CN112734838B - 一种空间目标定位方法、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间目标定位方法，属于空间定位领域。一种空间目标定位方法，包括以下步骤：布置扫描振镜与图像采集设备，所述扫描振镜的扫描范围与所述图像采集设备的视场在空间上具有交集；使用振镜沿垂直方向扫描，同时所述采集设备持续拍摄所述目标的图像；获取所述扫描振镜的激光束投射在所述目标上形成轮廓光线的移动轨迹；维持所述水平偏转角扫描所述目标，使得所述扫描振镜能够扫描所述目标的上、下边缘，分别记录扫描所述上、下边缘的俯仰偏转角；以所述扫描振镜为原点，构建三维坐标系，根据所述目标的高度与所述偏转角，计算所述目标在所述坐标系中的坐标。
Description
技术领域
本发明涉及空间定位领域，具体涉及一种空间目标定位方法、设备及存储介质。
背景技术
光学检测由于其非接触、速度快、干扰小等优点广泛应用于目标物体的定位中。例如，常见的双目视觉检测使用仿生学原理，类似人眼的结构，通过同步获取左右通道的视觉图像，提取出视差数据，根据空间几何的相似三角形数量关系可以计算出目标所满足的方程组，从而解出坐标数据。
但是，双目视觉检测的精度容易受较多因素的影响，相机标定、镜头畸变消除、三维重建、视差计算等环节的误差都会对最终的准确性产生较大影响。单目视觉检测虽然更加简单，但是需要将目标放在预定位置拍照测量后才能获得计算所需要的参数，另外相机标定和镜头畸变消除过程依然容易带来误差，且单目相机一般只能获得距离信息。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种空间目标定位方法、设备及存储介质。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种空间目标定位方法，包括以下步骤：
以所述扫描振镜为原点，构建三维坐标系；
布置扫描振镜与图像采集设备，所述扫描振镜的扫描范围与所述图像采集设备的视场在空间上具有交集，且所述目标布置于所述交集中；
使用扫描振镜沿垂直方向扫描，同时所述采集设备持续拍摄所述目标的图像；
获取所述扫描振镜的激光束投射在所述目标上形成轮廓光线的移动轨迹；
所述移动轨迹沿垂直方向的长度最大时，记录所述扫描振镜的水平偏转角；
维持所述水平偏转角扫描所述目标，使得所述扫描振镜能够扫描所述目标的上、下边缘，分别记录扫描所述上、下边缘的俯仰偏转角；
根据所述目标的高度、水平偏转角与俯仰偏转角，求得所述目标在所述坐标系中的坐标。
可选地，所述扫描振镜的垂直方向的扫描时间为所述图像采集设备的帧间间隔的偶数倍。
可选地，通过对所述图像差分处理，得到所述移动轨迹。
可选地，进行差分处理时消除除所述移动轨迹外的背景。
可选地，所述图像采集设备为单目摄像头。
另外，本发明还提出了：
一种计算机可读的存储介质，存储有指令，所述指令被执行时实现上述的定位方法。
一种空间目标定位设备，通过上述的定位方法进行目标定位。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本申请的一个示例中的图片采集设备、扫描振镜与目标的布置示意图；
图2为本申请的一个示例中的目标在坐标系中的定位示意图。
图中各标号对应的部件如下：
1、图像采集设备；2、扫描振镜；3、光束射出点；4、光束最高点；5、光束最低点；6、目标。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一个示例中，公开了一种空间目标定位方法，可以包括以下步骤。如图1所示，布置扫描振镜2与图像采集设备1，所述扫描振镜2的扫描范围与所述图像采集设备1的视场在空间上具有交集，且所述目标6布置于所述交集中。可以理解的是，为了使目标6有更大的活动空间，可以选择使扫描振镜2的扫描范围与所述图像采集设备1的视场在空间形成的交集尽可能得大，举例而言，可以使两者靠近地叠放。并且，除了图1中示例得图像采集设备1与扫描振镜2依次上下叠放的方式之外，其他的使扫描振镜2与图像采集设备1相邻叠放也是可行的，例如，图像采集设备1与扫描振镜2相邻的左右叠放。
在本示例中，图像采集设备1用于在使用扫描振镜2扫描的同时，持续拍摄目标6的图像。考虑到图像采集设备1的作用是获得构造轮廓光线的轨迹，因此，图像采集设备1可以是单目摄像头，还可以是其他捕获图像的设备。
在执行定位的过程中，目标6只可以在水平方向移动，不可以进行旋转，在定位前测量目标6的高度。在执行定位时，扫描振镜2从光束射出点3射出激光束，在竖直方向进行范围性扫描，扫描在垂直方向上应当完全覆盖目标6。例如图1中，扫描振镜2的光束最高点4与光束最低点5分别对准目标6的上边缘的下边缘。这种垂直的往复扫描执行应当覆盖整个扫描振镜2的视场。为了表达目标6的空间位置，可以以扫描振镜2为原点，构建三维的坐标系，更具体地说，该原点可以是光线射出点3。
在扫描振镜2执行扫描的同时，图像采集设备1在不断地获取视场内的图像，由于目标6在图像采集设备1的视场中，扫描振镜2的扫描过程被图像采集设备1完全记录下来。当扫描振镜2的激光束照射到目标6时，记录振镜每次在水平方向偏转的角度。并且在本示例中，可以将扫描振镜2的垂直方向的扫描时间为所述图像采集设备1的帧间间隔的2倍或其他偶数倍，这样，在扫描间隔时间内，图像采集设备1能够同时获得一组目标6上有轮廓光线的图像与一组目标6上没有轮廓光线的图像。在图像差分处理的过程中，为了更清晰地反映或凸显轮廓光线的轨迹，还可以清楚除了轮廓光线之外的其他背景色或背景像素。通过对上述扫描的图像进行差分处理，进而获得执行扫描过程中的轮廓光线移动的轨迹。该轨迹的垂直长度最大时，找到此时扫描振镜2对应的水平偏转角θt。将此时的目标6抽象为垂直于所述坐标系y＝0平面的线段T1T2，如图2所示，则水平偏转角：
θt＝∠T3OTz
将扫描振镜2的水平偏转角固定为上述的θt，再次进行垂直方向扫描。
通过图像采集模块使用相同的差分方法检测轮廓光线长度，逐渐缩小俯仰方向扫描的范围，直到扫描振镜2正好能从目标6的上边缘扫描到下边缘为止。可以理解的是，通过第一次扫描的已经确定了该轨迹的垂直长度最大时的振镜水平偏转角θt，因此，应当能恰好覆盖整个目标6。此时，增加俯仰方向扫描角度不能观察到轮廓光线的增加。扫描上下边缘的垂直高度即为H，记录此时的俯仰偏转角和/>在图2中：
通过振镜坐标系下的坐标，可得到如下空间几何关系：
H＝T1T3-T2T3
可求得：
最终可以求得目标6上下边缘T1(Xt1，Yt1，Zt1)和T2(Xt2，Yt2，Zt2)的坐标：
也就是说，通过上述示例的结构组合以及定位方法，采用了高精度的测量手段，同时避免了对摄像头进行较复杂的标定和镜头的畸变消除而引入的误差，因此可以使用相对简便的步骤获得较高的定位精度。
上述示例中所称的“目标”，是对定位对象的指代，目标6例如可以是拥有实体的物体。
上述示例中采用了笛卡尔空间直角坐标系，以表达目标6以及各位点的空间位置。因此，上述的示例所描述的位置关系是相对于所述坐标系进行定义的。上述示例中所述的“垂直”可以理解为，垂直于坐标系的XY平面的方向，而相应地，所述的“水平”可以理解为，平行于XY平面的方向，并且本示例中的“上”“下”可以理解为，相对于坐标系中的Z轴轴向两个相对的方向。进一步地说，上述坐标系与水平面的位置关系并不是绝对的，在实际应用中，坐标系可以按任意方向摆在空间中，而并不仅限于使XY平面与水平面平行的摆放方式。并且，在本发明的其他示例中，还可以是其他的能够表征空间目标6位置的坐标系，例如笛卡尔斜角坐标系。
此外，本发明还提供了一种空间目标定位设备，具体可以是采用上述示例中的方法，对目标6物体的进行空间定位的光无线通信系统、机器视觉系统、监控设备或AI识别设备等。进一步地，本发明的一些示例还延及一种计算机可读的存储介质，存储有指令，所述指令被执行时实现上述示例的定位方法。这种指令例如是计算机可识别的计算机语言。
上述的计算机可以是一个通用计算机设备或者是一个专用计算机设备。在具体实现中，计算机可以是台式机、便携式电脑、网络服务器、掌上电脑(Personal DigitalAssistant，PDA)、移动手机、平板电脑、无线终端设备、通信设备或者嵌入式设备。所述的存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。举例而言，所述的存储介质例如为但不限于磁性介质(例如：软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如：数字通用光盘(Digital Versatile Disc，DVD))、或者半导体介质(例如：固态硬盘(Solid State Disk，SSD))等。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (6)
1.一种空间目标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
布置扫描振镜与图像采集设备，以所述扫描振镜为原点，构建三维坐标系；
所述扫描振镜的扫描范围与所述图像采集设备的视场在空间上具有交集，且所述目标布置于所述交集中；
使用扫描振镜沿垂直方向扫描，同时所述图像采集设备持续拍摄所述目标的图像；
获取所述扫描振镜的激光束投射在所述目标上形成轮廓光线的移动轨迹；
所述移动轨迹沿垂直方向的长度最大时，记录所述扫描振镜的水平偏转角；
维持所述水平偏转角扫描所述目标，使得所述扫描振镜能够扫描所述目标的上、下边缘，分别记录扫描所述上、下边缘的俯仰偏转角；
根据所述目标的高度、水平偏转角与俯仰偏转角，求得所述目标在所述坐标系中的坐标；所述坐标的计算方法包括以下步骤：
通过图像采集模块使用相同的差分方法检测轮廓光线长度，逐渐缩小俯仰方向扫描的范围，直到扫描振镜正好能从目标的上边缘扫描到下边缘为止；扫描过程中的轮廓光线移动的轨迹，该轨迹的垂直长度最大时，此时扫描振镜对应的水平偏转角θt；
扫描上下边缘的垂直高度即为H，记录此时的俯仰偏转角和/>
通过振镜坐标系下的坐标，得到如下空间几何关系：
H＝T1T3-T2T3
求得：
最终求得目标上下边缘T1(Xt1,Yt1,Zt1)和T2(Xt2,Yt2,Zt2)的坐标：
2.根据权利要求1所述的空间目标定位方法，其特征在于，所述扫描振镜的垂直方向的扫描间隔时间为所述图像采集设备的帧间间隔的偶数倍。
3.根据权利要求1所述的空间目标定位方法，其特征在于，通过对所述图像差分处理，得到所述移动轨迹。
4.根据权利要求3所述的空间目标定位方法，其特征在于，进行差分处理时消除所述移动轨迹外的背景。
5.根据权利要求1所述的空间目标定位方法，其特征在于，所述图像采集设备为单目摄像头。
6.一种计算机可读的存储介质，存储有指令，其特征在于，所述指令被执行时实现所述权利要求1～5任一项所述的定位方法。
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