ITPD20120100A1 - METHOD AND APPARATUS FOR THE TEMPORAL MEASUREMENT OF THE 6 DEGREES OF FREEDOM OF A BODY IN MOVEMENT IN THE THREE-DIMENSIONAL SPACE - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda un metodo ed un apparato per la misura temporale dei 6 gradi di libertà di un corpo in movimento nello spazio tridimensionale. The present invention relates to a method and an apparatus for the temporal measurement of the 6 degrees of freedom of a moving body in three-dimensional space.
In particolare, la presente invenzione si applica preferibilmente, ma non esclusivamente, alle boe di misura del moto ondoso. In particular, the present invention applies preferably, but not exclusively, to buoys for measuring wave motion.
Sono noti nell’arte dispositivi e metodi per la misurazione temporale dei sei gradi di libertà di corpi in movimento, in particolare tre spostamenti ortogonali, ossia avanzo, deriva e sussulto secondo una terna cartesiana, e tre rotazioni rispetto a detti assi costituenti la terna cartesiana, ossia rollio, beccheggio e imbardata (angoli di Eulero). Devices and methods for the temporal measurement of the six degrees of freedom of moving bodies are known in the art, in particular three orthogonal displacements, that is, advance, drift and jolt according to a Cartesian triad, and three rotations with respect to said axes constituting the triad Cartesian, i.e. roll, pitch and yaw (Euler angles).
Ad esempio, tradizionalmente, la misurazione del moto 3-D di piccoli oggetti (boe di misura del moto ondoso o piccole imbarcazioni) in movimento à ̈ ottenuta con potenziometri, accelerometri o giroscopi vincolati al corpo del quale si vogliono seguire i movimenti nel tempo. Nell’ambito dei piccoli oggetti galleggianti (come i modelli fisici in scala ridotta provati nelle vasche navali), sono stati anche sviluppati degli strumenti adhoc (Briggs and Melito, 2008; ITTC, 2008; van der Molen et al., 2010). Le accuratezze ottenibili con tale strumentazione nota sono 0.1 mm per le traslazioni, 0.04° per la rotazione di rollio, e 0.01° per le rotazioni di beccheggio ed imbardata. Si tratta quindi di strumentazioni alloggiate a bordo dei natanti o basate su un complesso sistema di sonde e telemetri laser: tali soluzioni sono quindi costose e potenzialmente danneggiabili in un ambiente aggressivo come quello acquatico marino; per questa ragione viene quindi richiesta una adeguata protezione degli strumenti stessi. La necessità di aggiungere tale protezione incrementa i costi, gli ingombri e il peso dell’apparecchiatura. For example, traditionally, the measurement of the 3-D motion of small objects (wave motion measurement buoys or small boats) in motion is obtained with potentiometers, accelerometers or gyroscopes constrained to the body whose movements are to be followed over time. In the field of small floating objects (such as the reduced-scale physical models tested in naval tanks), ad hoc tools have also been developed (Briggs and Melito, 2008; ITTC, 2008; van der Molen et al., 2010). The accuracies obtainable with this known instrumentation are 0.1 mm for the translations, 0.04 ° for the roll rotation, and 0.01 ° for the pitch and yaw rotations. They are therefore instruments housed on board the vessels or based on a complex system of probes and laser rangefinders: these solutions are therefore expensive and potentially damaging in an aggressive environment such as the marine aquatic one; for this reason, adequate protection of the instruments themselves is therefore required. The need to add this protection increases the costs, dimensions and weight of the equipment.
Inoltre le strumentazioni note devono essere necessariamente fissate all’oggetto di cui occorre misurare il movimento nel tempo: in questo modo gli strumenti di misura finiscono inevitabilmente per influenzare la misura che si effettua. Furthermore, the known instruments must necessarily be fixed to the object whose movement is to be measured over time: in this way the measuring instruments inevitably end up influencing the measurement that is made.
Riassumendo, gli apparati e i metodi dell’arte nota sono costosi ed ingombranti e non garantiscono sempre una elevata precisione di misurazione, soprattutto nel tempo. Lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di risolvere gli inconvenienti e le limitazioni citati con riferimento alla tecnica nota. In summary, the devices and methods of the known art are expensive and bulky and do not always guarantee a high measurement accuracy, especially over time. The object of the present invention is to solve the drawbacks and limitations mentioned with reference to the known art.
Tali inconvenienti e limitazioni sono risolti da un metodo di misura in accordo con la rivendicazione 1 e da un apparato di misura secondo la rivendicazione 9. These drawbacks and limitations are solved by a measurement method according to claim 1 and by a measurement apparatus according to claim 9.
Altre forme di realizzazione della presente invenzione sono descritte nelle successive rivendicazioni. Other embodiments of the present invention are described in the subsequent claims.
Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente comprensibili dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti e non limitativi di realizzazione, in cui: Further characteristics and advantages of the present invention will be more understandable from the following description of its preferred and non-limiting embodiment examples, in which:
la figura 1 rappresenta una vista di un corpo galleggiante con relativo sistema di riferimento ortogonale; Figure 1 is a view of a floating body with relative orthogonal reference system;
la figura 2 rappresenta un ingrandimento del particolare II di figura 1; Figure 2 is an enlargement of the detail II of Figure 1;
le figure 3-6 rappresentano viste schematiche di sistemi di riferimento di elementi dell’apparato di misura in accordo con la presente invenzione; Figures 3-6 show schematic views of reference systems of elements of the measuring apparatus in accordance with the present invention;
la figura 7 rappresenta una vista schematica dei componenti dell’apparato della presente invenzione. Figure 7 represents a schematic view of the components of the apparatus of the present invention.
Gli elementi o parti di elementi in comune tra le forme di realizzazione descritte nel seguito saranno indicati con medesimi riferimenti numerici. The elements or parts of elements in common between the embodiments described below will be indicated with the same numerical references.
Con riferimento alle suddette figure, con 4 si à ̈ globalmente indicato un apparato per la misura temporale dei sei gradi di libertà di un corpo 8 in movimento nello spazio tridimensionale. Il corpo 8 può essere di qualsiasi tipo, forma e dimensione. Ad esempio in figura 1 à ̈ rappresentato un natante; tale rappresentazione deve essere considerata in maniera esemplificativa e non esaustiva. In altre parole, la presente invenzione si applica a qualsiasi tipo di corpo in movimento, non necessariamente un natante. With reference to the aforementioned figures, 4 globally indicates an apparatus for the temporal measurement of the six degrees of freedom of a body 8 moving in three-dimensional space. Body 8 can be of any type, shape and size. For example, figure 1 shows a vessel; this representation must be considered as an example and not exhaustive. In other words, the present invention applies to any type of moving body, not necessarily a watercraft.
I movimenti di un corpo nello spazio sono univocamente definiti una volta noti i 6 gradi di libertà del corpo rigido libero nello spazio 3-D ed una volta fissata una terna cartesiana ortogonale di riferimento: i sei gradi di libertà sono quindi tre spostamenti ortogonali e tre rotazioni (angoli di Eulero). The movements of a body in space are uniquely defined once the 6 degrees of freedom of the free rigid body in 3-D space are known and once an orthogonal reference Cartesian triad has been fixed: the six degrees of freedom are therefore three orthogonal displacements and three rotations (Euler angles).
I movimenti caratteristici di una struttura sono così definiti (figura 1): The characteristic movements of a structure are defined as follows (figure 1):
Avanzo: spostamento parallelo all’asse X; Advance: movement parallel to the X axis;
Deriva: spostamento parallelo all’asse Y; Drift: movement parallel to the Y axis;
Sussulto: spostamento parallelo all’asse Z; Jolt: movement parallel to the Z axis;
Rollio: rotazione attorno all’asse X; Roll: rotation around the X axis;
Beccheggio: rotazione attorno all’asse Y; Pitch: rotation around the Y axis;
Imbardata: rotazione attorno all’asse Z. Yaw: rotation around the Z axis.
La presente invenzione, al fine di misurare i 6 gradi di libertà di un corpo 8 in movimento nello spazio tridimensionale, prevede innanzitutto di predisporre un target piano 12 avente una geometria nota ed associare rigidamente il target piano 12 al corpo 8 di cui si intende misurare il movimento nello spazio tridimensionale. The present invention, in order to measure the 6 degrees of freedom of a body 8 moving in three-dimensional space, first of all envisages preparing a flat target 12 having a known geometry and rigidly associating the flat target 12 to the body 8 of which it is intended to measure. movement in three-dimensional space.
Inoltre si associa al target piano 12, un sistema di riferimento del corpo 16 di cui si intende misurare il movimento. Ovviamente, il sistema di riferimento del corpo 16 comprende due assi ortogonali tra loro X,Y e contenuti sul piano del target ed un terzo asse Z perpendicolare ai primi due assi X,Y e quindi al target stesso. Furthermore, a reference system of the body 16 whose movement is to be measured is associated with the plane target 12. Obviously, the reference system of the body 16 comprises two axes orthogonal to each other X, Y and contained on the plane of the target and a third axis Z perpendicular to the first two axes X, Y and therefore to the target itself.
Il target piano 12 ha una geometria nota e, preferibilmente, come geometria nota si utilizza la trama di una scacchiera. La trama a scacchiera à ̈ munita di una pluralità di righe intersecantisi perpendicolarmente tra loro, in modo da individuare elementi specifici (i,j) del target in corrispondenza di intersezioni di dette righe. Il target piano 12 à ̈ fissato rigidamente al corpo 8 del quale si vogliono misurare i movimenti: in altre parole non vi devono essere movimenti relativi tra il target piano 12 e il corpo 8, ma il target piano 12 deve essere solidale sia in rotazione che in traslazione al corpo 8 di cui si vuole misurare il movimento. The plane target 12 has a known geometry and, preferably, the texture of a chessboard is used as the known geometry. The checkerboard pattern is equipped with a plurality of lines intersecting perpendicularly to each other, so as to identify specific elements (i, j) of the target at the intersections of said lines. The flat target 12 is rigidly fixed to the body 8 whose movements are to be measured: in other words, there must be no relative movements between the flat target 12 and the body 8, but the flat target 12 must be integral both in rotation and in translation to the body 8 whose movement is to be measured.
La misura del moto del corpo 8, attraverso il target piano 12 munito del proprio sistema di riferimento 16, avviene mediante un sistema remoto fotogrammetrico costituito da almeno due videocamere. The measurement of the motion of the body 8, through the flat target 12 equipped with its own reference system 16, takes place by means of a remote photogrammetric system consisting of at least two video cameras.
In particolare, si predispone una prima videocamera digitale 20 munita di una prima matrice di acquisizione immagini 24, remota rispetto al target piano 12 e disposta in modo da puntare detto target piano 12. In particular, a first digital video camera 20 is provided, equipped with a first image acquisition matrix 24, remote with respect to the flat target 12 and arranged so as to aim said flat target 12.
La prima matrice di acquisizione immagini 24 à ̈ a sua volta piana e comprende una pluralità di pixel 28 sostanzialmente quadrati di lato †̃a’. E’ anche possibile utilizzare pixel 28 rettangolari aventi lati axce ayc(figura 5) che, ai fini delle approssimazioni del metodo di misura della presente invenzione, possono essere assimilati a quadrati di lato a. The first image acquisition matrix 24 is in turn flat and comprises a plurality of substantially square pixels 28 with a â € aâ € ™ side. It is also possible to use rectangular pixels 28 having sides axc and yc (figure 5) which, for the purposes of approximations of the measurement method of the present invention, can be assimilated to squares with side a.
Inoltre la prima videocamera digitale 20 comprende una lente avente lunghezza focale †̃f’. Furthermore, the first digital video camera 20 comprises a lens having a focal length â € ̃fâ € ™.
La prima videocamera digitale 20 Ã ̈ munita di un sistema di riferimento della prima videocamera 32, associato alla prima matrice di acquisizione immagini 24. The first digital video camera 20 is equipped with a reference system of the first video camera 32, associated with the first image acquisition matrix 24.
Tale sistema di riferimento della prima videocamera 32 comprende assi cartesiani X’cam, Y’cam, Z’cam. This reference system of the first video camera 32 comprises Cartesian axes Xâ € ™ cam, Yâ € ™ cam, Zâ € ™ cam.
L’apparato comprende inoltre una seconda videocamera digitale 36 munita di una seconda matrice di acquisizione immagini 40, remota rispetto al target piano 12 e disposta in modo da puntare detto target piano 12. The apparatus further comprises a second digital video camera 36 equipped with a second image acquisition matrix 40, remote with respect to the flat target 12 and arranged in such a way as to aim said flat target 12.
La seconda videocamera digitale 36 Ã ̈ distinta e separata dalla prima videocamera digitale 20 in modo da ottenere un inquadratura del medesimo target piano 12 da una differente angolazione rispetto alla prima videocamera digitale 20. The second digital video camera 36 is distinct and separate from the first digital video camera 20 so as to obtain a framing of the same flat target 12 from a different angle with respect to the first digital video camera 20.
La seconda matrice di acquisizione immagini 40 à ̈ a sua volta piana e comprende una pluralità di pixel 28 sostanzialmente quadrati di lato †̃a’. The second image acquisition matrix 40 is in turn flat and comprises a plurality of substantially square pixels 28 with side â € ̃aâ € ™.
E’ anche possibile utilizzare pixel 28 rettangolari aventi lati axce ayc(figura 5) che, ai fini delle approssimazioni del metodo di misura della presente invenzione, possono essere assimilati a quadrati di lato †̃a’. It is also possible to use rectangular pixels 28 having sides axce a and y (figure 5) which, for the purposes of approximations of the measurement method of the present invention, can be assimilated to squares with side â € ̃aâ € ™.
Inoltre la seconda videocamera digitale 36 comprende una lente avente lunghezza focale †̃f’. Furthermore, the second digital video camera 36 comprises a lens having a focal length â € ̃fâ € ™.
La seconda videocamera digitale 36 Ã ̈ a sua volta munita di un sistema di riferimento della seconda videocamera 44 associato alla seconda matrice di acquisizione immagini 40. The second digital video camera 36 is in turn equipped with a reference system of the second video camera 44 associated with the second image acquisition matrix 40.
Tale sistema di riferimento della seconda videocamera 44 comprende assi cartesiani X’’cam, Y’’cam, Z’’cam. This reference system of the second video camera 44 comprises Cartesian axes Xâ € ™ â € ™ cam, Yâ € ™ â € ™ cam, Zâ € ™ â € ™ cam.
Le due videocamere digitali 20,36 sono sincronizzate tra loro e sono posizionate su supporti fissi. Pertanto, durante la misurazione le due videocamere digitali 20,36 non sono in movimento. The two digital video cameras 20,36 are synchronized with each other and are positioned on fixed supports. Therefore, the two digital cameras 20,36 are not moving during the measurement.
L’apparato 4 comprende inoltre un’unità di acquisizione ed elaborazione dati 48 operativamente connessa con dette videocamere 20,36 e programmata in modo da acquisire i dati dalle videocamere 20,36 ed elaborarli per fornire un’equazione del moto del corpo 8, come meglio descritto nel seguito. The apparatus 4 also comprises a data acquisition and processing unit 48 operatively connected to said video cameras 20,36 and programmed to acquire the data from the video cameras 20,36 and process them to provide an equation for the motion of the body 8, as better described below.
In particolare, per ottenere l’equazione del corpo 8 si effettua una trasformazione omografica tra il sistema di riferimento di ciascuna videocamera 32,44 e il sistema di riferimento del corpo 16, in modo da ottenere due distinte equazioni del moto tridimensionale del corpo 8. In particolare, durante lo spostamento del corpo 8 vengono calcolati la matrice di rotazione R3x3e il vettore di traslazione t3x1rispetto alla posizione iniziale a riposo, o qualsiasi posizione assunta dal corpo nel suo evolvere temporale. In particular, to obtain the equation of the body 8, a homographic transformation is carried out between the reference system of each video camera 32,44 and the reference system of the body 16, in order to obtain two distinct equations of the three-dimensional motion of the body 8 In particular, during the movement of the body 8, the rotation matrix R3x3 and the translation vector t3x1 are calculated with respect to the initial position at rest, or any position assumed by the body in its temporal evolution.
Per fare ciò si utilizza il sistema di riferimento ortogonale del corpo 16. To do this, the orthogonal reference system of body 16 is used.
Il calcolo di tale moto rigido 3-D à ̈ possibile in quanto considerazioni geometriche note, in particolare la trasformazione omografica e/o la visione stereoscopica, permettono di calcolare, per ogni immagine, il movimento rigido (Rˆ, tˆ ) che permette di passare dal sistema di riferimento di ciascuna videocamera 32,44 a quello del target solidale al corpo 8. The calculation of this 3-D rigid motion is possible since known geometric considerations, in particular the homographic transformation and / or the stereoscopic vision, allow to calculate, for each image, the rigid movement (RË †, tË †) that allows to pass from the reference system of each video camera 32,44 to that of the target integral with the body 8.
In particolare, la relazione tra i due sistemi di riferimento à ̈ la seguente: In particular, the relationship between the two reference systems is as follows:
Xcam = R<ˆ>X corpo tˆ (1)Xcam = R <Ë †> X body tË † (1)
in cui Xcamrappresenta le coordinate nel sistema di riferimento della videocamera e Xcorporappresenta le coordinate nel sistema di riferimento del corpo o elemento. where Xcam represents the coordinates in the reference system of the camera and Xcbody represents the coordinates in the reference system of the body or element.
Noto in due istanti (iniziale, 0 e generico, n) il motorigido espresso dall’equazioneXcam= R<ˆ>Xcorpo+ tˆ, mantenendola videocamera immobile si ottiene il sistema di equazioni: Known in two instants (initial, 0 and generic, n) the rigid motor expressed by the equation Xcam = R <Ë †> Xbody + tË †, by keeping the camera immobile we obtain the system of equations:
à ̄ìXcam = Rˆ0 X0 , corpo tˆà ̄ìXcam = RË † 0 X0, body tË †
100 (2) 100 (2)
à ̄Ã̄Ã
îXcam = Rˆn Xn , corpo tˆn îXcam = RË † n Xn, body tË † n
E quindi Xn = [R<ˆ>'n R<ˆ>0 ]X0 R<ˆ>'n [t<ˆ>0 −t<ˆ>n ]= Rn X 0 t n cioà ̈ il moto rigido(Rn,tn) dell’elemento all’istante generico n rispetto alla posizione del target all’istante 0 (iniziale). Ripetendo questa operazione per ogni immagine acquisita, à ̈ possibile dalla matrice di rotazione e dal vettore traslazione costruire l’evoluzione temporale della scacchiera rigidamente solidale al corpo. Nota poi la posizione dell’elemento rispetto a un punto notevole (p.e. il centro di gravità ) del corpo à ̈ possibile riferire a questo i movimenti acquisiti. And therefore Xn = [R <Ë †> 'n R <Ë †> 0] X0 R <Ë †>' n [t <Ë †> 0 âˆ't <Ë †> n] = Rn X 0 t n that is the rigid motion (Rn, tn) of the element at generic instant n with respect to the position of the target at instant 0 (initial). By repeating this operation for each image acquired, it is possible from the rotation matrix and the translation vector to construct the temporal evolution of the chessboard rigidly integral with the body. Then note the position of the element with respect to a significant point (eg the center of gravity) of the body, it is possible to refer to this the acquired movements.
In questo modo si ottengono, mediante trasformazioni omografiche, le equazioni dei moti nel tempo del corpo in analisi. L’unità di acquisizione ed elaborazione dati à ̈ in grado si effettuare le sopra elencate trasformazioni. In this way, by means of homographic transformations, the equations of the motions over time of the body under analysis are obtained. The data acquisition and processing unit is able to carry out the transformations listed above.
Alternativamente alle singole omografie, l’orientamento e lo spostamento del sistema di riferimento definiti sul target può essere definita triangolando gli elementi comuni (i,j) del piano visti dalle due camere distinte costituenti il sistema stereo-fotogrammetrico (figura 6). j fX0 oX1 0 0 0 X Alternatively to the single homographs, the orientation and displacement of the reference system defined on the target can be defined by triangulating the common elements (i, j) of the plane seen by the two distinct chambers making up the stereo-photogrammetric system (figure 6). j fX0 oX1 0 0 0 X
Z൥i ൩= ቎ 0 f<tˆ>Zൠ¥ i ൠ© = á ‰ Ž 0 f <tË †>
YoYበ൥ 0 1 0 0൩ ൥ Rˆ൩൦ Y ൪ YoYá ‰ ൠ¥ 0 1 0 0ൠ© ൠ¥ RË † ൠ© ൦ Y ൪
1 0 0 1 0 0 1 0 0<T>1 0 0 1 0 0 1 0 0 <T>
31 Z 31 Z
1 1
(3) (3)
E’ quindi possibile ottenere l’equazione del corpo anche mediante la triangolazione per mezzo delle due videocamere. Nuovamente la triangolazione può essere effettuata mediante detta unità di acquisizione ed elaborazione dati 48 che riceve ed elabora i dati acquisiti dalle videocamere digitali 20,36. It is therefore possible to obtain the equation of the body also by means of the triangulation by means of the two video cameras. Again the triangulation can be carried out by means of said data acquisition and processing unit 48 which receives and processes the data acquired by the digital video cameras 20,36.
Per ciascuna equazione del moto ottenuta, sia mediante trasformazione omografica che mediante triangolazione, Ã ̈ quindi possibile calcolare il relativo grado di accuratezza. For each equation of motion obtained, either by homographic transformation or by triangulation, it is therefore possible to calculate the relative degree of accuracy.
Ad esempio, il calcolo dell’accuratezza dell’omografia ottenuta mediante una videocamera digitale avviene tramite le seguenti formule: For example, the accuracy of the homography obtained by means of a digital video camera is calculated using the following formulas:
1 ad 1 ad
Errtx= Errtx =
2 f 2 f
1 ad 1 ad
Errty= Errty =
2 f 2 f
1 md 1 ad 1 md 1 ad
Errtz(X,Y)≈ ≈ Errtz (X, Y) â ‰ ˆ â ‰ ˆ
2<ඥ 2>X Y<2>2 2 <ච¥ 2> X Y <2> 2
<ට 2 2>Xc+Yc<ට 2 2> Xc + Yc
md md
Errrx(Y)≈ tan<-1>൬<1>fa Errrx (Y) â ‰ ˆ tan <-1> ൬ <1> ago
ቆ to‰†
2Y<2>൰≈ tan-2Y<2>ቇ 2Y <2> ൠ° â ‰ ˆ tan-2Y <2> á ‰ ‡
cc
<1>md <1> md
<X)≈ tan->൬ ta<1>faErr<(>ryn<->ቆ ቇ <X) â ‰ ˆ tan-> ൬ ta <1> faErr <(> ryn <-> á ‰ † á ‰ ‡
2X<2>൰≈ 2X <2> ൠ° â ‰ ˆ
2X<2>2X <2>
cc
Err<(X,Y)≈ tan-1>m Err <(X, Y) â ‰ ˆ tan-1> m
rzቆ ≈ tan<-1>a ቆ ቇ rzá ‰ † â ‰ ˆ tan <-1> a á ‰ † á ‰ ‡
√<2ሺܺଶ൅ܻଶ>ቇ √ <2ሺܺଶ൅ Ü »à¬¶> á ‰ ‡
<ሻ>√<2ሺܺ ଶ><ሠ»> √ <2ሺܺ ଶ>
à ̄–<ଶ ൅>à ̄–Ü»<ሻ>à ̄– <ଶ ൅> à ̄ – Ü »<ሻ>
in cui: in which:
• d à ̈ la distanza tre il centro ottico della lente ed il pianto del target; â € ¢ d is the distance between the optical center of the lens and the cry of the target;
• a à ̈ la dimensione della cella sensibile del CCD (dell’ordine di 10<-6>m); â € ¢ a is the size of the sensitive cell of the CCD (of the order of 10 <-6> m);
• m à ̈ il pixel footprint, cioà ̈ la dimensione dell’area del target compresa in un pixel. â € ¢ m is the pixel footprint, ie the size of the target area included in one pixel.
Inoltre, il calcolo dell’accuratezza del moto Err lungo gli assi del moto (x,y,z) ottenuta per triangolazione mediante due videocamere sincronizzate tra loro avviene si ottiene con la seguente formula (fig. 7): Furthermore, the calculation of the accuracy of the Err motion along the axes of motion (x, y, z) obtained by triangulation by means of two video cameras synchronized with each other is obtained with the following formula (fig. 7):
<d>sin 2 β <d> sin 2 β
Err X= Err X =
2 Ncos(α+β ) 2 2 Ncos (Î ± + β) 2
<d>sin 2 β <d> sin 2 β
Err Y = Err Y =
2 Ncos( β ) 2 2 Ncos (β) 2
<d>2 sin 2 β <d> 2 sin 2 β
Err Z= Err Z =
2 TNcos(α 1+β5 ) 2 2 TNcos (Î ± 1 + β5) 2
in cui: in which:
• d à ̈ la distanza tra la videocamera 20,36 e il corpo inquadrato 8; â € ¢ d is the distance between the video camera 20.36 and the framed body 8;
• N à ̈ il numero di pixel 28 della matrice di acquisizione immagini 24,40; â € ¢ N is the number of pixels 28 of the 24,40 image acquisition matrix;
• α à ̈ l’angolo tra gli assi ottici delle videocamere 20,36; â € ¢ Î ± à the angle between the optical axes of the video cameras 20,36;
• β à ̈ l’angolo di apertura di ogni singola videocamera 20,36. â € ¢ β is the opening angle of each individual camera 20.36.
Dopo aver effettuato i calcoli di accuratezza in funzione di uno specifico intervallo temporale prestabilito del moto del corpo, à ̈ possibile selezionare l’equazione del moto ottenuta dalla videocamera avente, in corrispondenza di tale intervallo temporale, il migliore grado di accuratezza ottenibile dall’apparato. After having performed the accuracy calculations as a function of a specific predetermined time interval of the motion of the body, it is possible to select the equation of motion obtained by the video camera having, in correspondence with this time interval, the best degree of accuracy obtainable from the ™ apparatus.
E’ anche possibile correggere l’accuratezza calcolata sulle trasformazioni omografiche delle videocamere in funzione dell’angolo di rotazione reciproco tra il sistema di riferimento del corpo e il sistema di riferimento della videocamera che lo inquadra. It is also possible to correct the accuracy calculated on the homographic transformations of the video cameras as a function of the reciprocal angle of rotation between the reference system of the body and the reference system of the video camera framing it.
Inoltre, al fine di migliorare ulteriormente l’accuratezza ottenibile dall’apparato 4, à ̈ possibile associare rigidamente al corpo 8 almeno un target piano ausiliario distinto dal target piano del corpo. Furthermore, in order to further improve the accuracy obtainable from the apparatus 4, it is possible to rigidly associate to the body 8 at least one auxiliary plane target distinct from the plane target of the body.
Inoltre, si associa, al target piano ausiliario, un sistema di riferimento ausiliario del corpo di cui si intende misurare il movimento. Il sistema di riferimento ausiliario à ̈ ruotato rispetto al sistema di riferimento del corpo, e quindi la misura che si appoggia ad esso ha una differente accuratezza rispetto a quella possibile con il target base. L’uso del target ausiliario à ̈ utile, ad esempio, per grandi rotazioni del corpo. In queste condizioni, infatti, il target base potrebbe essere molto inclinato rispetto alle camere, aumentando così l’errore nella misura. In questo caso, la misura potrebbe appoggiarsi al target ausiliario, che, ruotato rispetto a quello base, sarebbe visto con dalle camere più frontalmente, permettendo, così, accuratezze migliori nella misura. Furthermore, an auxiliary reference system of the body whose movement is to be measured is associated with the auxiliary plane target. The auxiliary reference system is rotated with respect to the reference system of the body, and therefore the measurement that rests on it has a different accuracy than that possible with the base target. The use of the auxiliary target is useful, for example, for large body rotations. In these conditions, in fact, the base target could be very inclined with respect to the cameras, thus increasing the measurement error. In this case, the measurement could lean on the auxiliary target, which, rotated with respect to the base one, would be seen with the cameras more frontally, thus allowing better accuracy in the measurement.
Secondo una forma di realizzazione ulteriore, l’apparato può comprendere †̃n’ videocamere aventi ciascuna una matrice di acquisizione immagini, remota rispetto al target in modo da puntare detto target, ed essendo ciascuna dotata di un sistema di riferimento della videocamera associato alla propria matrice di acquisizione immagini. Le †̃n’ videocamere sono sincronizzate tra loro ed operativamente connesse con l’unità di acquisizione ed elaborazione dati in modo che questa possa acquisire i dati delle †̃n’ videocamere ed elaborarli per realizzare †̃n’ trasformazioni omografiche ed ottenere †̃n’ equazioni del moto del corpo. L’unità di acquisizione ed elaborazione dati 48 può calcolare l’accuratezza di ciascuna equazione e selezionare, per un determinato intervallo temporale, l’equazione con il migliore grado di accuratezza. Ovviamente, à ̈ possibile effettuare anche differenti triangolazioni sfruttando a piacimento combinazioni delle †̃n’ videocamere, calcolando le accuratezza di tali triangolazioni e confrontandole con le accuratezze ottenibili dalle singole trasformazioni omografiche. According to a further embodiment, the apparatus can comprise â € ̃nâ € ™ video cameras each having an image acquisition matrix, remote with respect to the target so as to aim said target, and being each equipped with an associated camera reference system to your image acquisition matrix. The â € ̃nâ € ™ video cameras are synchronized with each other and operationally connected with the data acquisition and processing unit so that it can acquire the data of the â € ̃nâ € ™ video cameras and process them to carry out â € ̃nâ € ™ homographic transformations and obtain â € ̃nâ € ™ equations of motion of the body. The data acquisition and processing unit 48 can calculate the accuracy of each equation and select, for a given time interval, the equation with the best degree of accuracy. Obviously, it is also possible to carry out different triangulations by exploiting combinations of the â € ̃nâ € ™ video cameras as desired, calculating the accuracy of these triangulations and comparing them with the accuracies obtainable from the single homographic transformations.
Come si può apprezzare da quanto descritto, la presente invenzione consente di superare gli inconvenienti presentati nella tecnica nota. As can be appreciated from what has been described, the present invention allows to overcome the drawbacks presented in the known art.
In particolare, l’invenzione proposta ha il vantaggio di assicurare misure accurate nel tempo del movimento di un corpo senza che lo strumento di misura sia in contatto con il corpo stesso: in questo modo lo strumento di misura non influenza la misurazione stessa. In particular, the proposed invention has the advantage of ensuring accurate measurements of the movement of a body over time without the measuring instrument being in contact with the body itself: in this way the measuring instrument does not influence the measurement itself.
Il sistema si basa sostanzialmente sull’impiego di videocamere digitali ed un target piano di geometria nota, associato al corpo da analizzare. Questo permette di ridurre i costi della strumentazione e la loro complessità di utilizzo. The system is essentially based on the use of digital video cameras and a plane target of known geometry, associated with the body to be analyzed. This allows to reduce instrumentation costs and their complexity of use.
L’uso di una coppia di videocamere permette inoltre di ottimizzare l’accuratezza della misura, in quanto si conoscono a priori gli errori nella misura ottenibili mediante le due trasformazioni omografiche e la triangolazione stereoscopica. The use of a pair of video cameras also allows to optimize the accuracy of the measurement, as the errors in the measurement that can be obtained through the two homographic transformations and the stereoscopic triangulation are known a priori.
Pertanto, durante il moto dell’oggetto, i suoi sei gradi di libertà sono misurati indipendentemente mediante omografia e/o triangolazione. La conoscenza a priori dei possibili errori di misura per ognuna delle tecniche previste permette di selezionare le misura dei movimenti caratterizzata dalla maggiore accuratezza. Therefore, during the motion of the object, its six degrees of freedom are independently measured by homography and / or triangulation. The a priori knowledge of the possible measurement errors for each of the envisaged techniques allows to select the measurement of the movements characterized by the greatest accuracy.
Nel caso in cui siano previsti grandi movimenti (traslazioni e/o rotazioni) la misura può essere resa più robusta con l’uso di più di due videocamere dislocate in posizioni distinte, che saranno tra loro sincronizzate. Ulteriore vantaggio dell’invenzione à ̈ che non necessita di una calibrazione in situ. In the event that large movements (translations and / or rotations) are expected, the measurement can be made more robust with the use of more than two video cameras located in distinct positions, which will be synchronized with each other. Another advantage of the invention is that it does not require an in situ calibration.
Ovviamente, come tutti i sistemi di misura, la fase di calibrazione preventiva deve essere effettuata e consiste nella calibrazione interna per ogni singola camera e nella calibrazione esterna per la visione stereoscopica: questa operazione può venire eseguita in ambiente controllato (laboratorio) prima della messa in opera dell'apparato. La calibrazione non in situ elimina tutte le incertezze a questa legate quando viene eseguita in sito. Obviously, like all measurement systems, the preventive calibration phase must be carried out and consists of the internal calibration for each single chamber and the external calibration for stereoscopic vision: this operation can be performed in a controlled environment (laboratory) before commissioning. work of the apparatus. Off-site calibration eliminates all related uncertainties when performed on-site.
Inoltre, la semplicità dell’hardware coinvolto permette di contenere i costi dell’installazione del sistema di misura. Furthermore, the simplicity of the hardware involved allows to contain the costs of installing the measurement system.
La misura in remoto oggetto della presente invenzione allevia quindi parte delle problematiche descritte mantenendo, allo stesso tempo, invariate le accuratezze della misura. The remote measurement object of the present invention therefore alleviates part of the problems described while maintaining the accuracy of the measurement unchanged.
In altre parole, l’invenzione permette di misurare accuratamente nel tempo i 6 elementi indipendenti (gradi di libertà ) del moto rigido 3-D di un corpo attraverso una misura che avviene mediante videocamere posizionate in remoto, senza alcun contatto dello strumento di misura con il corpo. Questo elimina qualsiasi influenza del sistema di misura sul corpo del quale si vogliono conoscere i movimenti. Il proposto à ̈ particolarmente indicato per la taratura / validazione / calibrazione delle boe di misura del moto ondoso, dove sono richiesti piccoli errori nella misura in situ dei movimenti. In other words, the invention allows to accurately measure over time the 6 independent elements (degrees of freedom) of the rigid 3-D motion of a body through a measurement that takes place using remotely positioned video cameras, without any contact with the measuring instrument. with the body. This eliminates any influence of the measuring system on the body whose movements you want to know. The proposed one is particularly suitable for the calibration / validation / calibration of wave motion measurement buoys, where small errors are required in the in situ measurement of the movements.
Un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti ai metodi e agli apparati sopra descritti, tutte peraltro contenute nell’ambito dell’invenzione quale definito dalle seguenti rivendicazioni. A person skilled in the art, in order to satisfy contingent and specific needs, can make numerous modifications and variations to the methods and apparatuses described above, all however contained within the scope of the invention as defined by the following claims.
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT000100A ITPD20120100A1 (en) | 2012-03-30 | 2012-03-30 | METHOD AND APPARATUS FOR THE TEMPORAL MEASUREMENT OF THE 6 DEGREES OF FREEDOM OF A BODY IN MOVEMENT IN THE THREE-DIMENSIONAL SPACE |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT000100A ITPD20120100A1 (en) | 2012-03-30 | 2012-03-30 | METHOD AND APPARATUS FOR THE TEMPORAL MEASUREMENT OF THE 6 DEGREES OF FREEDOM OF A BODY IN MOVEMENT IN THE THREE-DIMENSIONAL SPACE |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ITPD20120100A1 true ITPD20120100A1 (en) | 2013-10-01 |
Family
ID=46548683
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| IT000100A ITPD20120100A1 (en) | 2012-03-30 | 2012-03-30 | METHOD AND APPARATUS FOR THE TEMPORAL MEASUREMENT OF THE 6 DEGREES OF FREEDOM OF A BODY IN MOVEMENT IN THE THREE-DIMENSIONAL SPACE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | ITPD20120100A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04178505A (en) * | 1990-11-13 | 1992-06-25 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Three-dimensional movement measuring device |
| DE102010034875A1 (en) * | 2010-07-16 | 2012-01-19 | Felix Heide | Planar position indicator for recognizing spatial position and/or orientation of workpieces in CNC milling cutter, has saddle point formation elements formed by chain, where workpiece assigned to indicator is uniquely identified |
-
2012
- 2012-03-30 IT IT000100A patent/ITPD20120100A1/en unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04178505A (en) * | 1990-11-13 | 1992-06-25 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Three-dimensional movement measuring device |
| DE102010034875A1 (en) * | 2010-07-16 | 2012-01-19 | Felix Heide | Planar position indicator for recognizing spatial position and/or orientation of workpieces in CNC milling cutter, has saddle point formation elements formed by chain, where workpiece assigned to indicator is uniquely identified |
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