CN107246866A

CN107246866A - 一种高精度六自由度测量系统及方法

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Publication number: CN107246866A
Application number: CN201710489410.0A
Authority: CN
Inventors: 林嘉睿; 邾继贵; 郭寅; 任永杰; 杨凌辉; 高凯
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2017-06-24
Filing date: 2017-06-24
Publication date: 2017-10-13

Abstract

本发明公开了一种高精度六自由度测量系统及方法，系统用于测量前被测目标和后被测目标的相对位姿，前被测目标上固定有由长方体壳体结构构成的特征点靶标，特征点靶标的正面及侧面分别伸出的设有支架，每个支架的末端均安装有磁座，磁座上放置有光学特征点，特征点靶标上还设有第一双轴倾角传感器和供电电路；后被测目标上固定有视觉成像系统，视觉成像系统包括数字相机、第二双轴倾角传感器、数据处理单元和供电电路。测量时视觉成像系统中的数字相机实时采集光学特征点的图像发送给数据处理单元，同时第一双轴倾角传感器和第二双轴倾角传感器分别不断地将输出自身的角度，数据处理单元对采集的数据进行位姿解算，最终将位姿传送给上位机。

Description

一种高精度六自由度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及空间精密几何量测量领域，尤其涉及空间物体高精度六自由度测量问题。

背景技术

随着科学技术的高速发展，位姿测量的需求不断增加。例如在船舶装配过程中，需要通过实时监控各个分部件的位置和姿态信息，来指导控制单元完成装配过程。相对六自由度测量系统有效的针对了工业测量空间内出现的大范围遮挡情况，通过测量多目标间的相对六自由度，通过坐标系转换即可间接获取所有目标的六自由度。实时获取六自由度的视觉测量模型主要由光学特征点和视觉成像系统组成，光学特征点安装在被测目标上，视觉成像系统安装在被测目标后端，为了保证激光通路不被遮挡，要求视场能够覆盖目标的运动范围。视觉成像系统实时对光学特征点成像，并精确提取光学特征点中心位置，通过光学特征点的实际空间拓扑关系并结合图像中的特征点中心位置关系，即可解算出特征点结构与视觉成像系统之间的相对六自由度信息，完成被测目标相对于视觉成像系统的相对六自由度的估计。

六自由度视觉测量系统能够应用于船舶制造中各零件间相对六自由度的测量，将特征点系统安装在被测目标上，视觉成像系统实时采集特征点图像，得到被测目标的相对位姿估计，但是仍在存在很多不足：

1)光学特征点空间拓扑为平面非共线分布，特征点直接安装在平面靶标上。标定时，激光跟踪仪必须调成免棱镜模式，精度较低。

2)在2.5m-5m测量空间范围内，单目视觉相对位姿测量系统的测量精度为5mm，精度不高，难以满足工程实际中的目标定位及姿态测量要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种高精度六自由度测量系统及方法，本发明将光学特征点的平面布局改成空间布局，同时将特征点靶标上布置的光学特征点改成带有磁座的标准测量钢球模型，大幅度提高了标定及测量精度；解决了采用六自由度视觉测量方法时空间定位误差大且在长距离测量时精度和稳定性低的问题，提高了整个六自由度测量系统的稳定性和精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高精度六自由度测量系统，用于测量前被测目标和后被测目标的相对位姿，所述前被测目标上固定有由长方体壳体结构构成的特征点靶标，特征点靶标的正面及侧面分别伸出的设有支架，每个支架的末端均安装有磁座，所述磁座上放置有光学特征点，特征点靶标上还设有第一双轴倾角传感器和供电电路；所述后被测目标上固定有视觉成像系统，所述视觉成像系统包括数字相机、第二双轴倾角传感器、数据处理单元和供电电路；所述视觉成像系统通过实时采集所述光学特征点图像，解算出前被测目标相对于后被测目标的相对六自由度信息。

所述磁座为1.5英寸的标准测量钢球，所述光学特征点为红外发光二极管，红外发光二极管的光学中心与标准测量钢球钢球的球心位于同一位置。

所述光学特征点分布呈空间非共面型。

一种高精度六自由度测量系统的测量方法，包括以下步骤：视觉成像系统中的数字相机实时采集光学特征点的图像发送给数据处理单元，同时，第一双轴倾角传感器和第二双轴倾角传感器分别不断地将自身输出的角度值发送至数据处理单元，数据处理单元对采集到的数据进行位姿解算，最终将解算出的位姿传送给上位机。

所述解算的步骤如下：

特征点靶标坐标系(O_TX_TY_TZ_T)和数字相机坐标系(O_CX_CY_CZ_C)满足以下关系：

其中特征点靶标坐标系到数字相机坐标系的旋转、平移矩阵分别为

由特征点靶标坐标系、第一双轴倾角传感器坐标系、世界坐标系之间的关系，以及旋转矩阵与旋转角的关系，以及刚体变换原理求得旋转平移矩阵R_TC、T_TC，作为进一步优化求解的初值；

数字相机的成像模型设为：

由旋转矩阵R_TC是单位正交矩阵设为：

由R^c可设：

构造目标函数：

运用L-M(Levenberg-Marquardt)算法对上式求最小二乘解，最终求出R_TC、T_TC最优解。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明通过设计特征点靶标上呈空间拓扑分布的光学特征点和视觉成像系统，并将由单个视觉传感器与特征点靶标组合成的单目视觉模型与高精度双轴倾角传感器组合使用，并在前后两个被测物体上分别设置双轴倾角传感器互相约束，大大提高了相对位姿测量精度和系统稳定性。同时系统结构简单，安装方便，有利于施工现场使用。

附图说明

图1和图2为本发明测量系统的结构示意图；

图3为特征点靶标结构示意图；

图4为磁座和光学特征点的结构示意图；

图5为测量系统搭建示意图；

图6本发明测量系统测量模型的五种坐标系及其相互关系示意图。

附图标记：1-前被测目标，2-后被测目标，3-特征点靶标，4-支架，5-光学特征点，6-第一双轴倾角传感器，7-数字相机，8-第二双轴倾角传感器，9-磁座，10-激光跟踪仪，11-首部中心

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1至图4所示，一种高精度六自由度测量系统，用于测量前被测目标1和后被测目标2的相对位姿，前被测目标1上固定有由长方体壳体结构构成的特征点靶标3，特征点靶标3的正面及侧面分别伸出的设有支架4，每个支架4的末端均安装有磁座，本实施例中磁座为1.5英寸的标准测量钢球，磁座上放置有光学特征点5，本实施例中光学特征点5的分布呈空间非共面型；光学特征点5为红外发光二极管，通过高精度的影像仪进行工装调整，使红外发光二极管光学中心与标准测量钢球球心位于同一位置。特征点靶标3上还设有第一双轴倾角传感器6和供电电路；特征点靶标3用于表达前被测目标1的特征参数，在对前被测目标1的首部中心11及光学特征点5之间进行拓扑标定时，光学特征点5和首部中心11的三维坐标可以通过激光跟踪仪直接读取标准测量钢球中心的三维坐标数据得到。进而得到光学特征点5之间的相对位置关系及特征点靶标3与首部中心11之间的相对位置关系。

后被测目标2上固定有视觉成像系统，具体模型见图4视觉成像系统包括数字相机7、第二双轴倾角传感器8、数据处理单元和供电电路；视觉成像系统用于对特征点靶标3进行成像，然后对所采集的图像进行分析和处理，从而获得目标的位姿信息。

本发明实施例提供的相对六自由度测量系统，具有新型特征点模型，模型中光学特征点呈现立体分布，而且每个特征点都设计成标准测量钢球结构，即将带有红外发光二极管的接收器电路板安装在在钢球壳体内，这大幅度提高了标定及测量的精度。

下面结合图5和图6对测量系统的整个测量过程进行详细说明，详见下文描述：

本发明用标定完成的视觉成像系统得到光学特征点在相机成像面上的像素信息，对像素信息进行处理，分别提取出五个特征点的光斑中心，并与每个特征点一一匹配。

其次使用激光跟踪仪11的坐标系(O_W,X_W,Y_W,Z_W)作为基准，通过标定得到特征点靶标坐标系(O_T,X_T,Y_T,Z_T)与第一双轴倾角传感器坐标系以及数字相机坐标系(O_C,X_C,Y_C,Z_C)与第二双轴倾角传感器坐标系之间的关系。本发明使用的激光跟踪仪11的型号为Leica公司的AT901。

通过精确提取的光斑中心位置及倾角传感器数据，结合标定结果，线性求得初值，得到特征点靶标坐标系到数字相机坐标系的旋转平移矩阵，在求得初值后，再利用非线性优化的方法求出特征点到数字相机坐标系的旋转平移矩阵的精确值。

下位机通过图像采集和处理线程中计算的光斑中心位置和串口通信线程中获取的倾角传感器数据解算前、后被测目标之间的相对位姿，将测量结果返回给上位机。

获取前后目标相对六自由度信息的解算步骤为：先求出特征点靶标坐标系与数字相机坐标系的旋转平移关系的初值，由于相机的成像存在径向畸变和切向畸变，所以坐标系之间的变换是非线性的，故需根据非线性优化方法求得旋转平移关系的精确值。

旋转矩阵R绕X、Y、Z轴的旋转角分别为ω、κ。倾角传感器X、Y轴的输出分别为β、γ。

由特征点坐标系，摄像机坐标系和世界坐标系之间的关系可以知道：

R_TC＝(R_CW)^-1R_TW

因为旋转矩阵R＝R_κR_φR_ω，这里令R^a＝R_κ,R^b＝R_φR_ω，则式(4-5)可以转化为：

令因此上式可变为：

其中，

并且由刚体变换原理可以知道：

其中，α²+β²＝1。

设相机的焦距为f，径向畸变(k₁,k₂,k₃)，切向畸变(p₁,p₂)，畸变矫正后的特征点在相面上的坐标为(x_c,y_c)，由相机成像模型可得：

其中，

这里可以将上式进一步写成关于x＝[αβt₁t₂t₃]^T的线性方程组：

通过求解上式即可解出x，R_TC、T_TC便能够随之求出，作为进一步优化求解的初值。

在求得初值后，还需要利用非线性优化的方法求得R_TC、T_TC的精确值。

数字相机的成像模型设为：

由旋转矩阵R_TC是单位正交矩阵设为：

由R^c可设：

构造目标函数：

运用L-M(Levenberg-Marquardt)算法对上式求最小二乘解，取合适的惩罚因子M，最终求出R_TC、T_TC最优解。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高精度六自由度测量系统，用于测量前被测目标和后被测目标的相对位姿，其特征在于，所述前被测目标上固定有由长方体壳体结构构成的特征点靶标，特征点靶标的正面及侧面分别伸出的设有支架，每个支架的末端均安装有磁座，所述磁座上放置有光学特征点，特征点靶标上还设有第一双轴倾角传感器和供电电路；所述后被测目标上固定有视觉成像系统，所述视觉成像系统包括数字相机、第二双轴倾角传感器、数据处理单元和供电电路；所述视觉成像系统通过实时采集所述光学特征点图像，解算出前被测目标相对于后被测目标的相对六自由度信息。

2.根据权利要求1所述一种高精度六自由度测量系统，其特征在于，所述磁座为1.5英寸的标准测量钢球，所述光学特征点为红外发光二极管，红外发光二极管的光学中心与标准测量钢球钢球的球心位于同一位置。

3.根据权利要求1或2所述一种高精度六自由度测量系统，其特征在于，所述光学特征点分布呈空间非共面型。

4.根据权利要求1所述一种高精度六自由度测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：视觉成像系统中的数字相机实时采集光学特征点的图像发送给数据处理单元，同时，第一双轴倾角传感器和第二双轴倾角传感器分别不断地将自身输出的角度值发送至数据处理单元，数据处理单元对采集到的数据进行位姿解算，最终将解算出的位姿传送给上位机。

5.根据权利要求4所述一种高精度六自由度测量系统的测量方法，其特征在于，所述解算的步骤如下：

数字相机的成像模型设为：

由旋转矩阵R_TC是单位正交矩阵设为：

由R^c可设：

构造目标函数：

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