CN116608838B - 一种集成多传感器的视觉测量系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提出一种集成多传感器的视觉测量系统，该系统包括集成有用于确定主光轴姿态变化情况的高精度测斜仪、以及用于通过倾斜补偿方式保证主光轴方位准确性的三维电子罗盘的观测摄像机、测量标靶和基准标靶，其中：测量标靶布设在被测目标上，基准标靶布设在相对不动位置处；观测摄像机与测量标靶、以及基准标靶之间均具备通视条件，且在视场范围内；主光轴垂直于测量标靶的位移方向，位移方向包括水平位移方向和竖向位移方向。

Description

一种集成多传感器的视觉测量系统

技术领域

本申请涉及视觉测量技术领域，具体而言，涉及一种集成多传感器的视觉测量系统。

背景技术

视觉位移测量系统是一种基于摄影测量法，针对于建筑结构变形的高精度测量装置。在现场布置中，需要预先布置好观测站(仪器自身)、测量标靶以及基准标靶，并以基准点作为不动点，测量测量标靶相对于基准标靶的横向和纵向的像素位移量，最后再基于标靶到观测站的距离将其换算成实际位移量，得到测量结果。

然而，现有测量系统在工作时，由于测量结果受仪态自身的影响较大(所谓姿态是指俯仰角、翻滚角、方位角的旋转)，而单个基准标靶只能修正俯仰角和方位角这两种运动方式，存在测量精度不高的问题。

发明内容

本申请实施例的目的在基于提供一种集成多传感器的视觉测量系，可以提高测量精度。

本申请实施例提供了一种集成多传感器的视觉测量系统，所述系统包括集成有用于确定主光轴姿态变化情况的高精度测斜仪、以及用于通过倾斜补偿方式保证主光轴方位准确性的三维电子罗盘的观测摄像机、测量标靶和基准标靶，其中：

所述测量标靶布设在被测目标上，所述基准标靶布设在相对不动位置处；

所述观测摄像机与所述测量标靶、以及所述基准标靶之间均具备通视条件，且在视场范围内；

所述主光轴垂直于所述测量标靶的位移方向，所述位移方向包括水平位移方向和竖向位移方向。

进一步的，所述高精度测斜仪和所述三维电子罗盘与所述观测摄像机呈刚性连接。

进一步的，所述系统还包括工控机，其中：

所述高精度测斜仪和所述三维电子罗盘均通过USB连接线连接到工控机，所述观测摄像机通过千兆网线连接到工控机。

进一步的，所述工控机，用于获取测量标靶的第一水平位移量Δvx、以及第一竖向位移量Δvy，以及基准标靶的第二水平位移量Δvx₀、以及第二竖向位移量Δvy₀；

所述工控机，还用于基于所述第二水平位移量Δvx₀修正所述第一水平位移量Δvx，以确定测量标靶的目标水平位移量Δvx₁；

所述工控机，还用于基于所述第二竖向位移量Δvy₀修正所述第一竖向位移量Δvy，以确定测量标靶的目标竖向位移量Δvy₁。

进一步的，所述工控机还用于获取经由所述高精度测斜仪测得的翻滚角变化量Δr、俯仰角变化量Δy、方位角变化量Δp；

所述工控机还用于根据所述翻滚角变化量Δr、所述俯仰角变化量Δy以及所述方位角变化量Δρ，在所述测量标靶的目标水平位移量Δvx₁和目标竖向位移量Δvy₁的基础上进行位移修正。

进一步的，所述工控机还用于在获取到所述翻滚角变化量Δr时，通过下述公式修正水平位移量Δvx₁和竖向位移量Δvy₁：

其中，Δvx₂为经翻滚角修正后的水平位移量，Δvy₂为经翻滚角修正后的竖向位移量。

进一步的，所述工控机还用于在获取到所述俯仰角变化量Δy时，通过下述公式修正水平位移量Δvx₂和竖向位移量Δvy₂：

Δvx₃＝Δvx₂；

Δvy₃＝Δvy₂+L×tanΔy；

其中，L为测量标靶到观测摄像机的距离，Δvx₃为经俯仰角修正后的水平位移量，Δvy₃为经俯仰角修正后的竖向位移量。

进一步的，所述工控机还用于在获取到所述方位角变化量Δρ时，通过下述公式修正水平位移量Δvx₃和竖向位移量Δvy₃：

Δvx₄＝Δvx₃+L×tanΔρ；

Δvy₄＝Δvy₃；

其中，Δvx₄为经方位角修正后的水平位移量，Δvy₄为经方位角修正后的竖向位移量。

进一步的，所述工控机还用于获取主光轴与水平位移方向的夹角α，并基于夹角α通过下述公式修正水平位移量Δvx₄和竖向位移量Δvy₄：

Δvx₅＝Δvx₄×cosα；

Δvy₅＝Δvy₄。

由上可知，本申请实施例提供的一种集成多传感器的视觉测量系统，考虑到虽然三维电子罗盘在其内部加入了测斜仪，测斜仪能够在罗盘发生倾斜时，对罗盘进行倾斜补偿，但由于测斜仪的计算精度不能满足高精度的视觉位移测量系统的姿态修正计算，由此本申请实施例考虑将高精度测斜仪、三维电子罗盘与观测摄像机进行集成，使得能够在保证主光轴方位准确性的同时，还能够基于精度较高的高精度测斜仪，利用三轴加速度计算、修正俯仰角、翻滚角以及方位角这三种运动方式，不仅降低了误差率，提高了测量精度，还能使得测量结果更趋近于真实值。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种集成多传感器的视觉测量系统的结构示意图；

图2为多传感器与观测摄像机的组合方式示意图；

图3为测量标靶的位移变化示意图；

图4为翻滚角、俯仰角以及方位角的姿态变化示意图；

图5为方位角移动的平面示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

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。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，图1是本申请提供的一种集成多传感器的视觉测量系统，该系统包括集成有用于确定主光轴姿态变化情况的高精度测斜仪、以及用于通过倾斜补偿方式保证主光轴方位准确性的三维电子罗盘的观测摄像机、测量标靶和基准标靶，其中：

所述测量标靶布设在被测目标上，所述基准标靶布设在相对不动位置处；所述观测摄像机与所述测量标靶、以及所述基准标靶之间均具备通视条件，且在视场范围内；所述主光轴垂直于所述测量标靶的位移方向，所述位移方向包括水平位移方向和竖向位移方向。

需要说明的是，基准标靶的作用仅作为修正观测摄像机x、y、z三轴的平移运动。另外，基准标靶只有1个，测量标靶的数量不作限制，但需布设在观测视野范围内。

由上可知，本申请提供的一种集成多传感器的视觉测量系统，考虑到虽然三维电子罗盘在其内部加入了测斜仪，测斜仪能够在罗盘发生倾斜时，对罗盘进行倾斜补偿，但由于测斜仪的计算精度不能满足高精度的视觉位移测量系统的姿态修正计算，由此本申请实施例考虑将高精度测斜仪、三维电子罗盘与观测摄像机进行集成，使得能够在保证主光轴方位准确性的同时，还能够基于精度较高的高精度测斜仪，利用三轴加速度计算、修正俯仰角、翻滚角以及方位角这三种运动方式，不仅降低了误差率，提高了测量精度，还能使得测量结果更趋近于真实值。

在其中一个实施例中，请参考图2，所述高精度测斜仪和所述三维电子罗盘与所述观测摄像机呈刚性连接。

需要说明的是，通过对用交联材料制成的热收缩管(带)进行火焰加热，使热收缩管(带)内表面的热熔胶与管材外表面粘接成一体，热收缩管(带)冷却固化形成恒定的包紧力的管道连接方法，属刚性连接。

在其中一个实施例中，请参考图2，所述系统还包括工控机，其中：所述高精度测斜仪和所述三维电子罗盘均通过USB连接线连接到工控机，所述观测摄像机通过千兆网线连接到工控机。

需要说明的是，USB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游设备提供电源，对于任何已经成功连接且相互识别的外设，将以双方设备均能够支持的最高速率传输数据。另外，作为网络时代，网线是连接局域网必不可少的，考虑到千兆网线即适用千兆网络，也适用百兆网络，其适用的范围更广，数据传输速度更快，因此当前实施例中采用的是千兆网线。

在其中一个实施例中，请参考图3，所述工控机，用于获取测量标靶的第一水平位移量Δvx、以及第一竖向位移量Δvy，以及基准标靶的第二水平位移量Δvx₀、以及第二竖向位移量Δvy₀。

所述工控机，还用于基于所述第二水平位移量Δvx₀修正所述第一水平位移量Δvx，以确定测量标靶的目标水平位移量Δvx₁。

具体的，当前实施例中，在已知位移变化情况时，工控机会将Δvx与Δvx₀进行做差计算，所得的做差结果即为测量标靶的目标水平位移量Δvx₁。

所述工控机，还用于基于所述第二竖向位移量Δvy₀修正所述第一竖向位移量Δvy，以确定测量标靶的目标竖向位移量Δvy₁。

具体的，同上述实施例，工控机会将Δvy与Δvy₀进行做差计算，所得的做差结果即为测量标靶的目标竖向位移量Δvy₁。

在其中一个实施例中，请参考图4，所述工控机还用于获取经由所述高精度测斜仪测得的翻滚角变化量Δr、俯仰角变化量Δy、方位角变化量Δp。

需要说明的是，高精度测斜仪具体是利用三轴加速度计算翻滚角、俯仰角以及方位角，其测量精度达到了0.0001度。安装时，会将高精度测斜仪与观测摄像机进行刚性连接，以计算主光轴的变化情况。

所述工控机还用于根据所述翻滚角变化量Δr、所述俯仰角变化量Δy以及所述方位角变化量Δρ，在所述测量标靶的目标水平位移量Δvx₁和目标竖向位移量Δvy₁的基础上进行位移修正。

具体的，位移修正的计算步骤可参考后续实施例，当前不做过多说明。

在其中一个实施例中，所述工控机还用于在获取到所述翻滚角变化量Δr时，通过下述公式修正水平位移量Δvx₁和竖向位移量Δvy₁：

其中，Δvx₂为经翻滚角修正后的水平位移量，Δvy₂为经翻滚角修正后的竖向位移量。

需要说明的是，由于观测摄像机仅测量水平位移和竖向位移，其对主光轴方向的平移不敏感。因此，当前实施例中，仅针对的是x轴和z轴方向上的位移量修正，具体的修正方式请参考上述公式。

在其中一个实施例中，所述工控机还用于在获取到所述俯仰角变化量Δy时，通过下述公式修正水平位移量Δvx₂和竖向位移量Δvy₂：

Δvx₃＝Δvx₂；

Δvy₃＝Δvy₂+L×tanΔy；

其中，L为测量标靶到观测摄像机的距离，Δvx₃为经俯仰角修正后的水平位移量，Δvy₃为经俯仰角修正后的竖向位移量。

在其中一个实施例中，所述工控机还用于在获取到所述方位角变化量Δρ时，通过下述公式修正水平位移量Δvx₃和竖向位移量Δvy₃：

Δvx₄＝Δvx₃+L×tanΔρ；

Δvy₄＝Δvy₃；

其中，Δvx₄为经方位角修正后的水平位移量，Δvy₄为经方位角修正后的竖向位移量。

在其中一个实施例中，所述工控机还用于获取主光轴与水平位移方向的夹角α，并基于夹角α通过下述公式修正水平位移量Δvx₄和竖向位移量Δvy₄：

Δvx₅＝Δvx₄×cosα；

Δvy₅＝Δvy₄。

需要说明的是，竖向位移不变(即Δvy₅与Δvy₄保持一致)的原因是，是由于观测摄像机布设时要求调平，即主光轴平行于水平面。而在测绘领域，竖向位移特指沉降，即垂直于水平面的方向，因而在竖向位移方向不做非正直摄影修正。

在其中一个实施例中，请参考图5，主光轴与水平位移方向的夹角α的确定方式包括：在现场布设完成后，使观测摄像机调平，并调整观测摄像机的拍摄方向，使其与测量点(即测量标靶的观测点)呈正直摄影，即主光轴垂直于测量标靶的水平位移方向，记录此时的方位角δ₁；之后，再调整观测摄像机，使所有标靶(即测量标靶和基准标靶)均处于视场范围中，并记录此时的方位角δ₂，其中，夹角α即为δ₂与δ₁的差值。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

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。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种集成多传感器的视觉测量系统，其特征在于，所述系统包括集成有用于确定主光轴姿态变化情况的高精度测斜仪、以及用于通过倾斜补偿方式保证主光轴方位准确性的三维电子罗盘的观测摄像机、测量标靶和基准标靶，其中：

所述测量标靶布设在被测目标上，所述基准标靶布设在相对不动位置处；

所述观测摄像机与所述测量标靶、以及所述基准标靶之间均具备通视条件，且在视场范围内；

所述主光轴垂直于所述测量标靶的位移方向，所述位移方向包括水平位移方向和竖向位移方向；

所述系统还包括工控机，其中：

所述高精度测斜仪和所述三维电子罗盘均通过USB连接线连接到工控机，所述观测摄像机通过千兆网线连接到工控机；

所述工控机，用于获取测量标靶的第一水平位移量Δvx、以及第一竖向位移量Δvy，以及基准标靶的第二水平位移量Δvx₀、以及第二竖向位移量Δvy₀；

所述工控机，还用于基于所述第二水平位移量Δvx₀修正所述第一水平位移量Δvx，以确定测量标靶的目标水平位移量Δvx₁；

所述工控机，还用于基于所述第二竖向位移量Δvy₀修正所述第一竖向位移量Δvy，以确定测量标靶的目标竖向位移量Δvy₁；

所述工控机还用于获取经由所述高精度测斜仪测得的翻滚角变化量Δr、俯仰角变化量Δy、方位角变化量Δp；

所述工控机还用于根据所述翻滚角变化量Δr、所述俯仰角变化量Δy以及所述方位角变化量Δρ，在所述测量标靶的目标水平位移量Δvx₁和目标竖向位移量Δvy₁的基础上进行位移修正。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高精度测斜仪和所述三维电子罗盘与所述观测摄像机呈刚性连接。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述工控机还用于在获取到所述翻滚角变化量Δr时，通过下述公式修正水平位移量Δvx₁和竖向位移量Δvy₁：

其中，Δvx₂为经翻滚角修正后的水平位移量，Δvy₂为经翻滚角修正后的竖向位移量。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述工控机还用于在获取到所述俯仰角变化量Δy时，通过下述公式修正水平位移量Δvx₂和竖向位移量Δvy₂：

Δvx₃＝Δvx₂；

Δvy₃＝Δvy₂+L×tanΔy；

其中，L为测量标靶到观测摄像机的距离，Δvx₃为经俯仰角修正后的水平位移量，Δvy₃为经俯仰角修正后的竖向位移量。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述工控机还用于在获取到所述方位角变化量Δρ时，通过下述公式修正水平位移量Δvx₃和竖向位移量Δvy₃：

Δvx₄＝Δvx₃+L×tanΔρ；

Δvy₄＝Δvy₃；

其中，Δvx₄为经方位角修正后的水平位移量，Δvy₄为经方位角修正后的竖向位移量。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述工控机还用于获取主光轴与水平位移方向的夹角α，并基于夹角α通过下述公式修正水平位移量Δvx₄和竖向位移量Δvy₄：

Δvx₅＝Δvx₄×cosα；

Δvy₅＝Δvy₄。