一种激光辅助视觉实时位置测量装置及其测量方法
阅读说明：本技术 一种激光辅助视觉实时位置测量装置及其测量方法 (Laser-assisted visual real-time position measuring device and measuring method thereof ) 是由 卢道华 王超 王恺 王佳 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种激光辅助视觉实时位置测量装置,包括一测量底座,测量底座包括旋转上底座、固定下底座,在固定下底座的中部位置具有一向上伸出的旋转轴,该旋转轴由安装在固定下底座内的伺服电机驱动进行转动；安装在旋转上底座上的相机、激光测距仪、XY振镜机构及控制器,所述相机安装在旋转上底座的中部位置,激光测距仪与控制器分别位于相机的两侧,XY振镜机构安装在相机的上方；还涉及基于上述测量装置的测量方法。本发明的优点在于：本发明中的测量装置与测量方法,采用测量底座、相机、激光测距仪及XY振镜机构之间的配合即可实现对目标的距离与角度的测算,结构简单,成本低,且安装调试简单,对环境的适用性强。(The invention relates to a laser-assisted visual real-time position measuring device, which comprises a measuring base, wherein the measuring base comprises a rotary upper base and a fixed lower base, a rotary shaft extending upwards is arranged in the middle of the fixed lower base, and the rotary shaft is driven by a servo motor arranged in the fixed lower base to rotate; the device comprises a camera, a laser range finder, an XY galvanometer mechanism and a controller, wherein the camera is arranged on the rotary upper base, the laser range finder and the controller are respectively positioned on two sides of the camera, and the XY galvanometer mechanism is arranged above the camera; also relates to a measuring method based on the measuring device. The invention has the advantages that: the measuring device and the measuring method can realize the measurement and calculation of the distance and the angle of the target by adopting the cooperation of the measuring base, the camera, the laser range finder and the XY galvanometer mechanism, and have the advantages of simple structure, low cost, simple installation and debugging and strong applicability to the environment.)
技术领域
本发明涉及一种实时跟踪定位装置，特别涉及一种激光辅助视觉实时位置测量装置，还涉及一种基于上述测量装置的测量方法。
背景技术
无人驾驶设备多依靠相机及激光雷达来实现自主巡航，主要利用了相机的二维图像分析能力和激光雷达的三维深度感知能力。相机视野小，跟踪行人等目标时容易出现盲区，或者需要设计多相机切换跟踪程序，难度大，成本高，同时相机在深度信息方面误差较大且容易受环境光影响；激光雷达多为一维信息，多线激光雷达价格昂贵目前无法实现普及化。
对于常规RGB-D摄像头，5m以内的精度能控制在10cm以内，但是对于无人船等需要远距离跟踪时RGB-D相机便无法得到相对准确距离信息，同时由于其采用了红外结构光测距原理，更易受外部光源干扰。
因此，目前急需一种能实现宽角度大范围实时高精度目标位置测量的轻量化低成本设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种激光辅助视觉实时位置测量装置，以及基于上述测量装置的测量方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种激光辅助视觉实时位置测量装置，其创新点在于：包括
一测量底座，所述测量底座包括自上而下依次分布的旋转上底座、固定下底座，在固定下底座的中部位置具有一向上伸出的旋转轴，该旋转轴由安装在固定下底座内的伺服电机驱动进行转动，所述旋转轴的顶端与旋转上底座的底端的中部位置相连，并带动旋转上底座进行360°自由旋转，所述旋转上底座与固定下底座之间留有间隙；
安装在旋转上底座上的相机、激光测距仪、XY振镜机构及控制器，所述相机安装在旋转上底座的中部位置，激光测距仪与控制器分别位于相机的两侧，XY振镜机构安装在相机的上方；
所述激光测距仪包括基座、安装在基座内的激光发射器、位于激光发射器上方的反光镜，反光镜安装在反光镜安装板，反光镜安装板通过一竖板与基座相连，所述反光镜倾斜设置；
所述XY振镜机构包括一倒U字形振镜安装座，振镜安装座安装在相机的外侧并覆盖相机，在振镜安装座上安装有一L形振镜座，且振镜座的开口对着反光镜，在振镜座上安装有上下分布的两个振镜板，两个振镜板分别由安装在振镜座上的独立的振镜电机驱动进行摆动，振镜电机的输出端通过振镜杆与振镜板相连，两个振镜杆垂直分布；
所述控制器与固定下底座上的伺服电机、相机、激光测距仪、XY振镜机构的两个振镜电机之间通过信号进行信息传输与控制。
进一步的，所述固定下底座、旋转上底座均呈圆盘状，且在固定下底座圆周外表面的上侧与旋转上底座圆周外表面的下侧还设置有一一对应的刻度。
进一步的，所述反光镜与反光镜安装板之间的连接为：在反光镜的两侧的中部位置均具有一安装通孔，通过销轴穿过反光镜上的通孔与反光镜安装板相固定，实现了反光镜与反光镜安装板之间的连接，所述反光镜与反光镜安装板之间留有间隙，在反光镜安装板上还安装有调节螺栓，所述调节螺栓穿过反光镜安装板后抵住反光镜的上端面的上下两侧。
进一步的，所述振镜电机、振镜杆与振镜座之间的连接为：在振镜座上具有一容振镜杆穿过并上下活动的通槽，振镜电机通过螺钉固定在振镜座的外侧，所述振镜电机的输出端与振镜杆相连，振镜杆从振镜座上的通槽穿过后与振镜板相连。
一种基于上述的激光辅助视觉实时位置测量装置的测量方法，其创新点在于：包括下述步骤：
a）使用前准备：首先，将相机与XY振镜机构进行联合标定，实现相机采集到的图像像素和XY振镜机构控制信号相对应，然后将各个设备及控制器初始化；
b）目标初检测：启动相机，旋转上底座开始匀速定方向旋转，相机针对特定目标对视野内图像进行检测；
c）目标跟踪：相机检测到目标后，相机传输信号给控制器，再由控制器控制伺服电机工作，从而控制旋转上底座沿目标运动方向旋转，对目标进行跟踪，同时实时输出目标的质心图像像素点坐标至控制器；
d）目标距离测算：控制器根据传入的像素坐标，利用标定信息，控制XY振镜机构改变激光测距仪的激光光路，使其照射到目标上实现距离的测量，再根据伺服电机编码信号和XY振镜机构振镜电机编码信号计算出目标角度；
e）目标距离输出：控制器将目标相对距离和角度信息通过无线通信协议输出。
本发明的优点在于：本发明中的测量装置与测量方法，采用测量底座、相机、激光测距仪及XY振镜机构之间的配合即可实现对目标的距离与角度的测算，结构简单，成本低，且安装调试简单，对环境的适用性强。
对于固定下底座、旋转上底座的设计，采用圆盘状的结构形状的设计以及刻度的配合，从而可方便整个装置初始化时的手动归零，而且在工作时也可根据不同主方向角人工计算目标角度。
对于反光镜的安装，采用调节螺栓的配合，可实现反光镜倾斜角度的微调，通用性更强。
本发明能实现大范围、宽角度的实时目标跟踪，而且远距离精度比同类产品高，在无人设备上有很大应用前景。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的激光辅助视觉实时位置测量装置的示意图。
图2为本发明的激光辅助视觉实时位置测量装置的正视图。
图3为本发明的测量方法的流程图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1、图2所示的一种激光辅助视觉实时位置测量装置，包括
一测量底座，测量底座包括自上而下依次分布的旋转上底座12、固定下底座11，在固定下底座11的中部位置具有一向上伸出的旋转轴14，该旋转轴14由安装在固定下底座11内的伺服电机驱动进行转动，旋转轴14的顶端与旋转上底座12的底端的中部位置相连，并带动旋转上底座12进行360°自由旋转，旋转上底座12与固定下底座11之间留有间隙。
固定下底座11、旋转上底座12均呈圆盘状，且在固定下底座11圆周外表面的上侧与旋转上底座12圆周外表面的下侧还设置有一一对应的刻度15。对于固定下底座11、旋转上底座12的设计，采用圆盘状的结构形状的设计以及刻度的配合，从而可方便整个装置初始化时的手动归零，而且在工作时也可根据不同主方向角人工计算目标角度。
固定下底座11的底端安装在一固定座13上，在固定座13上开有安装孔，通过固定座13的配合，可在对整个测量装置进行MEMS改造后，将整个测量装置以模块形式嵌入到其他设备中。
安装在旋转上底座12上的相机3、激光测距仪、XY振镜机构及控制器2，相机3安装在旋转上底座12的中部位置，激光测距仪与控制器2分别位于相机3的两侧，XY振镜机构安装在相机3的上方，在旋转上底座12上还具有与相机3、激光测距仪、XY振镜机构及控制器2相一一对应的安装销轴孔，从而方便实现各个部件的高精度定位安装。
在本实施例中，相机3可以采用普通的单反相机。
激光测距仪包括基座41、安装在基座41内的激光发射器42、位于激光发射器42上方的反光镜43，反光镜43安装在反光镜安装板44，反光镜安装板44通过一竖板45与基座41相连，反光镜43倾斜设置，其倾斜方向为自反光镜43靠近XY振镜机构的一侧起逐渐向下倾斜，从而可将激光发射器42发射的激光通过反光镜43照射给XY振镜机构。
反光镜43与反光镜安装板44之间的连接为：在反光镜43的两侧的中部位置均具有一安装通孔，通过销轴穿过反光镜43上的通孔后与反光镜安装板44相固定，从而实现了反光镜43与反光镜安装板44之间的连接，在反光镜43与反光镜安装板44之间留有间隙，在反光镜安装板44上还安装有调节螺栓，调节螺栓穿过反光镜安装板44后抵住反光镜43的上端面的上下两侧，调节螺栓与反光镜安装板44之间螺纹配合。对于反光镜43的安装，采用调节螺栓的配合，可实现反光镜43倾斜角度的微调，通用性更强。
XY振镜机构包括一倒U字形振镜安装座51，在振镜安装座51的底端的两侧还具有一垂直向外延伸的翻边结构，通过该翻边结构的配合从而方便振镜安装座51与旋转上底座12之间的固定，通过螺钉或螺栓从翻边结构上穿过后与旋转上底座12固定，从而实现了振镜安装座51的固定，振镜安装座51安装在相机2的外侧并覆盖相机2，在振镜安装座51上安装有一L形振镜座52，且振镜座52的开口对着反光镜43，在振镜座52上安装有上下分布的两个振镜板53，两个振镜板53分别由安装在振镜座52上的独立的振镜电机54驱动进行摆动，振镜电机54的输出端通过振镜杆55与振镜板53相连，两个振镜杆55垂直分布。
振镜电机54、振镜杆55与振镜座52之间的连接为：在振镜座52上具有一容振镜杆55穿过并上下活动的通槽，振镜电机54通过螺钉固定在振镜座52的外侧，振镜电机54的输出端与振镜杆55相连，振镜杆55从振镜座52上的通槽穿过后与振镜板53相连。
控制器2与固定下底座11上的伺服电机、相机3、激光测距仪、XY振镜机构中的两个振镜电机54之间通过信号进行信息传输与控制，从而形成一个控制循环。在本实施例中，控制器2内部可集成有可充电锂电池来进行供电，从而不需要借助外部供电，目标方位信息测量结果通过无线信号传出。
如图3所示的示意图可知，本发明的测量方法通过下述步骤得以实现：
第一步，使用前准备：首先，将相机3与XY振镜机构进行联合标定，实现相机3采集到的图像像素和XY振镜机构控制信号相对应，然后将各个设备及控制器初始化。
第二步，目标初检测：启动相机3，同时伺服电机开始工作，带动旋转上底座12开始匀速定方向旋转，利用目标跟踪算法，相机3针对特定目标对视野内图像进行检测。
第三步，目标跟踪：相机3检测到目标后，相机3传输信号给控制器2，再由控制器2控制伺服电机工作，从而控制旋转上底座12沿目标运动方向旋转，对目标进行跟踪，同时实时输出目标的质心图像像素点坐标至控制器2。
第四步，目标距离测算：控制器2根据传入的像素坐标，利用标定信息，控制XY振镜机构改变激光测距仪的激光光路，使其照射到目标上实现距离的测量，再根据伺服电机编码信号和XY振镜机构振镜电机编码信号计算出目标角度。
第五步，目标距离输出：利用坐标转换算法，控制器2将目标相对距离和角度信息通过无线通信协议输出。
本发明中的测量装置与测量方法，采用测量底座、相机、激光测距仪及XY振镜机构之间的配合即可实现对目标的距离与角度的测算，结构简单，成本低，且安装调试简单，对环境的适用性强。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。