專利名稱：基于姿態(tài)傳感器的多視角測量數據自拼合方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在三維輪廓測量系統(tǒng)，尤其涉及一種在三維輪廓測量系統(tǒng)中增加姿態(tài)傳感器實現(xiàn)多視角測量數據自拼合的方法，屬于三維傳感和測量領域。

背景技術：
三維輪廓數據的測量在航空航天、車輛船舶、機械制造、生物醫(yī)學、紡織服裝、工業(yè)設計等領域有著廣泛的應用需求?；跈C械、光學、聲學、電磁學原理的各種測量方法均取得了巨大進展，尤其是以激光掃描法、干涉法和結構光方法為代表的光學非接觸測量方法在許多領域中實現(xiàn)了商業(yè)應用。然而，各種三維輪廓測量方法一次測量都只能獲得有限區(qū)域的表面數據，大型物體或者全方位輪廓的測量要通過移動測量設備或者移動被測物體進行多次測量(稱為多視角測量)，這樣不同次測量得到的數據位于不同的坐標系下，而不同坐標系下的測量數據拼合是一個公認的棘手問題。
目前解決這一問題主要有三種方法一是在被測物體表面黏貼球形或者圓形的人工標記點，通過兩次測量間至少三個以上的共同標記點，實現(xiàn)兩個測量數據集之間的坐標變換。這種方法增加了測量前的準備工作，而且黏貼標記點的地方模型本身的測量數據會缺失，對于小型的和細節(jié)豐富的物體這個問題尤其突出；另一種方法是通過機械機構控制不同次測量中測量設備與被測物體之間的相對運動，由機械機構的運動參數直接計算測量點集間的坐標變換關系，例如，把被測物體固定在數控旋轉工作臺上，或者把測量系統(tǒng)安裝在復雜的多關節(jié)機械手臂上。采用這些數控機械裝置不但大幅增加測量成本，而且使得整個測量系統(tǒng)的靈活性和對被測物體尺寸大小的適應性明顯降低；第三種方法單純通過后續(xù)處理算法對不同坐標系下輸出的三維測量數據進行拼合，主要問題在于如何從點云數據中提取穩(wěn)定可靠的特征，這種方法受不同被測物體的表面形狀影響很大，不具有通用性，可靠性也較差。
廣泛應用于航空導航、跟蹤控制、平臺穩(wěn)定領域中的姿態(tài)傳感器，可以實時輸出自身運動的姿態(tài)角度和角速度，具有性能穩(wěn)定，精度高等特點，并且小型的姿態(tài)傳感器體積僅有火柴盒大小，重量僅有幾十克，十分易于安裝使用。因此如果能夠將結構小巧的姿態(tài)傳感器應用于三維輪廓測量系統(tǒng)中，使系統(tǒng)在改變位置和姿態(tài)對被測物體進行多視角測量時，能夠自行確定其自身的坐標變換，從而無需黏貼標記點，也無需旋轉臺、機械臂等數控機械裝置，就可以穩(wěn)定可靠地解決多視角測量的數據拼合問題，無疑是一個非常好的途徑。但由于結構小巧的姿態(tài)角度傳感器不能感知自身的平移量，而且姿態(tài)角度傳感器坐標系具有自身的坐標系，因此要實現(xiàn)這一構想，需要解決姿態(tài)傳感器坐標系與測量系統(tǒng)坐標系之間的關系標定、旋轉關系確定下的測量數據集之間平移向量求解等問題。目前尚沒發(fā)現(xiàn)有相關方法公開。


發(fā)明內容
本發(fā)明為提高三維輪廓數據測量的靈活性和穩(wěn)定性而提出一種基于姿態(tài)傳感器的多視角測量數據自拼合方法。
一種基于姿態(tài)傳感器的多視角測量數據自拼合方法，通過在三維測量設備上固定一個可以實時獲取自身坐標系姿態(tài)變化參數的姿態(tài)傳感器來實施，具體包括如下步驟 A.對測量設備坐標系與姿態(tài)傳感器坐標系之間的旋轉變換矩陣RC進行標定； B.對被測物體進行首次測量，獲得測量設備坐標系下的被測物體表面測量區(qū)域內的三維數據點坐標，并取該次測量時的測量設備坐標系為全局坐標系，同時記錄該次測量時姿態(tài)傳感器的姿態(tài)參數； C.保持被測物體不動，改變測量設備的位置和姿態(tài)從不同視角對被測物體的進行測量每次測量時，均根據姿態(tài)傳感器自動捕獲的自身姿態(tài)參數計算出相對于首次測量時姿態(tài)傳感器的旋轉變換矩陣RM，并由該相對于首次測量時姿態(tài)傳感器的旋轉變換矩陣RM和步驟A中得到的旋轉變換矩陣RC計算出測量設備坐標系相對于全局坐標系的旋轉變換矩陣RL，利用該相對于全局坐標系的該旋轉變換矩陣RL對測量數據點坐標進行旋轉變換； D.確定首次測量后的每次測量中測量設備坐標系相對于全局坐標系的平移變換向量，并利用所得到的平移變換向量對每次的測量數據點坐標進行平移變換； E.在經過步驟C和步驟D將多視角測量數據變換到全局坐標系的基礎上，利用迭代方法進行每次測量數據坐標拼合的整體優(yōu)化。
本發(fā)明在測量系統(tǒng)中增加姿態(tài)傳感器，無需在被測物體表面和測量場景中布置標記點，也無需采用專門的數控機械裝置，大大簡化測量準備工作，增加測量的靈活性；不同視角下測量設備坐標系與全局坐標系的旋轉變換關系通過姿態(tài)傳感器實時獲取，而平移變換的確定采用基于聚類的統(tǒng)計方法，這相對于單純通過后續(xù)處理算法提取特征點進行多視角三維測量數據拼合的方法具有更高的穩(wěn)定性，拼合速度也更快；本方法能夠對旋轉面等基于特征提取方法無法實現(xiàn)自拼合的被測物體進行多視角測量數據自拼合。



圖1是本發(fā)明的方法流程圖。
圖2是本發(fā)明優(yōu)選實例中的姿態(tài)傳感器與雙目立體傳感器測量示意圖。

具體實施例方式 如圖1所示，一種基于姿態(tài)傳感器的多視角測量數據自拼合方法，通過在三維測量設備上固定一個可以實時獲取自身坐標系姿態(tài)變化參數的姿態(tài)傳感器來實施，包括如下步驟 A.對測量設備坐標系與姿態(tài)傳感器坐標系之間的旋轉變換矩陣RC進行標定； B.對被測物體進行首次測量，獲得測量設備坐標系下的被測物體表面測量區(qū)域內的三維數據點坐標，并取該次測量時的測量設備坐標系為全局坐標系，同時記錄該次測量時姿態(tài)傳感器的姿態(tài)參數； C.保持被測物體不動，改變測量設備的位置和姿態(tài)從不同視角對被測物體的進行測量每次測量時，均根據姿態(tài)傳感器自動捕獲的自身姿態(tài)參數計算出相對于首次測量時姿態(tài)傳感器的旋轉變換矩陣RM，并由該相對于首次測量時姿態(tài)傳感器的旋轉變換矩陣RM和步驟A中得到的旋轉變換矩陣RC計算出測量設備坐標系相對于全局坐標系的旋轉變換矩陣RL，利用該相對于全局坐標系的該旋轉變換矩陣RL對測量數據點坐標進行旋轉變換； D.確定首次測量后的每次測量中測量設備坐標系相對于全局坐標系的平移變換向量，并利用所得到的平移變換向量對每次的測量數據點坐標進行平移變換； E.在經過步驟C和步驟D將多視角測量數據變換到全局坐標系的基礎上，利用迭代方法進行每次測量數據坐標拼合的整體優(yōu)化。
以上是本發(fā)明方法的總體步驟，現(xiàn)以雙目立體測量系統(tǒng)與姿態(tài)傳感器為實施裝置，并結合附圖詳述實施步驟 用φ(e，θ)表示旋轉運動，其中e為旋轉軸的正向，θ∈
為繞旋轉軸正向按右手法則旋轉的角度，則剛體的旋轉運動φ(e，θ)可以唯一確定旋轉軸e所在坐標系的旋轉變換矩陣R，其確定關系為 其中ex、ey、ez分別為旋轉軸正向e的三個分量。
反之，若已知坐標系旋轉變換矩陣R＝{rij}，根據旋轉矩陣的性質，知道旋轉矩陣必有三個特征值，分別為1，cosθ±isinθ，其中特征值1所對應的特征向量為旋轉軸的方向(同向或反向)，θ∈
為繞旋轉軸正向的旋轉角度，因此成立下面的關系 1+2cosθ＝tr(R)，θ∈
(2) (R-I)e＝0(3) 當R≠I時，(3)式的解為一維解空間，設單位解向量e＝(ex，ey，ez)T。根據(1)式比較矩陣R關于對角線對稱的矩陣元素大小，可得下面的事實 結合(4)式的關系，即可確定由(3)式求解得到的旋轉軸的正向單位向量，旋轉角度θ由(2)式唯一確定。
本實施例將姿態(tài)傳感器固定在雙目立體測量設備上，并始終保持姿態(tài)傳感器與雙目立體測量設備相對位置不變，如圖2所示，當雙目立體測量設備做剛體運動時，姿態(tài)傳感器也做相同的剛體運動。設姿態(tài)傳感器坐標系為OM，雙目立體測量設備坐標系為OL，OM與OL坐標系之間存在著剛體變換，記該剛體變換中旋轉矩陣為RC，平移向量為TC，則有 PM＝RCPL+TC(5) 其中PL為被測物體上的點在OL下的坐標，PM為該點在OM下的坐標。
對測量設備坐標系與姿態(tài)傳感器坐標系之間的旋轉變換關系進行標定的具體方法是先對標定物進行首次測量，然后移動雙目立體測量設備從不同視角對標定物進行第二次測量，兩次測量之間測量設備整體的位置和姿態(tài)變化可以視為剛體運動，令φ(e，θ)表示該剛體運動中的旋轉運動，則φ(e，θ)在姿態(tài)傳感器坐標系和測量設備坐標系下所確定的旋轉角度一定相同，而旋轉軸正向不同。設第二次標定測量的坐標系OL和OM相對于第一次標定測量分別存在旋轉矩陣RL和RM。為計算旋轉矩陣RL，需要在這兩次標定測量中至少測量出標定物上三個不共線的相同數據點，不妨設Pi和Pi′(i＝1，2，...，k)分別表示第一次和第二次測量得到的標定物上相同數據點在測量設備坐標系中的坐標，并記 Qi＝Pi-P，Qi′＝Pi′-P′ 構造矩陣，對W進行奇異值分解得到W＝UDVT，其中U、V為正交矩陣，D為對角矩陣，則有 RL＝VUT(6) 矩陣RM是由姿態(tài)傳感器自動反饋的繞其自身坐標系三個坐標軸的旋轉角度轉化得到。根據(3)(4)可以分別確定出φ(e，θ)在兩個不同坐標系下的旋轉軸正向單位向量為eL和eM，則eL和eM之間必然存在旋轉變換，即 RCeL＝eM(7) 要確定旋轉矩陣RC，至少需要三組上述方程(7)，因此要求在標定過程中，至少需要從不同視角對標定物進行四次或四次以上的測量。假設經過n+1(n≥3)次測量，得到n個方程 RCeLi＝eMi，i＝1，2，3，...，n(8) 對(8)式采用奇異值分解方法進行最小二乘求解。記矩陣對W′進行奇異值分解得到W′＝U′D′V′T，其中U′、V′為正交矩陣，D′為對角矩陣，則(8)式的最小二乘解為 RC＝V′U′T(9) 根據本發(fā)明的測量設備坐標系與姿態(tài)傳感器坐標系之間的旋轉變換關系標定方法，只需要對標定物進行四次或四次以上不同視角的標定測量，并且僅要求根據標定測量結果可以計算出每次標定測量時測量設備所產生的旋轉變換矩陣即可，操作簡單，易于實現(xiàn)。
在對被測物體測量過程中，將被測物體固定不動，改變測量設備的位置和姿態(tài)，進行多視角測量。取對被測物體進行首次測量時的測量設備坐標系作為全局坐標系。第二次測量時，由姿態(tài)傳感器實時捕獲本次測量時姿態(tài)傳感器自身坐標系OM相對于全局坐標系的旋轉變換矩陣RM，根據RM通過(2)(3)(4)式即可求得φ(eM，θM)，再根據eL＝RCTeM和θL＝θM，可以確定本次測量的測量設備坐標系OL相對于全局坐標系的旋轉運動φ(eL，θL)。將eL，θL代入(1)式中即可求得測量設備坐標系相對于全局坐標系的旋轉變換矩陣RL。
用上述旋轉矩陣RL對第二次測量所得的三維點坐標實施旋轉變換，使得第二次測量時測量設備坐標系與全局坐標系僅相差一個平移變換。為了求解該平移變換，要求第二次測量數據和全局坐標系中的測量數據之間必須有部分數據為重疊數據，即被測物體上有部分數據在至少兩個視角下的測量中同時出現(xiàn)。由于此時重疊區(qū)域三維點坐標僅相差一個平移變換，因此第二次測量數據和全局坐標系中測量數據中對應重疊區(qū)域內的數據點其法矢方向是一致的，根據這個原理，本發(fā)明利用聚類方法求解未知的平移向量，具體方法如下 設已經處于全局坐標系中的測量數據點集和經過旋轉變換后的第二次測量數據點集分別記為{Pi}和{Qj}，在本實施例中將{Pi}和{Qj}分別進行三角化并估計每個頂點處的法矢，與數據點集相對應，記法矢分別為{NPi}和{NQj}。如果將每個點處單位法矢的三個分量看作一個點的坐標，則這些點必然在以原點為球心，半徑為1的球面上。由于姿態(tài)傳感器自身誤差和測量數據重疊區(qū)域的數據不完全重合以及測量系統(tǒng)自身誤差等原因，實施例中判斷法矢NPi和NQj為相同，僅當NPi和NQj滿足下面不等式 NPi·NQj＞cos1°(10) 對{Pi}中每個點Ps的法矢NPs，在{Qj}中搜索得到Qt，使得NPs·NQt最大，并且滿足(10)式，記Ps和Qt之間的平移向量為 Tst＝Ps-Qt(11) 則Tst為一個可能的平移向量。利用(10)和(11)式計算出{Pi}和{Qj}之間所有可能的平移向量，并將這些平移向量的起點移至坐標原點，再以每個平移向量的終點為球心，做半徑為r的球(實施例中取r＝0.5)，統(tǒng)計落入該球內其它平移向量終點的個數，得到包含最多平移向量終點所對應的球，則取該球的球心為這第二次測量時測量設備坐標系與全局坐標系之間的平移變換向量。
利用所求得的平移向量，對第二次測量數據點集{Qj}進行平移變換，即可將第二次測量時測量設備坐標系統(tǒng)一到全局坐標系中。第三次以及后續(xù)每次測量都采用與第二次測量相同的方法將測量數據變換到全局坐標系下。最后利用迭代方法(如迭代最近點(ICP)方法)對所有點云數據進行全局拼合優(yōu)化，進一步提高多視角測量數據的自拼合精度。
可以理解對于本領域的技術人員來說，在本發(fā)明方法基礎上可能存在多種的改進類型。因而上述描述和相關的附圖只是本發(fā)明的示意而不局限于此。
權利要求
1、一種基于姿態(tài)傳感器的多視角測量數據自拼合方法，其特征在于通過在三維測量設備上固定一個可以實時獲取自身坐標系姿態(tài)變化參數的姿態(tài)傳感器來實施，具體包括如下步驟
A.對測量設備坐標系與姿態(tài)傳感器坐標系之間的旋轉變換矩陣RC進行標定；
B.對被測物體進行首次測量，獲得測量設備坐標系下的被測物體表面測量區(qū)域內的三維數據點坐標，并取該次測量時的測量設備坐標系為全局坐標系，同時記錄該次測量時姿態(tài)傳感器的姿態(tài)參數；
C.保持被測物體不動，改變測量設備的位置和姿態(tài)從不同視角對被測物體的進行測量每次測量時，均根據姿態(tài)傳感器自動捕獲的自身姿態(tài)參數計算出相對于首次測量時姿態(tài)傳感器的旋轉變換矩陣RM，并由該相對于首次測量時姿態(tài)傳感器的旋轉變換矩陣RM和步驟A中得到的旋轉變換矩陣RC計算出測量設備坐標系相對于全局坐標系的旋轉變換矩陣RL，利用該相對于全局坐標系的該旋轉變換矩陣RL對測量數據點坐標進行旋轉變換；
D.確定首次測量后的每次測量中測量設備坐標系相對于全局坐標系的平移變換向量，并利用所得到的平移變換向量對每次的測量數據點坐標進行平移變換；
E.在經過步驟C和步驟D將多視角測量數據變換到全局坐標系的基礎上，利用迭代方法進行每次測量數據坐標拼合的整體優(yōu)化。
2、根據權利要求1所述的基于姿態(tài)傳感器的多視角測量數據自拼合方法，其特征在于所述步驟A中對測量設備坐標系與姿態(tài)傳感器坐標系之間的旋轉變換矩陣RC進行標定的方法包括如下步驟
F.標定物保持不動，移動測量設備從至少四個不同視角對標定物進行測量；
G.根據每次對標定物進行測量的結果，計算在每次測量時測量設備坐標系所產生的旋轉變換矩陣，同時獲取該次測量時姿態(tài)傳感器所反饋的姿態(tài)傳感器坐標系所產生的旋轉變換矩陣；
H.根據步驟G中得到的每次測量設備坐標系的旋轉變換矩陣，計算每次測量設備剛體運動的旋轉軸正向單位向量和旋轉角度，同時根據步驟G中得到的每次姿態(tài)傳感器坐標系產生的旋轉變換矩陣，計算每次姿態(tài)傳感器剛體運動的旋轉軸正向單位向量和旋轉角度；
I.根據每次測量時測量設備坐標系旋轉變換的旋轉軸正向單位向量與姿態(tài)傳感器坐標系旋轉變換的旋轉軸正向單位向量之間相差同一個旋轉變換的約束條件，求解測量設備坐標系與姿態(tài)傳感器坐標系之間的旋轉變換矩陣。
3、根據權利要求1所述的基于姿態(tài)傳感器的多視角測量數據自拼合方法，其特征在于所述步驟C中計算測量設備坐標系相對于全局坐標系的旋轉變換矩陣RL的方法包括如下步驟
J.根據步驟C中相對于首次測量時姿態(tài)傳感器的旋轉變換矩陣RM計算出旋轉運動φ(eM，θM)，其中eM-旋轉軸正向單位向量，θM-旋轉角度；
K.計算測量設備的旋轉運動φ(eL，θL)，并由該旋轉運動φ(eL，θL)確定測量設備坐標系相對于全局坐標系的旋轉變換矩陣RL，其中旋轉軸正向單位向量eL＝RCTeM，旋轉角度θL＝θM。
4、根據權利要求1所述的基于姿態(tài)傳感器的多視角測量數據自拼合方法，其特征在于所述步驟D中確定首次測量后的每次測量中測量設備坐標系相對于全局坐標系之間的平移變換向量的方法包括如下步驟
L.在已經位于全局坐標系中的三維數據點和已經經過步驟C中相對于全局坐標系的旋轉變換矩陣RL旋轉變換的數據點中，查找法矢相同的對應點，并分別計算每對對應點之間的平移向量；
M.對步驟L中得到的所有平移向量進行聚類分析，將包含平移向量個數最多的那一類的中心點所對應的平移向量作為所要確定的測量設備坐標系相對于全局坐標系的平移變換向量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于姿態(tài)傳感器的多視角測量數據自拼合方法，屬于三維傳感和測量領域。該方法將姿態(tài)傳感器固定在測量設備上，在多次測量中保持被測物體位置不動，姿態(tài)傳感器與測量設備位置相對不變。先利用標定物標定出姿態(tài)傳感器與測量設備各自坐標系間的旋轉變換矩陣，根據姿態(tài)傳感器自動獲取自身旋轉變換矩陣，計算出每次測量時測量設備坐標系所發(fā)生的旋轉變換，并對每次測量數據進行相應的旋轉變換，最后根據重疊區(qū)域處數據點法矢方向相同原理，采用聚類方法計算不同視角下測量數據的平移變換，實現(xiàn)多視角測量數據自拼合。本方法使用設備結構簡單，成本低，靈活可靠，易實現(xiàn)。
文檔編號G01B11/245GK101539405SQ20091002932
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權日2009年4月9日
發(fā)明者興 王, 虎 韋, 劉勝蘭, 石春琴, 張麗艷 申請人:南京航空航天大學