CN112819886B - 基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法及系统，包括：拍摄绳索在不同摆角时的若干个图像作为样本图像；求取各个样本图像中绳索运动端在样本图像中的像素坐标以及绳索运动端在实际空间中的世界坐标；求取透视投影成像矩阵；根据透视投影成像矩阵完成相机的标定；拍摄绳索的实时摆动图像，计算绳索运动端的像素坐标；求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标；利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标；求取绳索的摆角。本发明能够得到去除晃动误差的绳索的实时摆动角度，硬件要求低，精度高，适用场景更广泛。

Description

基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法及系统
技术领域
本发明涉及绳索摆角测量技术领域，具体涉及一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法及系统。
背景技术
现有的绳索摆角测量方法主要有两种，第一种测量方法通过在绳索底端，即绳索运动端安装加速度传感器或倾角传感器以实时获取绳索的加速度信息或倾角信息，根据绳索的加速度信息或倾角信息计算确定绳索的实时摆角。第二种测量方法通过在绳索顶端，即绳索固定端安装相机，利用相机获取绳索的实时摆动图像，通过图像处理技术对实时摆动图像进行处理以获取绳索的实时摆角。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
第一种测量方法的布线较为复杂，应用场景受限，且精度对硬件要求极高，误差在时序上累加，需要经常性校正硬件。第二种测量方法中，由于相机存在晃动，此时将导致得到的绳索摆角存在晃动误差。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法及系统。
第一方面，本发明公开了一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法，包括以下步骤：
S1，利用相机拍摄绳索在不同摆角时的若干个图像作为样本图像；
S2，求取各个样本图像中绳索运动端在样本图像中的像素坐标以及绳索运动端在实际空间中的世界坐标；
S3，根据各个样本图像中绳索运动端的像素坐标与世界坐标求取透视投影成像矩阵；
S4，根据透视投影成像矩阵完成相机的标定；
S5，利用步骤S4中完成标定的相机拍摄绳索的实时摆动图像，并计算实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标；
S6，根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标；
S7，利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标；
S8，根据实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标以及绳索固定端的世界坐标求取绳索的摆角。
进一步地，在所述基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法中，所述步骤S2中，利用全站仪求取各个样本图像中绳索运动端在实际空间中的世界坐标。
进一步地，在所述基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法中，所述根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，包括以下步骤：
S61，根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标与相机坐标系的坐标原点建立投影射线；
S62，根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取投影射线上的两个相机坐标点P1、P2；
S63，根据相机的参数求取两个相机坐标点P1、P2在实际空间的世界坐标Pw1、Pw2，并根据世界坐标Pw1、Pw2确定投影射线方程；
S64，以绳索固定端为原点，绳索长度为半径建立球面模型，获取在实际空间球面模型的球面方程；
S65，根据射线方程与球面方程计算实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标。
进一步地，在所述基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法中，设定Hgij为相机抖动前后倾角传感器坐标系之间相对位置姿态的齐次变换矩阵，Hcij为相机抖动前后相机坐标系之间相对位置姿态的齐次变换矩阵，Hcg为倾角传感器坐标系和相机坐标系之间的相对位置姿态齐次矩阵，Hci为抖动前相机与目标的相对位置姿态齐次矩阵，Hcj为抖动后相机与目标的相对位置姿态齐次矩阵，
Figure BDA0002947864240000021
Figure BDA0002947864240000022
Rgij、Rcij和Rcg为旋转矩阵，Tgij、Tcij和Tcg为平移向量；
所述利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标，包括以下步骤：
S71，基于罗德里格斯变换，利用以下公式7将旋转矩阵转换为旋转向量；
Figure BDA0002947864240000031
rgij和rcij为旋转向量，rodrigues()为罗德里格斯变换公式；
S72，利用以下公式8进行向量归一化；
Figure BDA0002947864240000032
S73，利用以下公式9，以修正的罗德里格斯参数表示姿态变化；
Figure BDA0002947864240000033
Pgij和Pcij表示旋转向量rgij和rcij修正的罗德里格斯参数；
S74，利用以下公式10计算初始旋转向量P＇cg；
skew(Pgij+Pcij)P＇cg＝Pcij-Pgij 公式10
skew为反对称运算；
S75，利用以下公式12计算旋转向量Pcg；
Figure BDA0002947864240000034
S76，利用以下公式13计算旋转矩阵Rcg；
Figure BDA0002947864240000035
I表示单位矩阵；
S77，利用以下公式14计算平移向量Tcg；
(Rgij-I)Tcg＝RcgTcij-Tgij 公式14
S78，将步骤S6中求取的实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标与倾角传感器坐标系和相机坐标系之间的相对位置姿态齐次矩阵Hcg相乘，得到去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标。
第二方面，本发明还公开了一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统，所述系统包括：
安装平台，所述安装平台用于作为所述系统的安装和支撑基础；
绳索，所述绳索一端固定连接在所述安装平台上，用于作为绳索固定端，所述绳索另一端悬空，用于作为绳索运动端；
相机，所述相机安装在所述安装平台上，所述相机与所述绳索固定端的距离在设定范围内，所述相机的摄像方向竖直向下，用于获取所述绳索在不同摆角时的图像和所述绳索的实时摆动图像；
倾角传感器，所述倾角传感器与所述相机固定连接，用于测量所述相机的晃动量；
悬挂组件，所述悬挂组件安装在所述绳索运动端，所述悬挂组件用于标识所述绳索运动端的位置以及提供所述相机所需光线。
进一步地，在所述基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统中，所述相机与所述绳索固定端的距离在3cm以内。
进一步地，在所述基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统中，所述悬挂组件包括底座和若干个发光单元；
若干个所述发光单元呈环形安装在所述底座上，所述绳索运动端与所述底座固定连接，且所述绳索运动端与所述底座的连接点位于若干个所述发光单元所形成的环形结构的中心。
进一步地，在所述基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统中，所述悬挂组件还包括环形安装盘，所述环形安装盘沿周向均匀开设有若干个安装槽，若干个所述发光单元分别安装在若干个所述安装槽上，所述环形安装盘安装在所述底座上，所述绳索运动端穿过所述环形安装盘的环心与所述底座固定连接。
进一步地，在所述基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统中，所述相机为智能相机。
进一步地，在所述基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统中，所述倾角传感器为三轴倾角传感器。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法及系统通过先拍摄绳索在不同摆角时的若干个图像作为样本图像，利用样本图像求取出相机的透视投影成像矩阵，求取出相机的参数，完成对相机的标定，而后获取绳索的实时摆动图像，通过倾角传感器来校正晃动误差，得到去除晃动误差的绳索的实时摆动角度，硬件要求低，精度高，适用场景更广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明一实施例的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法的流程图；
图2为本发明一实施例的倾角传感器坐标系与相机坐标系的关系示意图；
图3为本发明一实施例的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统的结构示意图。
附图标记说明：
1-安装平台，2-绳索，3-相机，4-倾角传感器，5-悬挂组件，51-底座，52-环形安装盘。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
第一方面，参见图1，本发明一实施例提供了一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法，该方法包括以下步骤：
S1，利用相机拍摄绳索在不同摆角时的若干个图像作为样本图像；
S2，求取各个样本图像中绳索运动端在样本图像中的像素坐标以及绳索运动端在实际空间中的世界坐标；
S3，根据各个样本图像中绳索运动端的像素坐标与世界坐标求取透视投影成像矩阵；
S4，根据透视投影成像矩阵完成相机的标定；
S5，利用步骤S4中完成标定的相机拍摄绳索的实时摆动图像，并计算实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标；
S6，根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标；
S7，利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标；
S8，根据实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标以及绳索固定端的世界坐标求取绳索的摆角。
以下对本发明一实施例提供的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法的步骤及原理进行具体说明。
步骤S1，利用相机拍摄绳索在不同摆角时的若干个图像作为样本图像；
本发明一实施例中，样本图像的数量可以在20张以上，并将样本图像的数量记为N。
S2，求取各个样本图像中绳索运动端在样本图像中的像素坐标以及绳索运动端在实际空间中的世界坐标；
本发明一实施例中，根据样本图像求取各个样本图像中绳索运动端的像素坐标，利用全站仪求取各个样本图像中绳索运动端在实际空间中的世界坐标。
S3，根据各个样本图像中绳索运动端的像素坐标与世界坐标求取透视投影成像矩阵；
本发明一实施例中，根据各个样本图像中绳索运动端的像素坐标与世界坐标求取透视投影成像矩阵，具体包括以下步骤S31-S35。
S31，利用直接线性变换将样本图像中绳索运动端的像素坐标和世界坐标的成像几何关系在齐次坐标下写成透视投影成像矩阵的形式：
Figure BDA0002947864240000071
式中，[u,v,1]T为各个样本图像中绳索运动端归一化后的像素坐标，[Xw,Yw,Zw,1]T为各个样本图像中绳索运动端在实际空间中的世界坐标的齐次坐标，M3×4为3×4的透视投影成像矩阵，记为M3×4＝(mij)，s为未知尺度因子。
S32，消除公式1中的未知尺度因子s，得到方程组：
Figure BDA0002947864240000072
S33，将N张样本图像中的绳索运动端的像素坐标与世界坐标代入公式2所示的方程组，得到一个含有2N个方程的方程组：
AL＝U 公式3。
其中，A为(2N*12)的矩阵，L为透视投影成像矩阵元素组成的向量，L＝[m11,m12,m13,m14,m21,m22,m23,m24,m31,m32,m33,m34]。
S34，根据最小二乘法进行对上述的含有2N个方程的方程组进行求解：
L′＝(ATA)ATU 公式4
得到透视投影成像矩阵元素m11,m12,m13,m14,m21,m22,m23,m24,m31,m32,m33。
S35，根据透视投影成像矩阵元素得到透视投影成像矩阵M；
由于m34为1，结合上述求解得到的透视投影成像矩阵元素，即可得到透视投影成像矩阵M。
S4，根据透视投影成像矩阵完成相机的标定；
具体地，根据相机标定的原理，相机的内参矩阵乘以相机的外参矩阵同样能够得到一个3×4矩阵，即相机的内参矩阵×相机的外参矩阵等于透视投影成像矩阵M，因此，在步骤S3已求取得到透视投影成像矩阵M的情况下能够快速完成对相机的标定。
S5，利用步骤S4中完成标定的相机拍摄绳索的实时摆动图像，并计算实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标；
在完成相机的标定后，利用完成标定的相机拍摄获取绳索的实时摆动图像，基于获取的实时摆动图像计算实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标。
S6，根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标；
本发明一实施例中，根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，具体包括以下步骤S61-S65。
S61，根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标与相机坐标系的坐标原点建立投影射线；
S62，根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取投影射线上的两个相机坐标点P1、P2；
S63，根据相机的参数求取两个相机坐标点P1、P2在实际空间的世界坐标Pw1、Pw2，并根据世界坐标Pw1、Pw2确定投影射线方程；
S64，以绳索固定端为原点，绳索长度为半径建立球面模型，获取在实际空间球面模型的球面方程；
S65，根据射线方程与球面方程计算实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标。
S7，利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标；
倾角传感器的理论基础是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在绳索摆角测量中，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度，如果初速度已知(这里假设初速度为0)，就可以通过积分算出线速度，进而可以计算出直线位移。
本发明一实施例中，利用倾角传感器的特性，测量相机的晃动误差，并根据晃动误差来校正绳索运动端的世界坐标。
具体地，在利用倾角传感器校准相机时，需要求解倾角传感器坐标系和相机坐标系之间的相互关系。
参见图2，设定Hgij为相机抖动前后倾角传感器坐标系之间相对位置姿态的齐次变换矩阵，Hcij为相机抖动前后相机坐标系之间相对位置姿态的齐次变换矩阵，Hcg为倾角传感器坐标系和相机坐标系之间的相对位置姿态齐次矩阵，Hci为抖动前相机与目标的相对位置姿态齐次矩阵，Hcj为抖动后相机与目标的相对位置姿态齐次矩阵，
Figure BDA0002947864240000091
Rgij、Rcij和Rcg为旋转矩阵，Tgij、Tcij和Tcg为平移向量，
Figure BDA0002947864240000092
为未知的待求解量。
根据坐标变化关系，Hgij、Hcij和Hcg满足以下关系：
Figure BDA0002947864240000093
将上述公式5展开，可以得到标定的基本方程：
Figure BDA0002947864240000094
式中，I表示单位矩阵。
因此，标定问题可以转化为从上述基本方程中求解出Rcg和Tcg。
本发明一实施例中，采用Tsai两步标定法求解公式6所示的方程。
使用“Tsai两步标定法”求解基本方程，先从基本方程求解出Rcg，再代入求解出Tcg；本发明一实施例中，在Tsai两步标定法中引入旋转轴-旋转角系统描述旋转运动来进行基本方程的求解。
具体地，基于上述设定，利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标，具体包括以下步骤S71-S78；
S71，基于罗德里格斯变换，利用以下公式7将旋转矩阵转换为旋转向量；
Figure BDA0002947864240000095
式中，rgij和rcij为旋转向量，rodrigues()为罗德里格斯变换公式。
S72，利用以下公式8进行向量归一化；
Figure BDA0002947864240000101
S73，利用以下公式9，以修正的罗德里格斯参数表示姿态变化；
Figure BDA0002947864240000102
Pgij和Pcij表示旋转向量rgij和rcij修正的罗德里格斯参数。
S74，利用以下公式10计算初始旋转向量P＇cg；
skew(Pgij+Pcij)P＇cg＝Pcij-Pgij 公式10
式中，skew为反对称运算；
假设一个三维向量V＝[vx,vy,vz]，该三维向量的反对称矩阵表示为：
Figure BDA0002947864240000103
S75，利用以下公式12计算旋转向量Pcg；
Figure BDA0002947864240000104
S76，利用以下公式13计算旋转矩阵Rcg；
Figure BDA0002947864240000105
S77，利用以下公式14计算平移向量Tcg；
(Rgij-I)Tcg＝RcgTcij-Tgij 公式14
在求解出旋转矩阵Rcg和平移矩阵Tcg后，即可得到倾角传感器坐标系和相机坐标系之间的相对位置姿态齐次矩阵
Figure BDA0002947864240000111
S78，将步骤S6中求取的实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标与倾角传感器坐标系和相机坐标系之间的相对位置姿态齐次矩阵Hcg相乘，得到去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标。
S8，根据实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标以及绳索固定端的世界坐标求取绳索的摆角；
根据步骤S7中得到的实时摆动图像中去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标以及绳索固定端的世界坐标求取绳索的实时摆角。
第二方面，参见图3，本发明一实施例还提供了一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统，该系统包括：
安装平台，安装平台用于作为该系统的安装和支撑基础；
绳索，绳索一端固定连接在安装平台上，用于作为绳索固定端，绳索另一端悬空，用于作为绳索运动端；
相机，相机安装在安装平台上，相机与绳索固定端的距离在设定范围内，相机的摄像方向竖直向下，用于获取绳索在不同摆角时的图像和绳索的实时摆动图像；
倾角传感器，倾角传感器与相机固定连接，用于测量相机的晃动量；
悬挂组件，悬挂组件安装在绳索运动端，悬挂组件用于标识绳索运动端的位置以及提供相机所需光线。
其中，安装平台可以为各种需要测量绳索摆角的工程设备，例如轨道车等。
本发明一实施例提供的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统在使用时，能够利用上述的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法进行绳索摆角的实时动态测量。
可选的，本发明一实施例中，为了保证绳索摆角的测量精度，相机与绳索固定端的距离在3cm以内。
进一步地，为了提高绳索运动端的像素坐标的计算准确性，以及方便绳索运动端的像素坐标的计算，悬挂组件可以包括底座和若干个发光单元；
若干个发光单元呈环形安装在底座上，绳索运动端与底座固定连接，且绳索运动端与底座的连接点位于若干个发光单元所形成的环形结构的中心。
可选的，参见图3，为了方便发光单元的安装以及绳索运动端与底座的连接，悬挂组件还可以包括环形安装盘，环形安装盘沿周向均匀开设有若干个安装槽，若干个发光单元分别安装在若干个安装槽上，环形安装盘安装在底座上，绳索运动端穿过环形安装盘的环心与底座固定连接。
可选的，发光单元可以为LED灯。
进一步地，本发明一实施例中，相机为智能相机。
通过采用智能相机，能够防止相机拍摄图像后对图像进行解算得到绳索摆角的过程中，因数据传输而造成系统延迟增加，进而无法满足系统实时性需求。
可选的，本发明一实施例中，倾角传感器为三轴倾角传感器。
本发明一实施例提供的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法及系统通过先拍摄绳索在不同摆角时的若干个图像作为样本图像，利用样本图像求取出相机的透视投影成像矩阵，求取出相机的参数，完成对相机的标定，而后获取绳索的实时摆动图像，通过倾角传感器来校正晃动误差，得到去除晃动误差的绳索的实时摆动角度，硬件要求低，精度高，适用场景更广泛。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，利用相机拍摄绳索在不同摆角时的若干个图像作为样本图像；
S2，求取各个样本图像中绳索运动端在样本图像中的像素坐标以及绳索运动端在实际空间中的世界坐标；
S3，根据各个样本图像中绳索运动端的像素坐标与世界坐标求取透视投影成像矩阵；
S4，根据透视投影成像矩阵完成相机的标定；
S5，利用步骤S4中完成标定的相机拍摄绳索的实时摆动图像，并计算实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标；
S6，根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标；
S7，利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标；
S8，根据实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标以及绳索固定端的世界坐标求取绳索的摆角；
其中，设定Hgij为相机抖动前后倾角传感器坐标系之间相对位置姿态的齐次变换矩阵，Hcij为相机抖动前后相机坐标系之间相对位置姿态的齐次变换矩阵，Hcg为倾角传感器坐标系和相机坐标系之间的相对位置姿态齐次矩阵，Hci为抖动前相机与目标的相对位置姿态齐次矩阵，Hcj为抖动后相机与目标的相对位置姿态齐次矩阵，
Figure FDA0003913250150000011
Figure FDA0003913250150000012
Rgij、Rcij和Rcg为旋转矩阵，Tgij、Tcij和Tcg为平移向量；
所述利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标，包括以下步骤：
S71，基于罗德里格斯变换，利用以下公式7将旋转矩阵转换为旋转向量；
Figure FDA0003913250150000013
rgij和rcij为旋转向量，rodrigues()为罗德里格斯变换公式；
S72，利用以下公式8进行向量归一化；
Figure FDA0003913250150000021
S73，利用以下公式9，以修正的罗德里格斯参数表示姿态变化；
Figure FDA0003913250150000022
Pgij和Pcij表示旋转向量rgij和rcij修正的罗德里格斯参数；
S74，利用以下公式10计算初始旋转向量P′cg；
skew(Pgij+Pcij)P′cg＝Pcij-Pgij 公式10
skew为反对称运算；
S75，利用以下公式12计算旋转向量Pcg；
Figure FDA0003913250150000023
S76，利用以下公式13计算旋转矩阵Rcg；
Figure FDA0003913250150000024
I表示单位矩阵；
S77，利用以下公式14计算平移向量Tcg；
(Rgij-I)Tcg＝RcgTcij-Tgij 公式14
S78，将步骤S6中求取的实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标与倾角传感器坐标系和相机坐标系之间的相对位置姿态齐次矩阵Hcg相乘，得到去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标。
2.根据权利要求1所述的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用全站仪求取各个样本图像中绳索运动端在实际空间中的世界坐标。
3.根据权利要求1所述的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法，其特征在于，所述根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，包括以下步骤：
S61，根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标与相机坐标系的坐标原点建立投影射线；
S62，根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取投影射线上的两个相机坐标点P1、P2；
S63，根据相机的参数求取两个相机坐标点P1、P2在实际空间的世界坐标Pw1、Pw2，并根据世界坐标Pw1、Pw2确定投影射线方程；
S64，以绳索固定端为原点，绳索长度为半径建立球面模型，获取在实际空间球面模型的球面方程；
S65，根据射线方程与球面方程计算实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标。
4.一种使用如权利要求1-3中任一项所述的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统，其特征在于，所述系统包括：
安装平台，所述安装平台用于作为所述系统的安装和支撑基础；
绳索，所述绳索一端固定连接在所述安装平台上，用于作为绳索固定端，所述绳索另一端悬空，用于作为绳索运动端；
相机，所述相机安装在所述安装平台上，所述相机与所述绳索固定端的距离在设定范围内，所述相机的摄像方向竖直向下，用于获取所述绳索在不同摆角时的图像和所述绳索的实时摆动图像；
倾角传感器，所述倾角传感器与所述相机固定连接，用于测量所述相机的晃动量；
悬挂组件，所述悬挂组件安装在所述绳索运动端，所述悬挂组件用于标识所述绳索运动端的位置以及提供所述相机所需光线。
5.根据权利要求4所述的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统，其特征在于，所述相机与所述绳索固定端的距离在3cm以内。
6.根据权利要求4所述的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统，其特征在于，所述悬挂组件包括底座和若干个发光单元；
若干个所述发光单元呈环形安装在所述底座上，所述绳索运动端与所述底座固定连接，且所述绳索运动端与所述底座的连接点位于若干个所述发光单元所形成的环形结构的中心。
7.根据权利要求6所述的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统，其特征在于，所述悬挂组件还包括环形安装盘，所述环形安装盘沿周向均匀开设有若干个安装槽，若干个所述发光单元分别安装在若干个所述安装槽上，所述环形安装盘安装在所述底座上，所述绳索运动端穿过所述环形安装盘的环心与所述底座固定连接。
8.根据权利要求4所述的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统，其特征在于，所述相机为智能相机。
9.根据权利要求4所述的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统，其特征在于，所述倾角传感器为三轴倾角传感器。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105096296A (zh) * 2014-05-05 2015-11-25 富士通株式会社 立体相机成像的校正装置、方法及电子设备
CN105894467A (zh) * 2016-03-30 2016-08-24 联想(北京)有限公司 一种图像校正方法及系统
JP2019021355A (ja) * 2018-11-08 2019-02-07 株式会社リコー 画像生成装置、画像生成方法、およびプログラム
CN109788189A (zh) * 2017-11-13 2019-05-21 三星电子株式会社 将相机与陀螺仪融合在一起的五维视频稳定化装置及方法
CN110006368A (zh) * 2019-05-20 2019-07-12 中山大学 一种基于视觉测量的绳索摆角测量方法及系统
CN110378966A (zh) * 2019-06-11 2019-10-25 北京百度网讯科技有限公司 相机外参标定方法、装置、计算机设备及存储介质

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105096296A (zh) * 2014-05-05 2015-11-25 富士通株式会社 立体相机成像的校正装置、方法及电子设备
CN105894467A (zh) * 2016-03-30 2016-08-24 联想(北京)有限公司 一种图像校正方法及系统
CN109788189A (zh) * 2017-11-13 2019-05-21 三星电子株式会社 将相机与陀螺仪融合在一起的五维视频稳定化装置及方法
JP2019021355A (ja) * 2018-11-08 2019-02-07 株式会社リコー 画像生成装置、画像生成方法、およびプログラム
CN110006368A (zh) * 2019-05-20 2019-07-12 中山大学 一种基于视觉测量的绳索摆角测量方法及系统
CN110378966A (zh) * 2019-06-11 2019-10-25 北京百度网讯科技有限公司 相机外参标定方法、装置、计算机设备及存储介质

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