关系通过中继跟踪器跟踪标定坐标系而确定。

由此，设置第三转换式有效跟踪系统坐标系转换到标定坐标系之间的转换关系，以便后续确定标靶点坐标系和跟踪系统坐标之间的转换。

优选地，第四转换式表示为：

其中，P_{r_t}(x,y,z)表示跟踪系统坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{t_to_r_m})表示三维跟踪坐标系转换到标靶点坐标系的第一旋转平移关系对应的逆运算，RT|_{t_to_b}表示三维跟踪坐标系转换到标定坐标系的第二旋转平移关系，Inverse(RT|_{r_t_to_b})表示跟踪系统坐标系转换到标定坐标系的第三旋转平移关系的逆运算，P_{r_m}(x,y,z)表示标靶点坐标系下的三维坐标点；

其中，第一旋转平移关系通过主跟踪器跟踪中继跟踪器的靶点而确定，第二旋转平移关系通过主跟踪器跟踪标定坐标系而确定，第三旋转平移关系通过中继跟踪器跟踪标定坐标系而确定。

由此，通过多种转换式，确定标靶点坐标系和跟踪系统坐标之间的转换，以此反映中继式跟踪器跟踪和被跟踪两种功能的坐标转换，以便级联系统的坐标转换，保证将级联扫描的结果统一于主跟踪器的三维跟踪坐标系下。

优选地，结合图3来看，图3为本发明提供的确定变换矩阵的流程示意图，上述标定方法还包括步骤S105至步骤S107，其中：

在步骤S105中，根据第四转换式，确定标靶点坐标系转换到跟踪系统坐标之间的变换矩阵；

在步骤S106中，获取中继跟踪器处于不同标定位置的姿态信息；

在步骤S107中，根据最小二乘法对多个姿态信息进行数据处理，使变换矩阵的误差最小。

由此，通过最小二乘法，利用多个姿态信息确定精确的变换矩阵，保证中继跟踪器进行跟踪和被跟踪两种功能的坐标转换。

在本发明一个具体的实施例中，中继跟踪器的标靶点坐标系和中继跟踪器的跟踪系统坐标系应该保持一个刚性的变换关系，即RT|_{r_m_to_r_t}，当中继跟踪器处于姿态i位置是，上述变换关系记为RT⁽ⁱ⁾|_{r_m_to_r_t}，其中i＝0,1,2,…,n，RT实际上是一个4*3的一个变换矩阵，表示为：

其中，旋转矩阵为

平移向量为

通过多个姿态数据的计算可以利用最小二乘法，可以平差得到一个精度较高的RT|_{r_m_to_r_t}，这也就完成了中继跟踪器的标定过程。

在本发明一个具体的实施例中，标定过程如下：

步骤1：准备一个已知标定坐标系的标定板(可以是发光标定板，也可以是黏贴标志点的不发光标定板)；

步骤2：准备一个较大范围的跟踪器设备；

步骤3：利用手持扫描仪或其他扫描设备扫描得到中继跟踪器的标靶点坐标系，记为标靶点坐标系V1；

步骤4：固定跟踪器和平面标定板位置，使得跟踪器可以跟踪到平面标定板；

步骤5：在步骤4的基础上，将中继跟踪器选取在其中若干个位置，保证其既可以被其他中继跟踪器跟踪到，其自身又可以跟踪到标定板；

通过若干个可以看到标定板的位置，利用单应变换关系可以估算出中继跟踪器的双相机内参数，同时也可以标定出双目相机的外参数，一般的我们以双目相机的左相机的相机光心为相机的坐标系原点，此坐标系记为跟踪坐标系V2；

步骤6：通过相对位置关系，获取三维跟踪坐标系转换到标靶点坐标系的第一旋转平移关系RT|_{t_to_r_m}，三维跟踪坐标系转换到标定坐标系的第二旋转平移关系RT|_{t_to_b}，跟踪系统坐标系转换到标定坐标系的第三旋转平移关系RT|_{r_t_to_b}，通过上述步骤转换标靶点坐标系V1和跟踪坐标系V2，确定第四转换式；

步骤7：根据第四转换式，确定转换标靶点坐标系V1和跟踪坐标系V2之间的刚性的变换矩阵RT|_{r_m_to_r_t}，获取中继跟踪器处于不同标定位置的姿态信息，根据最小二乘法对多个姿态信息进行数据处理，使变换矩阵RT|_{r_m_to_r_t}的误差最小。

实施例3

本发明实施例提供了一种中继跟踪器的标定装置，结合图4来看，图4为本发明提供的中继跟踪器的标定装置的结构示意图，其中，中继跟踪器的标定装置400包括：

标靶点坐标系单元401，用于根据外部扫描结果，确定中继跟踪器的标靶点坐标系；

跟踪系统坐标系单元402，用于根据标定板、主跟踪器和中继跟踪器的相对位置关系，确定中继跟踪器的跟踪系统坐标系；

处理单元403，用于通过主跟踪器、主跟踪器和中继跟踪器的坐标变换关系，确定标靶点坐标系转换到主跟踪器的三维跟踪坐标系的第一转换式、三维跟踪坐标系转换到标定坐标系的第二转换式以及标定坐标系转换到跟踪系统坐标的第三转换式；还用于根据第一转换式、第二转换式和第三转换式，确定标靶点坐标系转换到跟踪系统坐标的第四转换式。

实施例4

本发明实施例提供了一种中继跟踪器的测量方法，结合图5来看，图5为本发明提供的中继跟踪器的测量方法的流程示意图，上述中继跟踪器的测量方法基于实施例1所述的中继跟踪器的跟踪扫描系统，上述中继跟踪器的测量方法包括步骤S201至步骤S202，其中：

在步骤S201中，在标定后的跟踪扫描系统中，获取中继跟踪器在跟踪系统坐标系下的三维坐标点、跟踪系统坐标系转换到主跟踪器的三维跟踪坐标系下的跟踪转换式、以及中继跟踪器之间的中继转换式，其中，跟踪扫描系统通过如上所述的中继跟踪器的标定方法进行标定；

在步骤S202中，根据中继跟踪器在跟踪系统坐标系下的三维坐标点、跟踪转换式以及中继转换式，确定第n层中继跟踪器转换到主跟踪器的三维跟踪坐标系下的第n层跟踪转换式，其中，n为整数。

在本发明实施例中，首先，在上述中继跟踪器的标定方法的基础上，确定标定后的跟踪扫描系统，根据标定后的跟踪扫描系统，确定对应的跟踪转换式、中继转换式；进而通过跟踪转换式、中继转换式，将第n层中继跟踪器转换到主跟踪器的三维跟踪坐标系下，基于级联结构完成坐标转换，有效扩大了跟踪区域，完成精准的扫描。

优先地，跟踪转换式表示为：

P_t(x,y,z)＝Inverse(RT|_{t_to_r_t})*P_{r_t}(x,y,z)

其中，P_t(x,y,z)表示三维跟踪坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{t_to_r_t})表示三维跟踪坐标系转换到跟踪系统坐标系的第四旋转平移关系对应的逆运算，P_{r_t}(x,y,z)表示跟踪系统坐标系下的三维坐标点。

由此，通过跟踪转换式有效将跟踪系统坐标系转换至三维跟踪坐标系，以便后续确定将第n层中继跟踪器的跟踪系统坐标与三维跟踪坐标系之间的转换。

优先地，第n层跟踪转换式表示为：

其中，P_t(x,y,z)表示三维跟踪坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{t_to_r_t})表示三维跟踪坐标系转换到跟踪系统坐标系的第四旋转平移关系对应的逆运算，P_{r_t}(x,y,z)表示第n层级联型中继跟踪器在跟踪系统坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{r(j)_to_r(j+1)})表示第j层中继跟踪器到第j+1中继跟踪器之间的中继转换式的逆运算，Inverse(RT|_{r(n-1)_to_r(n)})表示第n-1层中继跟踪器到第n层所述中继跟踪器之间的中继转换式的逆运算，j为小于n的整数。

由此，通过级联结构，基于中继转换式和跟踪转换式，完成第n层中继跟踪器的跟踪系统坐标与三维跟踪坐标系之间的转换。

具体地，当n等于3时，P_{r_t}(x,y,z)表示第3层级联型中继跟踪器在跟踪系统坐标系下的三维坐标点，则第3层跟踪转换式为：

P_t(x,y,z)＝Inverse(RT|_{t_to_r_t})*Inverse(RT|_{r(1)_to_r(2)})*Inverse(RT|_{r(2)_to_r(3)})*P_{r_t}(x,y，z)

即将主跟踪器记为0层，级联的中继跟踪器依次为第一层、第二层、第三层……将第3层中继跟踪器在跟踪系统坐标系下的三维坐标点，通过中继转换式，转换到第2层中继跟踪器的跟踪系统坐标系下，再通过中继转换式，转换到第1层中继跟踪器的跟踪系统坐标系下，最后，通过跟踪转换式，转换到第0层主跟踪器的三维跟踪坐标系下，依次实现级联跟踪。因而，依次推导出，第n层跟踪转换式表示为下式(与上述第n层跟踪转换式一致)：

P_t(x,y,z)＝Inverse(RT|_{t_to_r_t})*Inverse(RT|_{r(1)_to_r(2)})*…*Inverse(RT|_{r(n-1)_to_r(n)})*P_{r_t}(x,y,z)

在本发明一个具体的实施例中，测量过程如下：

步骤1：第n层级联型中继跟踪器在跟踪系统坐标系下的三维坐标点标记为P_{r_t}(x,y,z)；

步骤2：根据标定后的跟踪扫描系统，确定主跟踪器到中继跟踪器的变换关系，即三维跟踪坐标系转换到跟踪系统坐标系的第四旋转平移关系RT|_{t_to_r_t}，确定跟踪转换式；

步骤3：根据标定后的跟踪扫描系统，确定第j层中继器到第j+1中继跟踪器的变换关系，即中继转换式为RT|_{r(j)_to_r(j+1)}

步骤4：记第0层为主跟踪器，根据主跟踪器、第j层中继器到第j+1中继跟踪器的变换关系，确定第n层跟踪转换式。

实施例5

本发明实施例提供了一种中继跟踪器的测量装置，结合图6来看，图6为本发明提供的中继跟踪器的测量装置的结构示意图，中继跟踪器的测量装置600包括：

获取单元601，用于在标定后的跟踪扫描系统中，获取中继跟踪器在跟踪系统坐标系下的三维坐标点、跟踪系统坐标系转换到主跟踪器的三维跟踪坐标系下的跟踪转换式、以及中继跟踪器之间的中继转换式，其中，跟踪扫描系统通过如上所述的中继跟踪器的标定方法进行标定；

转换单元602，用于根据中继跟踪器在跟踪系统坐标系下的三维坐标点、跟踪转换式以及中继转换式，确定第n层中继跟踪器转换到主跟踪器的三维跟踪坐标系下的第n层跟踪转换式，其中，n为整数

实施例6

本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机该程序被处理器执行时，实现如上所述的中继跟踪器的标定方法，或实现如上所述的中继跟踪器的测量方法。

本发明公开了一种中继跟踪器的跟踪扫描系统、标定方法及测量方法，在中继跟踪器的跟踪扫描系统中，定义了一种新的中继式跟踪器，不仅具有跟踪功能，同时它还能被其他中继跟踪器跟踪，以形成级联型的中继结构，不仅避免了工作环境形成的遮挡，还延长了跟踪器的跟踪区域和扫描仪的工作范围。在中继跟踪器的跟踪扫描系统的基础上，提出了一种中继跟踪器的标定方法，在该方法中，首先，通过外部扫描结果，以确定标靶点坐标系，通过系统中的相对位置关系，以确定跟踪系统坐标系，其中，标靶点坐标系反馈该中继跟踪器被其他中继跟踪器跟踪的状态，跟踪系统坐标系反馈该中继跟踪器跟踪其他中继跟踪器的状态，以此结合中继跟踪器的两种功能，建立两种坐标系；进而，通过主跟踪器、主跟踪器和中继跟踪器的坐标变换关系，确定多种转换式，作为坐标转换的基础；最后，通过多种转换式，确定标靶点坐标系和跟踪系统坐标之间的转换，以此反映中继式跟踪器跟踪和被跟踪两种功能的坐标转换，以便级联系统的坐标转换。在中继跟踪器的测量方法中，首先，在上述中继跟踪器的标定方法的基础上，确定标定后的跟踪扫描系统，根据标定后的跟踪扫描系统，确定对应的跟踪转换式、中继转换式；进而通过跟踪转换式、中继转换式，将第n层中继跟踪器转换到主跟踪器的三维跟踪坐标系下，基于级联结构完成坐标转换，有效扩大了跟踪区域，完成精准的扫描。

本发明技术方案，利用了中继跟踪器，使其既可以被跟踪，也可以跟踪下一级中继式跟踪器，延长跟踪器跟踪距离和扫描区域，同时通过多种转换关系，进行准确的标定和测量，以此保证扫描定位的准确性，本发明利用多级跟踪，在一定条件下可以绕过遮挡物进行跟踪扫描，进一步延长跟踪器跟踪距离和扫描区域。除此之外，支持静态跟踪和动态跟踪两种模式，可以根据用户现场环境，灵活设置三维扫描场景，在保证中继跟踪器的被跟踪器标靶点精度和中继跟踪器的跟踪精度的基础上，提升了三维扫描的跟踪精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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。

Claims

1.一种中继跟踪器的跟踪扫描系统，其特征在于，包括含有已知标定坐标系的标定板、具有跟踪功能的主跟踪器和多个具有跟踪靶点和跟踪功能的中继跟踪器，其中，多个所述中继跟踪器形成级联结构，且每一所述中继跟踪器用于被上一级中继跟踪器跟踪和/或用于跟踪下一级中继跟踪器；

其中，中继跟踪器的标定方法包括：

根据外部扫描结果，确定所述中继跟踪器的标靶点坐标系；

通过所述标定板、所述主跟踪器和所述中继跟踪器的坐标变换关系，确定所述标靶点坐标系转换到所述主跟踪器的三维跟踪坐标系的第一转换式、所述三维跟踪坐标系转换到标定坐标系的第二转换式以及所述标定坐标系转换到所述跟踪系统坐标系的第三转换式；

根据所述第一转换式、所述第二转换式和所述第三转换式，确定所述标靶点坐标系转换到所述跟踪系统坐标系的第四转换式。

2.一种中继跟踪器的标定方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的中继跟踪器的跟踪扫描系统，所述中继跟踪器的标定方法包括：

根据外部扫描结果，确定所述中继跟踪器的标靶点坐标系；

3.根据权利要求2所述的中继跟踪器的标定方法，其特征在于，所述第一转换式表示为：

P_t(x,y,z) = Inverse(RT|_{t_to_r_m}) * P_{r_m}(x,y,z)

4.根据权利要求2所述的中继跟踪器的标定方法，其特征在于，所述第二转换式表示为：

P_b(x,y,z) = [RT|_{t_to_b}] * P_t(x,y,z)

5.根据权利要求2所述的中继跟踪器的标定方法，其特征在于，所述第三转换式表示为：

P_{r_t}(x,y,z) = Inverse(RT|_{r_t_to_b})* P_b(x,y,z)

其中，P_{r_t}(x,y,z)表示所述跟踪系统坐标系下的三维坐标点， Inverse(RT|_{r_t_to_b})表示所述跟踪系统坐标系转换到所述标定坐标系的第三旋转平移关系的逆运算，P_b(x,y,z)表示所述标定坐标系下的三维坐标点，其中，所述第三旋转平移关系通过所述中继跟踪器跟踪所述标定坐标系而确定。

6.根据权利要求2所述的中继跟踪器的标定方法，其特征在于，所述第四转换式表示为：

P_{r_t}(x,y,z)=Inverse(RT|_{r_t_to_b})*[RT|_{t_to_b}]*Inverse(RT|_{t_to_r_m})*P_{r_m}(x,y,z)

7.根据权利要求2-6任一项所述的中继跟踪器的标定方法，其特征在于，还包括：

根据所述第四转换式，确定所述标靶点坐标系转换到所述跟踪系统坐标系之间的变换矩阵；

获取所述中继跟踪器处于不同标定位置的姿态信息；

8.一种中继跟踪器的测量方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的中继跟踪器的跟踪扫描系统，所述中继跟踪器的测量方法包括：

在标定后的跟踪扫描系统中，获取所述中继跟踪器在跟踪系统坐标系下的三维坐标点、所述跟踪系统坐标系转换到主跟踪器的三维跟踪坐标系下的跟踪转换式、以及所述中继跟踪器之间的中继转换式，其中，所述跟踪扫描系统通过如权利要求2-7任一项所述的中继跟踪器的标定方法进行标定；

9.根据权利要求8所述的中继跟踪器的测量方法，其特征在于，所述跟踪转换式表示为：

P_t(x,y,z)= Inverse(RT|_{t_to_r_t}) * P_{r_t}(x,y,z)

10.根据权利要求8所述的中继跟踪器的测量方法，其特征在于，所述第n层跟踪转换式表示为：

P_t(x,y,z)= Inverse(RT|_{t_to_r_t}) *…* Inverse(RT|_{r(j)_to_r(j+1)}) *…* Inverse(RT|_{r(n-1)_to_r(n)}) * P_{r_t}(x,y,z)

其中，P_t(x,y,z) 表示所述三维跟踪坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{t_to_r_t})表示所述三维跟踪坐标系转换到所述跟踪系统坐标系的第四旋转平移关系对应的逆运算，P_{r_t}(x,y,z)表示第n层级联型中继跟踪器在所述跟踪系统坐标系下的三维坐标点，Inverse(RT|_{r(j)_to_r(j+1)})表示第j层中继跟踪器到第j+1中继跟踪器之间的中继转换式的逆运算，Inverse(RT|_{r(n-1)_to_r(n)})表示第n-1层中继跟踪器到第n层所述中继跟踪器之间的中继转换式的逆运算，j为小于n的整数。