CN114967767A - 基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置及方法，装置包括工业相机、快反镜、成像系统、旋转双棱镜组件和上位机，旋转双棱镜组件的一侧正对目标，接收光线；成像系统用于将旋转双棱镜组件折射的光线汇聚到快反镜中；快反镜将光束投射到工业相机中；通过旋转双棱镜对相机视轴的精确控制，使目标始终处于相机的成像中心位置附近，再通过微调快反镜，实现相机视轴的精密调节，最终使目标准确处于成像中心。与现有技术相比，本发明通过构建目标运动过程与相机成像视轴的对应关系，可由计算机控制旋转双棱镜以及快反镜转速实时调整目标物体所在视场内的位置，保证目标始终处于成像中心，实现对目标的实时跟踪。

Description

基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置及方法

技术领域

本发明涉及运动目标视觉跟踪领域，尤其是涉及基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置及方法。

背景技术

目标视觉跟踪技术作为计算机视觉的一个主要研究方向，目前已经广泛应用于军事制导、无人驾驶、自动装配、智能导航定位、视频监控、生物医学等领域。除此之外，将视觉跟踪应用于工业领域，实现对目标的非接触式动态位姿测量；或者利用视觉跟踪系统来辅助传统测量工具(如经纬仪等)，实现测量过程由静态向动态的转变，也是视觉跟踪技术极具潜力的发展方向。目前数字化和智能化成为工业领域改革和发展的主流，视觉跟踪技术也将在其中发挥重要作用。

现阶段主动跟踪技术常用的视觉跟踪系统多采用多轴转台作为视轴调整机构，但是基于多轴转台的跟踪平台往往结构复杂，系统转动惯量较大，对振动比较敏感。

在先技术(申请号：CN 201710321887.8，申请日：2017年5月9日，名称为“一种搭载快速反射镜的粗精跟踪实验转台”的发明)提出了一种搭载快速反射镜的粗精跟踪实验转台，先控制方位和俯仰转台运动将目标锁定到较小的跟踪范围内，当目标处于快速反射镜所能覆盖的范围时，再微调快速反射镜使光束逐步稳定移动到目标区域位置，从而实现粗跟踪。该装置引入快反镜，提高了跟踪的精度，但是主体还是转台，对振动相对敏感。

在先技术(申请号：CN 201611033196.X，申请日：2016年11月14日，名称为“一种目标跟踪方法及目标跟踪装置”的发明)提出了一种目标跟踪方法，应用于电子设备中，通过无载波通信模块确定跟踪目标与电子设备的第一相对位置信息；通过摄像头确定跟踪目标与电子设备的第二相对位置信息；基于第一相对位置信息和第二相对位置信息，确定跟踪目标与电子设备的第三相对位置信息；基于第三相对位置信息，控制电子设备跟踪目标行进。该方法提高了稳定性和鲁棒性，但是精度方面还有所不足。

在先技术(申请号：CN 202011644782.4，申请日：2020年12月31日，名称为“一种柔性驱动的视觉跟踪装置设计及控制方法”的发明)提出了一种柔性驱动的视觉跟踪装置设计及控制方法，对相机获取的图像进行与处理，分离出图像的有效区域；采用模板匹配方法对有效区域进行匹配，选出匹配最佳区域为目标物，获得中心像素位置坐标；通过三根柔性钢丝绳并联运动学模型求解，得到三根柔性钢丝绳分别需要伸缩的长度，将其转化为控制三根柔性钢丝绳的驱动电机转动的角度。该装置降低了视觉跟踪装置的重量，具备轻型化，但是跟踪精度受限于装置本身。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置及方法，实时对运动目标进行精确跟踪。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置，包括工业相机、快反镜、成像系统、旋转双棱镜组件和上位机，所述旋转双棱镜组件的一侧正对目标，接收光线；所述成像系统用于将旋转双棱镜组件折射的光线汇聚到快反镜中；所述快反镜将光束投射到工业相机中；

所述工业相机用来记录图像信息，获取视场中心与目标的偏差；

所述快反镜用于精确调整成像视轴，实现对目标的精跟踪；

所述旋转双棱镜组件用于初步调整成像视轴，实现对目标的粗跟踪；

所述上位机连接工业相机，用于接收工业相机采集的图像信息以及计算出棱镜转角和快反镜摆角，所述棱镜转角和快反镜摆角分别用于调整旋转双棱镜组件和快反镜。

进一步地，所述工业相机固定于快反镜正下方，目标跟踪过程中，根据实际变化调整所述工业相机的内部参数和探测波段。

进一步地，所述快反镜为音圈快反镜，目标跟踪过程中，根据实际变化调整所述快反镜的摆角范围和最大加速度。

进一步地，所述成像系统包括两块凸透镜，所述成像系统位于快反镜和旋转双棱镜组件之间，并与于快反镜和旋转双棱镜组件同轴设置；目标跟踪过程中，根据实际变化调整所述成像系统的焦距。

进一步地，所述旋转双棱镜组件与成像系统同轴设置，所述旋转双棱镜组件包括两块棱镜，所述两块棱镜保持光轴相互对准，且两块棱镜的平面侧均与成像系统的轴线垂直，所述两块棱镜均受旋转机构驱动实现绕光轴方向的旋转运动；

目标跟踪过程中，根据实际变化调整所述旋转双棱镜组件的光学参数和组合形式。

本发明还提供一种采用如上所述的一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置的跟踪方法，包括以下步骤：

S1：结合成像系统的视场角和分辨率要求，确定工业相机、快反镜、旋转双棱镜组件及成像系统的光学参数和结构参数，按照四者的相对位姿关系构建复合轴粗精跟踪装置及其工作坐标系；

S2：获取所述工业相机的相机视场，根据运动目标在相机视场中的位置，得到目标与视场中心的偏差，控制旋转双棱镜组件转动，使视轴处于目标位置附近；

S3：根据目标与视场中心的偏差计算快反镜精跟踪所需要的摆角，控制快反镜转动对应角度。

进一步地，步骤S1和步骤S2之间还包括以下步骤：

设置标定组件对工业相机、快反镜与旋转双棱镜进行系统标定，确定旋转双棱镜中两棱镜的主截面位置以及快反镜零位。

进一步地，步骤S2中，由码盘得到光线角度，计算双棱镜旋转角度，控制旋转双棱镜组件转动，使视轴处于目标位置附近。

进一步地，执行完步骤S2后，目标与视场中心仍有细微偏差dx′，dy′；上位机根据偏差解算快反镜所需转角θ₃，控制快反镜转动相应角度，使目标处于成像视场中心。

进一步地，所述方法还包括：

S4：从低速开始连续改变目标位置，观察复合轴粗精跟踪装置在不同棱镜转速下的跟踪效果，分析跟踪方法的性能。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明复合轴粗精跟踪方案可通过计算机控制旋转双棱镜组件和快反镜调整工业相机的成像视轴，使运动目标始终处于成像视场中心，实现对跟踪目标实时精确跟踪。

(2)本发明采用双棱镜和快反镜组件，利用棱镜的折射作用和快反镜的反射来改变相机的成像视轴，指向精度高、动态性能好。

(3)本发明能够通过调整棱镜转速实现不同速度目标的实时跟踪，具有较好的装置灵活性和环境适应性。

(4)本发明复合轴粗精跟踪装置结构紧凑，转动惯量小。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置的原理图；

图2为本发明实施例中提供的一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪方法的流程图；

图3为本发明实施例中提供的一种快反镜结构图；

图4为本发明实施例中提供的一种双棱镜系统视轴调整原理图；

图中，1、工业相机，2、快反镜，3、成像系统，4、旋转双棱镜。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

实施例1

如图1所示，本实施例提出一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置，包括工业相机1、快反镜2、成像系统3和旋转双棱镜4。

工业相机1包括图像传感器和镜头，图像传感器的靶面尺寸和像素尺寸、镜头的焦距和景深等参数由目标场景的范围决定，图像传感器的探测波段由目标场景的属性决定，为可见光波段或红外光波段。

快反镜2为音圈快反镜，通过两轴快速摆振实现光路调整，以补偿振动对光路的影响，或者控制光路产生期望的指向，其摆角范围和角加速度根据具体跟踪场景选择，结构图如图3所示。

成像系统3为两块凸透镜，安装在快反镜和旋转双棱镜组件之间，与两者同轴布置，其焦距等参数可依据具体应用场合的变化进行调整。

旋转双棱镜4包括两块棱镜，两块棱镜保持光轴相互对准，采取平面相对或楔面相对的布置形式，同时保持两块棱镜的平面侧均与成像系统的轴线垂直；两块棱镜通过光学胶水粘接的方式固定在各自的支撑结构上，并通过独立的旋转机构驱动实现绕光轴方向的旋转运动；旋转机构采用力矩电机直驱或齿轮传动、同步带传动、蜗轮蜗杆传动等方式。

本实施例在跟踪系统中引入旋转双棱镜以及快反镜，能够通过调整旋转双棱镜和快反镜实现相机视轴的调整，实现对跟踪目标实时精确跟踪。相比于已有的跟踪系统，本实施例的复合轴跟踪系统无须相机本体进行任何形式的运动，可同时满足结构紧凑性、指向精度、动态性能和灵活性等性能要求。

实施例2

如图2所示，本实施例提出一种采用如实施例1所示的复合轴粗精跟踪装置的双棱镜复合轴粗精跟踪方法，具体包括以下步骤：

1)参数匹配与系统构建

结合成像系统的视场角、分辨率等要求，确定相机1、快反镜2、成像系统3及旋转双棱镜4的光学参数和结构参数，按照四者的相对位姿关系构建复合轴粗精跟踪系统及其工作坐标系；

根据右手定则建立复合轴粗精跟踪系统工作坐标系O-XYZ，原点O固定于相机的光心位置，Z轴与相机的光轴方向重合，X轴和Y轴均与Z轴正交。

2)旋转双棱镜主截面及快反镜零位标定

利用标定组件将工业相机、快反镜与旋转双棱镜进行系统标定，确定两棱镜主截面位置以及快反镜零位；

利用透射法标定棱镜的主截面位置以及快反镜的零位。

3)根据偏差确定粗跟踪所需棱镜转角

根据运动目标在相机视场中的位置，得到目标与视场中心的偏差，计算旋转双棱镜组件粗跟踪所需要的两棱镜转角，控制旋转双棱镜组件转动对应角度，图4为双棱镜视轴调整原理图；

目标在成像视场中的位置(x,y)，两棱镜距离为D₁，成像系统两透镜的焦距f₁，f₂，成像视轴与目标位置的偏差dx，dy，旋转双棱镜系统两个棱镜相同且对称放置，楔角为α，折射率n，薄端厚度为d₀，由码盘获得光线角度，计算旋转双棱镜组件4粗跟踪所需要的两棱镜转角θ₁、θ₂，由上位机控制旋转双棱镜组件转动对应角度。

4)根据偏差确定精跟踪所需快反镜摆角

步骤3)中快反镜处于零位，执行完步骤3)之后，此时运动目标与视场中心仍有细微偏差dx′，dy′；上位机根据偏差解算快反镜所需转角θ₃，控制快反镜转动相应角度，使目标准确处于成像视场中心；

5)根据不同场景跟踪效果评价跟踪系统性能

从低速开始连续改变步骤3)中的目标位置(x,y)，观察跟踪装置在不同棱镜转速下的跟踪效果，分析跟踪方法的性能；

针对不同速度的运动目标，使用双棱镜复合轴粗精跟踪方法进行试验，观察跟踪装置在不同棱镜转速下的跟踪效果，分析跟踪方法的性能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置，其特征在于，包括工业相机、快反镜、成像系统、旋转双棱镜组件和上位机，所述旋转双棱镜组件的一侧正对目标，接收光线；所述成像系统用于将旋转双棱镜组件折射的光线汇聚到快反镜中；所述快反镜将光束投射到工业相机中；

所述工业相机用来记录图像信息，获取视场中心与目标的偏差；

所述快反镜用于精确调整成像视轴，实现对目标的精跟踪；

所述旋转双棱镜组件用于初步调整成像视轴，实现对目标的粗跟踪；

所述上位机连接工业相机，用于接收工业相机采集的图像信息以及计算出棱镜转角和快反镜摆角，所述棱镜转角和快反镜摆角分别用于调整旋转双棱镜组件和快反镜。

2.根据权利要求1所述的一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置，其特征在于，所述工业相机固定于快反镜正下方，目标跟踪过程中，根据实际变化调整所述工业相机的内部参数和探测波段。

3.根据权利要求1所述的一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置，其特征在于，所述快反镜为音圈快反镜，目标跟踪过程中，根据实际变化调整所述快反镜的摆角范围和最大加速度。

4.根据权利要求1所述的一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置，其特征在于，所述成像系统包括两块凸透镜，所述成像系统位于快反镜和旋转双棱镜组件之间，并与于快反镜和旋转双棱镜组件同轴设置；目标跟踪过程中，根据实际变化调整所述成像系统的焦距。

5.根据权利要求1所述的一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置，其特征在于，所述旋转双棱镜组件与成像系统同轴设置，所述旋转双棱镜组件包括两块棱镜，所述两块棱镜保持光轴相互对准，且两块棱镜的平面侧均与成像系统的轴线垂直，所述两块棱镜均受旋转机构驱动实现绕光轴方向的旋转运动；

目标跟踪过程中，根据实际变化调整所述旋转双棱镜组件的光学参数和组合形式。

6.一种采用如权利要求1所述的一种基于组合转镜的复合轴粗精跟踪装置的跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：结合成像系统的视场角和分辨率要求，确定工业相机、快反镜、旋转双棱镜组件及成像系统的光学参数和结构参数，按照四者的相对位姿关系构建复合轴粗精跟踪装置及其工作坐标系；

S2：获取所述工业相机的相机视场，根据运动目标在相机视场中的位置，得到目标与视场中心的偏差，控制旋转双棱镜组件转动，使视轴处于目标位置附近；

S3：根据目标与视场中心的偏差计算快反镜精跟踪所需要的摆角，控制快反镜转动对应角度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S1和步骤S2之间还包括以下步骤：

设置标定组件对工业相机、快反镜与旋转双棱镜进行系统标定，确定旋转双棱镜中两棱镜的主截面位置以及快反镜零位。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2中，由码盘得到光线角度，计算双棱镜旋转角度，控制旋转双棱镜组件转动。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，执行完步骤S2后，目标与视场中心仍有细微偏差dx′，dy′；上位机根据偏差解算快反镜所需转角θ₃，控制快反镜转动相应角度，使目标处于成像视场中心。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

S4：从低速开始连续改变目标位置，观察复合轴粗精跟踪装置在不同棱镜转速下的跟踪效果，分析跟踪方法的性能。

Images