CN113494883B - 基于外置式多目视觉设备的转台负载位姿测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于外置式多目视觉设备的转台负载的位姿测量方法和系统，该方法包括：在独立于转台的基座上固定设置光测设备，建立不耦合转台运动的世界坐标系；标定视觉设备的内外参数；在转台负载上设置标志点群，定义转台负载的负载中心和虚拟中心轴，构建负载坐标系，对标志点进行初值标校测量；转台动态工作过程中，用多目视觉设备对转台负载连续拍摄，对标志点群进行动态识别、匹配、定位和测量；解算转台工作过程中负载中心在世界坐标系下的坐标和虚拟中心轴的指向。本发明提供的技术方案通过外置的多目视觉设备进行负载位姿测量，克服了传统测量装置随被测物运动而带来的误差耦合，提高了负载位姿测量精度。

Description

基于外置式多目视觉设备的转台负载位姿测量方法和系统

技术领域

本发明属于视觉测量以及图像检测领域，尤其涉及一种基于外置式多目视觉设备的转台负载位姿测量方法和系统。

背景技术

转台是一种复杂的集光机电一体的现代化设备，主要是提供高精度的旋转精确定位，按转动轴来分可以有单轴转台、双轴转台、三轴转台、以及多轴转台系统。转台广泛应用在科学研究和工业生产等领域，在惯性导航器件测试、天线测试、激光测试、电子产品测试、模拟仿真、空间通信领域、空间精确定位等多个领域都有广泛应用。如其在航空、航天领域中进行半实物仿真和测试，在飞行器的研制中起着关键的作用，它能够模拟飞行器的各种姿态角运动，复现其运动时的各种动力学特性，对飞行器的制导系统、控制系统以及相应器件的性能进行反复测试，获得充分的试验数据，并根据数据对系统进行重新设计和改进，达到飞行器总体设计的性能指标要求。又如战车防御系统要对来袭的激光、红外或电视等制导武器实施有效的干扰，使其致眩致盲，实现对重要阵地和目标的防护，综合光电干扰武器集成于二维转台的两侧挂架上，转台的指向决定着光电干扰武器的指向，二维转台指向精度对防御命中率具有决定性的作用。

之前行业内对转台指向精度和位置精度，都是通过转台机械加工精度、安装的优化，并采用同轴的高精度编码盘来实现高精度测角来保证，精度的提高都是基于优化和改进转台的结构和装配形式,减小转台轴间的几何偏差、安装偏心和因为转动的不平顺带来的误差。也有很多的研究人员和学者对2轴、轴乃至多轴转台的误差产生原因、误差数学模型、误差修正和补偿的方法等做了深入的研究，取得了很多科研成果。但这些研究的结果的应用到改进转台精度中去的实践多使转台生产制造成本增加很多，也让转台的伺服控制精密度要求非常高，让高精度转台的成本经常超出了普通用户可以承受的范围。

考察转台在目前应用中的核心作用，其负载中心位置精度和负载指向精度是系统跟踪精度和测角精度的基础。目前转台是依靠前期转台负载安装时的检校初值及转台自身轴编码器测量来高精度给出在不同时刻转台负载指向，为后续的测量或跟踪等提供可靠的高精度输入。而目前行业通用的高精度轴编码盘测量是融合到转台的动平台内的，其安装的初值误差、动态中的偏差、抖动、多维运动的耦合等都使转台负载指向高精度测量实现难度大，而且成本高。基于此，本发明跳出目前行业常规的测量框架，采用一与转台运动解耦的外置式多目视觉设备来动态、实时观测转台负载的运动，综合利用高速摄影测量技术、实时图像处理技术、高精度多目(双目)交会测量技术等非接触测量技术，来动态、高精度的给出不同时刻转台负载中心位置和虚拟中心轴指向等。解耦的外置式多目视觉设备可以极大的降低对转台的要求，转台结构可以极大的简化，可以有效帮助实现转台小型化、轻量化，极大的提高测量系统的机动性，极大降低制造成本。

发明内容

基于此，本发明的目的是解决传统测量装置随被测物体运动带来的测量误差耦合问题，以及解决高精度转台制造的高成本和调校上的低效率问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于外置式多目视觉设备的转台负载位姿测量方法，所述多目视觉设备包括至少两个光测设备、一个基座和一个计算机系统；所述方法包括：

将所述基座置于转台四周，所述基座与所述转台运动解耦；

将所述多目视觉设备中各光测设备固置于所述基座上，将转台负载固置于转台上，所述转台负载随所述转台转动；

使所述转台负载处于所述各光测设备的公共视场，在所述基座上建立世界坐标系，以所述各光测设备主点为原点建立相机坐标系，对所述光测设备的内外参数进行标定；在所述转台负载上建立负载坐标系，在所述负载坐标系中定义负载中心和虚拟中心轴；将标志点群设置于所述转台负载表面，所述标志点群包括至少六个标志点，所述标志点不共面；

通过标校测量获取所述各标志点在所述负载坐标系中的坐标初值；

工作中，转台带负载转动，通过计算机系统联动各光测设备对转台负载进行位姿测量，包括：

S1:通过所述各光测设备对所述各标志点进行图像采集和测量，确定所述各标志点在所述各相机坐标系中的二维图像坐标；

S2:根据所述各光测设备内外参数，将所述各标志点在所述各相机坐标系中的二维图像进行匹配后交会解算，获取所述各标志点在世界坐标系中的空间坐标；

S3:结合所述各标志点在所述负载坐标系的坐标初值和所述各标志点在世界坐标系中的空间坐标，解算所述负载坐标系和所述世界坐标系的转换平移关系；

S4:解算在世界坐标系中，所述负载中心的坐标以及所述虚拟中心轴的指向。

优选地，该方法还包括通过信息融合和匹配设置将所述多目视觉设备中的至少两个光测设备扩展为环绕转台负载分布的多个光测设备。

优选地，所述将标志点群设置在转台负载表面的方法，包括将各标志点沿着所述虚拟中心轴方向离散布置。

另外，还提供了一种基于外置式多目视觉设备的转台负载位姿测量系统，包括：

转台，设置有至少一个自由转动维度，用于承载负载并实现转动；

转台负载，固置于所述转台上，随所述转台转动，所述转台负载上定义负载中心和虚拟中心轴，所述转台负载表面设置有标志点群，所述标志点群包括至少六个异面的标志点；

多目视觉设备，包括一个基座和至少两个光测设备，所述基座固置于所述转台四周，所述基座与所述转台运动解耦，所述光测设备固置于所述基座上，用于获取所述转台负载上的标志点群在时间上的二维图像序列；

计算机系统，用于预设多目视觉设备图像采集规则，并根据所述预设规则，对所述二维图像中的标志点群中的各标志点进行识别、匹配、定位和测量，解算所述转台负载不同时刻时的负载中心坐标和虚拟中心轴指向。

优选地，所述至少两个光测设备环绕所述转台负载分布。

从上述方案可以看出，本发明通过外置光测设备实现了转台负载的姿态测量，具有以下有益效果：

1)通过外置视觉设备克服了传统测量装置随被测物体运动带来的误差耦合问题，静态系统测量动态运动，提高了测量精度；

2)帮助简化转台机械结构，减轻转台重量、降低转台制造要求，极大降低转台系统的成本，

3)简化转台装调要求和工艺，提高系统装调效率；

4)通过计算机系统联动，提高测量系统自动化水平，简化转台控制策略。

附图说明

图1是外置多目视觉设备的转台负载位姿测量方法流程图

图2是外置多目视觉设备的转台负载位姿测量系统结构示意图

图3是双目视觉设备对单个标志点的空间坐标测量原理图

图中各标号表示：

1.望远镜系统 21.第一相机 22.第二相机 23.第三相机 3.标志点群 4.负载中心 5.虚拟中心轴 6.世界坐标系 7.负载坐标系 8.相机坐标系

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应该理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，但不用于限制本发明的范围。

在本发明的实施例中，不失一般性，光测设备具体选用相机，转台负载具体选用望远镜系统1，望远镜系统1包括望远镜本体和机械座，转台负载的具体选择不限制本发明的范围。

实施例一

一种基于外置式多目视觉设备的转台负载位姿测量方法，该多目视觉设备包括两个光测设备、一个基座和计算机系统，两个光测设备分别为第一相机21和第二相机22，该转台负载为望远镜系统1；该方法包括：

将基座置于转台四周，基座与转台运动解耦；

将第一相机21和第二相机22固置于基座上，将望远镜系统1固置于转台上，望远镜系统1随转台转动；

使望远镜系统1处于第一相机21和第二相机22的公共视场，在基座上建立世界坐标系6，以第一相机21主点为原点建立第一相机坐标系，以第二相机22主点为原点建立第二相机坐标系，对第一相机21和第二相机22的内外参数进行标定；在望远镜系统1上建立负载坐标系7，在负载坐标系7中定义负载中心4和虚拟中心轴5；将标志点群3设置于望远镜系统1的本体表面，标志点群3包括至少六个标志点，各标志点异面；

通过标校测量获取所述各标志点在所述负载坐标系中的坐标初值；

工作中，转台带负载转动，通过计算机系统对第一相机21和第二相机22进行控制，对望远镜系统1进行位姿测量，其具体步骤如图1本发明实施例中转台位姿测量方法流程图，其包括：

S1:通过第一相机21和第二相机22对标志点群3内各标志点进行图像采集和测量，确定各标志点在各相机坐标系8中的二维图像坐标；

S2:根据相机内外参数对各标志点进行匹配后交会解算，获取各标志点在世界坐标系6中的空间坐标；

S3:结合各标志点在负载坐标系7的初始坐标和其在世界坐标系6中的空间坐标，解算负载坐标系7和世界坐标系6的转换平移关系；

S4:解算在世界坐标系6中，负载中心4的坐标以及虚拟中心轴5的指向。

在本发明实施例中，标志点群3的具体设置方式为，在望远镜系统1的本体外侧，沿着望远镜系统1的虚拟中心轴5方向离散且有大冗余的设置。

在本发明实施例中，标志点群3中各标志点在负载坐标系7的空间坐标初值的标定步骤如下。

以望远镜系统1主点(即负载中心4)为坐标系原点，以远望镜系统光轴(即虚拟中心轴5)为Z轴建立负载坐标系7。设在负载坐标系7中标志点P_i的坐标为(X_i，Y_i，Z_i)，i＝1，2……n。

使第一相机21对标志点群3进行图像采集，在相机坐标系8中，测量标志点P_i的二维图像坐标为p_i(x_i，y_i)i＝1,2……n。

任选一个标志点为坐标原点，以该标志点与另一个标志点的连线为坐标x轴，建立临时坐标系。由于标志点群3与望远镜系统1相对位置固定，则临时坐标系到负载坐标系7的旋转平移矩阵为常量，设为A＝(R₀T₀)。

假设世界坐标系6至临时坐标系的转换矩阵为B_i＝(R_iT_i)，由成像关系可以列出

其中ρ为尺度因子，K₀为相机的内参矩阵。上述矩阵方程中A为未知，A包含六个未知数，可以转动转台多次成像得到超过六个方程而求得。该方程组包含角度变量的正弦和余弦，不是线性方程组，但可以用非线性最小二乘法，比如Levenberg-Marquardt方法搜索求解方程组。

若临时坐标系到负载坐标系7的转换平移矩阵A已经求出，则各标志点在负载坐标系7下的空间坐标初值即可标定。

本发明实施例中，望远镜系统1上间距最远两标志点的间距为1米，则多目相机观测公共视场为1m×1m，相机分辨率为2k×2k，标志点的图像提取精度为0.1像素。

由成像原理可得，该相机可测量的实际空间分辨精度为

1000/2000×0.1＝0.05mm

该分辨精度对应的转动角度为:

(0.05/1000)×57.296°＝0.0029°＝10.44“即10个角秒的精度。

由上可知，本发明实施例的指向定位角度精度为10角秒。因为双目相机在水平和垂直上的分辨率一样，对于转台俯仰转角和水平转角的精度均为10个角秒。

实施例二

本发明实施例中，如图2转台位姿测量系统结构示意图，光测设备选用三台相机，分别为第一相机21，第二相机22和第三相机23。

由于望远镜系统1在转动过程中，不能保证望远镜系统1外壁上所有标志点在任意转动状态都被两台相机拍摄到，采用三台相机的空间布置是为了解决这个问题。保证任意转动状态下的任一标志点都至少被两台以上的相机同时拍摄到。通过增加相机数量，提供更多的空间信息，提高测量可靠性，并能互相补偿重建精度，理论上能提高定位精度。同时，多目视觉设备具有冗余定位能力，能增强系统的抗噪能力。

实施例三

本发明实施例中，如图3所示，双目世界设备对单个标志点的空间坐标测量原理，其具体步骤如下。

分别建立第一相机坐标系和第二相机坐标系，通过标定相机内外参数，得到各相机坐标系8的旋转矩阵R和平移矢量T，以及相机自身的畸变参数矩阵。设标志点为P点，其在世界坐标系6的空间坐标表示为(X,Y,Z)，第一相机21主点坐标为(C_x1,C_y1)，第一相机21的等效焦距为(F_x1,F_y1)。将第一相机21对标志点P进行图像采集，其图像点在第一相机坐标系下的坐标为(x₁,y₁),根据第一相机21畸变参数矩阵模型修正后的坐标为

则标志点P和其在第一相机21的图像点P1的共线方程为

同理建立标志点P与第二相机22像点P2的共线方程，并由第一相机坐标系和第二相机坐标系之间的旋转矩阵R和平移矢量T可得：

其中，旋转矩阵

平移矢量T＝(Tx,Ty,Tz)

利用最小二乘法联立上述两组方程组可求解标志点P在世界坐标系下的空间坐标。

以此类推，可获得标志点群3中各标志点在世界坐标系6下的空间坐标，结合各标志点在负载坐标系7的空间坐标初值，即解算出在世界坐标系下，望远镜系统1的负载中心4的坐标和虚拟中心轴5指向，获取望远镜系统1的姿态。

对于动态转动的转台负载，光测设备采用高速相机，同步拍摄，经过计算机系统，获取不同时刻在世界坐标系6中的负载中心4的空间坐标和虚拟中心轴5的指向，实现望远镜系统1的姿态测量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认为本发明的具体实施仅局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于外置式多目视觉设备的转台负载位姿测量方法，其特征在于，所述多目视觉设备包括至少两个光测设备、一个基座和一个计算机系统；所述方法包括：

将所述基座置于转台四周，所述基座与所述转台运动解耦；

将所述多目视觉设备中各光测设备固置于所述基座上，将转台负载固置于转台上，所述转台负载随所述转台转动；该转台负载为望远镜系统；

使所述转台负载处于各光测设备的公共视场，在所述基座上建立世界坐标系，以各光测设备主点为原点建立相机坐标系，对所述光测设备的内外参数进行标定；在所述转台负载上建立负载坐标系，在所述负载坐标系中定义负载中心和虚拟中心轴；将标志点群设置于转台负载表面，所述标志点群包括至少六个标志点，所述标志点不共面；

通过标校测量获取各标志点在所述负载坐标系中的坐标初值；

工作中，转台带负载转动，通过计算机系统联动各光测设备对转台负载进行位姿测量，包括：

S1:通过所述各光测设备对各标志点进行图像采集和测量，确定各标志点在各相机坐标系中的二维图像坐标；

S2:根据各光测设备内外参数，将各标志点在各相机坐标系中的二维图像进行匹配后交会解算，获取各标志点在世界坐标系中的空间坐标；具体地，通过标定各光测设备内外参数，得到各相机坐标系的旋转矩阵和平移矢量、以及相机自身的畸变参数矩阵；获取标志点在各光测设备坐标，根据畸变参数矩阵修正坐标，建立各标志点和其在各光测设备的图像点的共线方程，利用最小二乘法求解各标志点在世界坐标系下的空间坐标；

S3:结合各标志点在所述负载坐标系的坐标初值和各标志点在世界坐标系中的空间坐标，解算所述负载坐标系和所述世界坐标系的转换平移关系；

S4:解算在世界坐标系中，所述负载中心的坐标以及所述虚拟中心轴的指向；

其中所述将标志点群设置于转台负载表面包括将各标志点沿着所述虚拟中心轴方向离散且有冗余的布置。

2.根据权利要求1所述的转台负载位姿测量方法，其特征在于，该方法还包括通过信息融合和匹配设置将所述多目视觉设备中的至少两个光测设备扩展为环绕转台负载分布的多个光测设备。

3.一种基于外置式多目视觉设备的转台负载位姿测量系统，其特征在于，包括：

转台，设置有至少一个自由转动维度，用于承载负载并实现转动；

转台负载，固置于所述转台上，随所述转台转动，在所述转台负载上建立负载坐标系，所述转台负载上定义负载中心和虚拟中心轴，所述转台负载表面设置有标志点群，所述标志点群包括至少六个异面的标志点；该转台负载为望远镜系统；

多目视觉设备，包括一个基座和至少两个光测设备，所述基座固置于所述转台四周，所述基座与所述转台运动解耦，所述光测设备固置于所述基座上，用于获取所述转台负载上的标志点群在时间上的二维图像序列，所述转台负载处于各光测设备的公共视场, 在所述基座上建立世界坐标系，以各光测设备主点为原点建立相机坐标系，对所述光测设备的内外参数进行标定；

计算机系统，用于预设多目视觉设备图像采集规则，并根据所述预设规则，对所述二维图像中的标志点群中的各标志点进行识别、匹配、定位和测量，解算所述转台负载不同时刻时的负载中心坐标和虚拟中心轴指向；

计算机系统联动各光测设备对转台负载进行位姿测量，包括：

S1：通过各光测设备对各标志点进行图像采集和测量，确定各标志点在各相机坐标系中的二维图像坐标；

S2:根据各光测设备内外参数，将各标志点在各相机坐标系中的二维图像进行匹配后交会解算，获取各标志点在世界坐标系中的空间坐标；具体地，通过标定各光测设备内外参数，得到各相机坐标系的旋转矩阵和平移矢量、以及相机自身的畸变参数矩阵；获取标志点在各光测设备坐标，根据畸变参数矩阵修正坐标，建立各标志点和其在各光测设备的图像点的共线方程，利用最小二乘法求解各标志点在世界坐标系下的空间坐标；

S3:结合各标志点在所述负载坐标系的坐标初值和各标志点在世界坐标系中的空间坐标，解算所述负载坐标系和所述世界坐标系的转换平移关系；

S4:解算在世界坐标系中，所述负载中心的坐标以及所述虚拟中心轴的指向；

其中将各标志点沿着所述虚拟中心轴方向离散且有冗余的布置。

4.根据权利要求3所述的位姿测量系统，其特征在于，所述至少两个光测设备环绕所述转台负载分布。

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