基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置及其測量方法
2023-06-21 22:27:51
基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置及其測量方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置及其測量方法，裝置包括圖像採集裝置、平面光柵標誌器、背光光源、圖像和數據處理系統和固定標誌器平臺，圖像採集裝置與圖像和數據處理系統電信號連接，背光光源緊貼於平面光柵標誌器下部與其固定連接，背光光源固定於固定標誌器平臺上，圖像採集裝置實時採集平面光柵標誌器的圖像，並將圖像傳至圖像和數據處理系統測量方法包括以下步驟：對採集圖像進行預處理；提取標誌器的光柵暗條紋及輔助標識特徵；使用輔助特徵進行位姿粗估計；使用粗、精多組光柵計算精確角度偏移量；將粗、精計算結果進行數據融合，得到最終位姿估計結果。本發明實現了高精度的三維位姿測量，測量自動化程度高。
【專利說明】基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置及其測量方法。
【背景技術】
[0002]與傳統測量方法相比，基於視覺的三維位置和姿態測量具有非接觸、動態響應快、操作便捷、自動化程度高等特點，自80年代後期起獲得迅速發展，已廣泛應用於製造與加工工業、航天測量與地面仿真系統、自主飛行器與地面車等領域中。現有位姿測量方法包括經緯儀、慣性器件組合(慣組)、直線/圓光柵、三坐標測量機、雷射測量、結構光測量以及基於特定光學標誌的三維測量等。經緯儀和三坐標測量機測量精度高，但一般僅限於離線手動測量，同時三維姿態需間接解算。使用慣組同樣可完成位置、姿態測量，但測量誤差隨時間積累，同時標定和校正繁瑣，器件價格高。通過直線/圓光柵測量可達到很高精度，但僅可完成單自由度位置和姿態測量，並且需安裝於軸系或發生相對運動處，在很多測量場合，如並聯機器人平臺、氣浮平臺中無法應用。雷射和結構光測量方法需要附加的雷射或結構光光源，體積較大，同時應用受測量環境尺寸及幾何形狀限制。基於一般光學標誌三維位姿測量是一種基於機器視覺的全被動式測量方式，使用靈活，可實現全自動連續測量，同時無需附加特殊光源。這類方法最大的問題是測量精度。受光學標誌特徵和非線性位姿解算的影響，該方法的測量精度、特別是姿態測量精度偏低，無法滿足實際要求。
[0003]經文獻檢索，中國發明專利號:200610105107.8，專利名稱為:基於機器視覺和平面正交光柵的測量裝置及測量方法，該專利給出了一種基於正交光柵的精密平臺測量定位方法，但該方法中使用的平面光柵為單層，僅用於投射測量，不具備位移和姿態放大效果；同時測量需藉助顯微鏡實現，且測量範圍過小(10mm*8mm，0.1rad)，無法滿足大多數應用要求。中國發明專利號:200980100313.1，專利名稱為:位置測量系統及位置測量方法、移動體裝置、移動體驅動方法、曝光裝置及曝光方法、圖案形成裝置、以及組件製造方法，該專利給出了一種基於光柵的高精度位置測量方法，但無法測量相對姿態。中國發明專利號:201210321861.0，專利名稱為:一種五自由度主動磁懸浮慣性穩定平臺，該專利給出了一種基於碼盤和光柵尺的相對姿態測量方案，但測量依賴於軸繫結構，在並聯機構、氣浮平臺等機構的測量中無法應用。朱海軍在其博士論文「雙同心圓光柵二維平面位移測量術」中使用同心圓光柵測量平面位移，精度高，抗噪性較好。但該方法同樣僅能測量平面位移。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置及方法。
[0005]本發明所採用的技術如下:一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置，包括圖像採集裝置、平面光柵標誌器、背光光源、圖像和數據處理系統和固定標誌器平臺，圖像採集裝置與圖像和數據處理系統電信號連接，背光光源緊貼於平面光柵標誌器下部與其固定連接，背光光源固定於固定標誌器平臺上，圖像採集裝置實時採集平面光柵標誌器的圖像，並將圖像傳至圖像和數據處理系統；所述的平面光柵標誌器包括雙層透射光柵片和光柵圖案，光柵圖案設置在雙層透射光柵片上；所述的圖像和數據處理系統包括計算機硬體、圖像和數據處理軟體和顯示設備，通過圖像採集裝置將採集到的數字圖像首先在計算機硬體中暫存，然後應用圖像和數據處理軟體完成圖像處理、視覺檢測和相對位姿計算，最後將測量結果在顯示設備上顯示。[0006]本發明還具有如下特徵:
[0007]1、所述的背光光源包括光源控制器、照明光源和漫射片，照明光源安裝於漫射片下方，光源控制器與照明光源電信號連接，光源控制器為照明光源供電並提供亮度控制，照明光源通過漫射片為平面光柵標誌器提供均勻的背光照明，形成清晰光柵條紋。
[0008]2、所述的雙層透射光柵片包括2塊透射光柵片及3塊透明基板，由上至下按第一透明基板、第一透射光柵片、第二透明基板、第二透射光柵片、第三透明基板的順序設置並保持平行，通過固定螺栓緊固。
[0009]3、所述的每個透射光柵片設置有2條粗測光柵條紋和2條精測光柵條紋，兩種條紋呈相互正交排列；第一透射光柵片和第二透射光柵片其上、下位置對應光柵條紋間距存在差別，第一透射光柵片的粗測光柵條紋對應間距為λ i，第二透射光柵片的粗測光柵條紋對應間距為λ2, A1 > λ 2，則柵距差比ι=( λ「λ JA1X 100% A=0.5%~I 第一透射光柵片的精測光柵條紋對應間距為λ 3，第二透射光柵片的精測光柵條紋對應間距為入4，λ 3 >入4，則柵距差比r2=( λ 3- λ 4)/ λ 3Χ 100%, r2=0.1~0.3% ;該設計保證光柵圖案對被測目標體位置和姿態的微小變化有放大作用。
[0010]4、所述的平面光柵標誌器的四角分別設置有輔助標誌物。
[0011]5、所述的透射光柵片由多組具有不同解析度的光柵刻線構成。
[0012]6、所述的粗測光柵條紋的間距為精測光柵條紋的2~5倍。
[0013]7、一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量方法，採用如上所述的一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置，使用圖像採集裝置採集圖像，並傳至圖像和數據處理系統，步驟如下:
[0014](I)使用圖像採集裝置採集圖像，並傳至圖像和數據處理系統，並對採集的圖像進行去噪和圖像增強預處理；
[0015](2)通過圖像分割和特徵提取，得到平面光柵標誌器各組光柵圖案形成的光柵暗條紋和輔助標識特徵；
[0016](3)使用平面光柵標誌器四角的輔助標識，首先定位圓標識點形心，進而通過PnP算法粗估計相對位姿，通過矩形特徵定位判別保證求解的唯一性；
[0017](4)對於粗測光柵條紋，首先通過基於圖像矩的方法進行主軸校正，計算條紋方向，進而使用灰度投影法檢測條紋相位，並得到位置偏移δ，對精測光柵條紋重複上述處理過程，得到位置偏移；
[0018](5)精確偏移角度計算:第一透射光柵片的粗測光柵條紋對應間距為λ i，第二透射光柵片的粗測光柵條紋對應間距為λ 2，基板高度為d，光線透過第一和第二光柵片形成的光柵暗條紋圖案位置偏移為S ;當角度偏移小於一個光柵暗條紋周期對應的角度時，偏移量Θ計算如下:
【權利要求】
1.一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置，包括圖像採集裝置、平面光柵標誌器、背光光源、圖像和數據處理系統和固定標誌器平臺，其特徵在於:圖像採集裝置與圖像和數據處理系統電信號連接，背光光源緊貼於平面光柵標誌器下部與其固定連接，背光光源固定於固定標誌器平臺上，圖像採集裝置實時採集平面光柵標誌器的圖像，並將圖像傳至圖像和數據處理系統；所述的平面光柵標誌器包括雙層透射光柵片和光柵圖案，光柵圖案設置在雙層透射光柵片上；所述的圖像和數據處理系統包括計算機硬體、圖像和數據處理軟體和顯示設備，通過圖像採集裝置將採集到的數字圖像首先在計算機硬體中暫存，然後應用圖像和數據處理軟體完成圖像處理、視覺檢測和相對位姿計算，最後將測量結果在顯示設備上顯示。
2.如權利要求1所述的一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置，其特徵在於:所述的背光光源包括光源控制器、照明光源和漫射片，照明光源安裝於漫射片下方，光源控制器與照明光源電信號連接，光源控制器為照明光源供電並提供亮度控制，照明光源通過漫射片為平面光柵標誌器提供均勻的背光照明，形成清晰光柵條紋。
3.如權利要求1所述的一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置，其特徵在於:所述的雙層透射光柵片包括2塊透射光柵片及3塊透明基板，由上至下按第一透明基板、第一透射光柵片、第二透明基板、第二透射光柵片、第三透明基板的順序設置並保持平行，通過固定螺栓緊固。
4.如權利要求3所述的一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置，其特徵在於:所述的每個透射光柵片設置有2條粗測光柵條紋和2條精測光柵條紋，兩種條紋呈相互正交排列；第一透射光柵片和第二透射光柵片其上、下位置對應光柵條紋間距存在差別，第一透射光柵片的粗測光柵條紋對應間距為λ i，第二透射光柵片的粗測光柵條紋對應間距為λ2, A1 > λ 2，則柵距差比r1=( λ「λ JA1X 100 Kr1=0.5%~I 第一透射光柵片的精測光柵條紋對應間距為λ 3，第二透射光柵片的精測光柵條紋對應間距為λ4，λ3> λ4，則柵距差比 r2=(λ3-λ4)/λ3Χ100%,r2=0.1 ~0.3%。
5.如權利要求1所述的一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置，其特徵在於:所述的平面光柵標誌器的四角分別設置有輔助標誌物。
6.如權利要求3所述的一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置，其特徵在於:所述的透射光柵片由多組具有不同解析度的光柵刻線構成。
7.如權利要求4所述的一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置，其特徵在於:所述的粗測光柵條紋的間距為精測光柵條紋的2~5倍。
8.一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量方法，其特徵在於，採用如權利要求1-7任意項所述的一種基於平面光柵的三維視覺位姿測量裝置，步驟如下: (1)使用圖像採集裝置採集圖像，並傳至圖像和數據處理系統，並對採集的圖像進行去噪和圖像增強預處理； (2)通過圖像分割和特徵提取，得到平面光柵標誌器各組光柵圖案形成的光柵暗條紋和輔助標識特徵； (3)使用平面光柵標誌器四角的輔助標識，首先定位圓標識點形心，進而通過PnP算法粗估計相對位姿，通過矩形特徵定位判別保證求解的唯一性； (4)對於粗測光柵條紋，首先通過基於圖像矩的方法進行主軸校正，計算條紋方向，進而使用灰度投影法檢測條紋相位，並得到位置偏移5，對精測光柵條紋重複上述處理過程，得到位置偏移； (5)精確偏移角度計算:第一透射光柵片的粗測光柵條紋對應間距為X1，第二透射光柵片的粗測光柵條紋對應間距為λ 2，基板高度為d，光線透過第一和第二光柵片形成的光柵暗條紋圖案位置偏移為S ;當角度偏移小於一個光柵暗條紋周期對應的角度時，偏移量Θ計算如下:
【文檔編號】G01C11/04GK103712603SQ201310676383
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月7日 優先權日:2013年9月24日
【發明者】屈楨深, 喬宇, 李思聰, 李清華, 王常虹 申請人:哈爾濱工業大學