阅读说明：本技术 基于单目视觉的平面位姿动态测量方法 (Monocular vision-based dynamic plane pose measurement method ) 是由 吴斌 张振 康杰虎 薛婷 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于单目视觉的平面位姿动态测量方法,包括如下的步骤：采用两个一维旋转台、一个工业相机和一个激光器构建视觉测量装置,将两个转台分别命名为：水平转台、竖直转台；将两个转台回到零位,利用激光跟踪仪和半球形靶标对两个转台的旋转轴、激光束的空间位姿进行标定,确定方向向量及固定点,并将方向向量归一化；利用激光点深度信息与图像坐标的对应关系,建立深度恢复数学模型；确定激光跟踪仪测量坐标系与测量装置测量坐标系的转换关系；视觉测量装置对目标平面进行扫描,一处位置拍摄一幅图像,同时记录两转台的旋转角度,扫描点个数保证三个以上；由扫描点三位空间坐标进行平面拟合,确定目标平面空间姿态。(The invention relates to a monocular vision-based dynamic plane pose measurement method, which comprises the following steps: the vision measuring device is constructed by adopting two one-dimensional rotating tables, an industrial camera and a laser, and the two rotating tables are respectively named as: a horizontal turntable, a vertical turntable; returning the two rotary tables to zero positions, calibrating the space poses of the rotary shafts of the two rotary tables and the laser beams by using the laser tracker and the hemispherical targets, determining direction vectors and fixed points, and normalizing the direction vectors; establishing a depth recovery mathematical model by utilizing the corresponding relation between the depth information of the laser points and the image coordinates; determining the conversion relation between the measurement coordinate system of the laser tracker and the measurement coordinate system of the measurement device; the vision measuring device scans a target plane, one image is shot at one position, the rotating angles of the two rotary tables are recorded simultaneously, and the number of scanning points is more than three; and carrying out plane fitting by the three-dimensional space coordinates of the scanning points to determine the space attitude of the target plane.)

基于单目视觉的平面位姿动态测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于视觉的测量装置，特别涉及一种基于单目视觉的平面位姿动态测量方法。

背景技术

根据不同的技术要求和应用环境，应运而生了多种测量方法与装置，其中基于单目视觉的测量系统结构简单、实时性强、环境适应能力强，不存在立体匹配等问题，广泛受到关注。论文文献(①高学海,梁斌,潘乐,et al.非合作大目标位姿测量的线结构光视觉方法[J].宇航学报,2012,33(6:728-735.②苏建东,齐晓慧,段修生.基于单目视觉和棋盘靶标的平面姿态测量方法[J].光学学报,2017(08):218-228.)提出了基于合作目标的位姿测量方法。(③江洁,苗准,张广军,et al.点结构光动态姿态角测量系统[J].红外与激光工程,2010,39(3):532-536.④陈至坤,徐傲,王福斌,et al.基于单目视觉和圆结构光的目标姿态测量方法[J].应用光学,2016,37(5):680-685.)提出了一种基于结构光的位姿测量方式。相比较，结构模式与测量原理相差不大，利用特征点之间的信息，建立特征信息与对图像之间的映射关系，解求出目标的位姿，但大都适用于特定场合，缺乏适应性和通用性。

授权中国专利201410850221.8(基于非正交轴系激光经纬仪的测量方法)提出的非正交轴系激光经纬仪的“三轴”架构，两转台旋转轴和激光束无正交结构要求，也无需交于空间一点，利用两个一维旋转台、一个工业相机和一个激光器构建视觉测量装置。与传统基于单目视觉的位姿测量方式相比，此装置结构简单，易于安装、成本较低，装配完成后通过一次标定即可实现位姿测量，此外，测量过程无需合作目标配合，适用范围广泛，为平面位姿的测量提供了一种新的途径。

发明内容

本发明基于已有的非正交轴系激光经纬仪提供一种基于单目视觉位姿测量方法,利用该方法，采用两个一维旋转台、一个工业相机和一个激光器构建测量装置，并实现平面位姿的动态测量。由于测量装置采用轴系结构，因此通过两个一维转台配合，测量范围得到充分扩大。此外，激光点作为成像标志点，该方法不再需要设置特殊的合作目标，从而使得测量装置的适用范围更加广泛。同时，也正是由于装置结构与原理的特点，测量过程无需标定相机，方便实用。技术方案如下：

一种基于单目视觉的平面位姿动态测量方法，包括如下的步骤：

(1)采用两个一维旋转台、一个工业相机和一个激光器构建视觉测量装置，将两个转台分别命名为：水平转台、竖直转台；

(2)将两个转台回到零位，利用激光跟踪仪和半球形靶标对两个转台的旋转轴、激光束的空间位姿进行标定，确定方向向量及固定点，并将方向向量归一化；

(3)利用激光点深度信息与图像坐标的对应关系，获取多组激光点实际距离L与其像点像素坐标u作为控制点，建立深度恢复数学模型；

(4)根据标定参数，建立视觉测量装置测量坐标系，确定激光跟踪仪测量坐标系与测量装置测量坐标系的转换关系；

(5)视觉测量装置对目标平面进行扫描，一处位置拍摄一幅图像，同时记录两转台的旋转角度，扫描点个数保证三个以上；

(6)根据以上标定参数以及测量数据，基于欧拉角和四元数的方法，将运动过程分为水平转台旋转和竖直转台旋转两个独立过程，利用深度恢复数学模型，解算得到扫描点的三维空间坐标；

(7)由扫描点三位空间坐标进行平面拟合，确定目标平面空间姿态。

本发明可为实现较高精度、操作简便的平面空间位姿测量方法，构建全方位非接触式平面位姿动态测量装置。

附图说明

图1为基于单目视觉的位姿测量装置结构示意图，其中，1水平转台，2竖直转台，3为激光器，4为相机，5为竖直旋转轴，6为水平旋转轴，7为激光束。

图2为基于单目视觉深度信息恢复原理示意图，其中，8相机成像系统的透视投影中心，9激光束固定点，10激光点，11成像平面，12成像平面的对称面，13激光点像点，14成像平面中心，u激光点在水平方向像素坐标，u₀像面中心在水平方向像素坐标，f为有效焦距，D为光轴与激光束在水平方向的距离，L激光点距离。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

水平转台旋转轴、竖直转台旋转轴和激光束的方向向量和固定点为测量装置实现准确测量的关键参数，为便于表述，其表示如表1所示：

表1

(1)采用两个一维旋转台、一个工业相机和一个激光器构建测量装置，将两个转台分别命名为：水平转台、竖直转台，如图1所示；

(2)转台回到零位，利用激光跟踪仪和半球形靶标对转台旋转轴、激光束空间位姿进行标定。1)首先标定转台旋转轴，将激光跟踪仪的靶球固定在转台上，等间隔多次转动转台，同时测量靶球坐标，所得数据进行空间圆拟合，得到旋转轴所在直线的方向向量和固定点。2)然后标定激光光束，通过精密位移平台调整半球形靶标位置，直至激光瞄准半圆形靶球球心，用激光跟踪仪靶球换下半圆形靶球，获取球心坐标，重复上述步骤，所得数据进行直线拟合，得到激光束所在直线的方向向量和固定点；

(3)如图2所示，根据激光三角法，激光点的深度信息计算方式为

其中，d_x为像元尺寸，由式子(1)可知，激光点的距离信息与其像素坐标一一对应。本发明利用多组距离信息L与水平方向像素坐标u的对应关系，建立深度恢复数学模型，与激光三角测量原理相比，避免了繁杂的标定过程，即可根据激光点像点的像素坐标，直接计算深度信息。实现途径为：根据步骤(2)中激光束的标定流程，获取多组激光点实际距离L与其像点像素坐标u作为控制点，利用最小二乘法确定深度恢复数学模型的参数(a,b,c,d)，则有：

L＝au³+bu²+cu+d (2)

(4)设激光跟踪仪测量坐标系为o-xyz，根据标定参数，建立测量装置测量坐标系o′-x′y′z′，以竖直旋转轴固定点为原点o′，竖直旋转轴正方向为z′轴，并确定激光跟踪仪测量坐标系与测量装置测量坐标系的转换矩阵M；

[x′ y′ z′ 1]^T＝M[x y z 1]^T (3)

(5)测量装置对目标平面进行扫描，一处位置拍摄一幅图像，同时记录两转台的旋转角度，水平转台旋转角度记为α，竖直转台旋转角度记为β，扫描点个数保证三个以上即可；

(6)根据以上标定参数以及测量数据，基于欧拉角和四元数方法分析激光束运动状态，运动过程分为水平转台旋转和竖直转台旋转两个独立过程。

1)水平旋转α，激光束旋转前后的转换关系可用旋转矩阵R_H表示：

水平旋转后，水平旋转轴初始方向向量、固定点和激光束方向向量，固定点分别表示为：

2)竖直旋转β，旋转矩阵R_V用四元数形式表示：

其中，q₀＝cos(β/2)，q₁＝v_xsin(β/2)，q₂＝v_ysin(β/2)，q₃＝v_zsin(β/2)，

竖直旋转后，激光束方向向量，固定点分别表示为：

通过图像处理，提取激光点，获取激光点像素坐标，再由深度恢复数学模型得到扫描点P的距离信息L，即可确定激光点的空间坐标，则有：

(7)基于扫描点空间坐标，对其进行平面拟合，确定目标平面法向量(l,m,n)，即目标平面的空间姿态信息。