一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法，該發(fā)明的重點(diǎn)是確定標(biāo)記點(diǎn)的布局方式，使得標(biāo)記點(diǎn)易于檢測、識(shí)別，并且能夠使物體坐標(biāo)系中的標(biāo)記點(diǎn)與圖像坐標(biāo)系中檢測到的標(biāo)記點(diǎn)能夠很好地對應(yīng)。對于表面缺乏紋理特征的圓柱狀目標(biāo)，需要確定其繞軸線的旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，它的標(biāo)記點(diǎn)布局方式的設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)這種要求，即針對圓柱體的每個(gè)旋轉(zhuǎn)角度都需要對應(yīng)一個(gè)不同的標(biāo)記點(diǎn)模式，而且各標(biāo)記點(diǎn)模式不重復(fù)。在完成一種簡單、有效地標(biāo)記點(diǎn)布局方式的設(shè)計(jì)之后，便能夠利用這種標(biāo)記點(diǎn)模式，進(jìn)行圖像檢測，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)位姿的精確測量，從而完成對圓柱狀目標(biāo)的位姿測量。
【專利說明】一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)視覺測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種利用標(biāo)記點(diǎn)對目標(biāo)位置、姿態(tài)進(jìn)行測量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，物體位置與姿態(tài)的測量已廣泛應(yīng)用于航空航天、移動(dòng)機(jī)器人、工業(yè)檢測等領(lǐng)域。在進(jìn)行目標(biāo)位置、姿態(tài)的檢測時(shí)，多采用目標(biāo)本身的角點(diǎn)、紋理等特征進(jìn)行測量，或在目標(biāo)表面人工添加標(biāo)記點(diǎn)的方法。采用目標(biāo)物體本身角點(diǎn)、紋理特征的方法需要經(jīng)過復(fù)雜的圖像處理過程，計(jì)算過程復(fù)雜，實(shí)時(shí)性差。人工添加標(biāo)記點(diǎn)的方法適用性較廣，該方法的重點(diǎn)是確定標(biāo)記點(diǎn)的布局方式，使得標(biāo)記點(diǎn)易于檢測、識(shí)別，從而使物體坐標(biāo)系中的標(biāo)記點(diǎn)與圖像坐標(biāo)系中的標(biāo)記點(diǎn)能夠很好地對應(yīng)。
[0003]但對于表面缺乏紋理特征的圓柱狀目標(biāo)，當(dāng)需要確定其繞軸線的旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，它的標(biāo)記點(diǎn)布局方式的設(shè)計(jì)是一個(gè)棘手的問題，因?yàn)閳A柱體的每個(gè)旋轉(zhuǎn)角度都需要對應(yīng)一個(gè)不同的標(biāo)記點(diǎn)模式，各標(biāo)記點(diǎn)模式不能重復(fù)。
[0004]因而，對于缺乏紋理特征的圓柱狀目標(biāo)，當(dāng)需要檢測物體的三維位姿時(shí)，需要設(shè)計(jì)一種簡單、有效地標(biāo)記點(diǎn)布局方式及目標(biāo)位姿測量方法，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)位姿的精確測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法，對于缺乏紋理特征的圓柱狀目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)布局及目標(biāo)位姿測量。
[0006]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法，包括以下步驟:(1)目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)的布局:每列標(biāo)記點(diǎn)為一組，相鄰4組為一個(gè)特征標(biāo)記點(diǎn)簇，其中，在每簇中，有一列有三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，其余各列有兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，選取包含三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的所在列為標(biāo)示位，其余為信息存儲(chǔ)點(diǎn)；(2)標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)系的建立:以圓柱體底面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立標(biāo)記點(diǎn)的參考坐標(biāo)系，其中，圓柱體的軸心線作為Z軸，圓柱體底面所在平面相互垂直的兩個(gè)射線所在方向分別為X軸和Y軸；(3)安裝目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn):每一列的標(biāo)示點(diǎn)連線與圓柱體軸心線平行設(shè)置；(4)利用計(jì)算機(jī)視覺算法求解目標(biāo)物體的三維位姿及旋轉(zhuǎn)角度。
[0008]所述標(biāo)記點(diǎn)由黑色實(shí)心圓和圓環(huán)組成，分別代表不同的編碼元素，實(shí)心圓代表0，圓環(huán)代表I。
[0009]各組標(biāo)記點(diǎn)之間的距離相等。
[0010]目標(biāo)物體的正立和倒立的判別方法為:設(shè)定標(biāo)示位所在列的相鄰標(biāo)示點(diǎn)之間的間距分別為SI和S2，其中，SI Φ S2，指定:S1>S2為正，S2>S1為倒。
[0011]所述SI和S2之間的最優(yōu)比為5:3。
[0012]所述步驟(3)按照下述方法安裝:(3.1)第一列標(biāo)記點(diǎn)的安裝:在圓柱上邊緣處任取一點(diǎn)，利用鉛垂線L和皮尺測量得到與上邊緣距離為h的一點(diǎn)0，點(diǎn)O即為I點(diǎn)的圓心；在鉛垂線L的兩側(cè)分別找到與其距離為r的鉛垂線Cl和c2，沿直線Cl，利用皮尺測量得到與上邊緣距離為r的點(diǎn)a和點(diǎn)c ;同樣的方法可以得到直線c2上的兩點(diǎn)b和d ;連接點(diǎn)a和點(diǎn)b得到直線rl,連接點(diǎn)c和點(diǎn)d得到直線r2,直線cl,c2,rl,r2確定點(diǎn)I的外接矩形,從而完成標(biāo)記點(diǎn)I的安裝；標(biāo)記點(diǎn)2的圓心與標(biāo)記點(diǎn)I的圓心同在直線L上，并且兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)圓心距離為h2，點(diǎn)2的安裝方法與點(diǎn)I相同；(3.2)與第一列相鄰的第二列標(biāo)記點(diǎn)的安裝:標(biāo)記點(diǎn)3的高度坐標(biāo)與點(diǎn)I相同，并且在圓柱表面與點(diǎn)I的測地線距離為dg=0.5236R，R為圓柱底面半徑，然后按照確定標(biāo)記點(diǎn)I的方法確定標(biāo)記點(diǎn)3的中心位置，安裝方法同標(biāo)記點(diǎn)I相同；(3.3)其余標(biāo)記點(diǎn)的安裝方法參照步驟(3.1)和步驟(3.2)。
[0013]所述步驟(3)還包括精確測量，具體如下:(3.4)用3臺(tái)經(jīng)緯儀，保證每臺(tái)經(jīng)緯儀的測量范圍為四列標(biāo)示點(diǎn)；(3.5)分別測量目標(biāo)上的標(biāo)記點(diǎn)在3臺(tái)經(jīng)緯儀視場內(nèi)的坐標(biāo)；(3.6)分別移動(dòng)三臺(tái)經(jīng)緯儀，重復(fù)上述步驟(3.4)和(3.5); (3.7)利用計(jì)算機(jī)視覺算法求解目標(biāo)物體的三維位姿及旋轉(zhuǎn)角度。
[0014]步驟(3.7)的具體步驟為:求得各個(gè)簇中的標(biāo)記點(diǎn)在目標(biāo)物體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，然后，利用攝像機(jī)采集目標(biāo)物體圖像，每幅圖像包含一簇標(biāo)記點(diǎn)，得出標(biāo)記點(diǎn)簇在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；最后利用模式匹配的方法找到目標(biāo)物體坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系中對應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)簇，求得目標(biāo)物體坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，從而得出目標(biāo)物體的三維位姿。
[0015]本發(fā)明所提供的圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法至少具有以下優(yōu)點(diǎn):(I)標(biāo)記點(diǎn)易于檢測、識(shí)別；(2)標(biāo)記點(diǎn)與圖像檢測結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)很好地對應(yīng)；(3)各標(biāo)記點(diǎn)簇構(gòu)成的模式豐富且不重復(fù)；(4)目標(biāo)位姿測量方法快速精確。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的標(biāo)記點(diǎn)布局圖；
[0017]圖2是本發(fā)明每一簇標(biāo)記點(diǎn)中標(biāo)識(shí)點(diǎn)的布局圖；
[0018]圖3是本發(fā)明的標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)系；
[0019]圖4是本發(fā)明標(biāo)記點(diǎn)I的安裝圖；
[0020]圖5是本發(fā)明標(biāo)記點(diǎn)2的安裝圖；
[0021]圖6是本發(fā)明標(biāo)記點(diǎn)3的安裝圖；
[0022]圖7是本發(fā)明用經(jīng)緯儀對標(biāo)記點(diǎn)的精測圖；
[0023]圖8是攝像機(jī)采集標(biāo)記點(diǎn)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明采用的技術(shù)方案及步驟如下:
[0025]( I)設(shè)計(jì)目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)的布局
[0026]目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)的位置是視覺系統(tǒng)計(jì)算目標(biāo)位姿的輸入量，其布局狀況直接關(guān)系到后面對目標(biāo)距離及旋轉(zhuǎn)角度的測量。為了能夠有效測量圓柱狀目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度，需要使得目標(biāo)表面各個(gè)方向上的標(biāo)記點(diǎn)具有不同的模式，即不同的標(biāo)記點(diǎn)簇模式對應(yīng)不同的旋轉(zhuǎn)角度。
[0027]標(biāo)記點(diǎn)布局遵循以下原則:
[0028]①標(biāo)記點(diǎn)由黑色實(shí)心圓和圓環(huán)組成，分別代表不同的編碼兀素，實(shí)心圓代表O,圓環(huán)代表1，兩者在圖像檢測中容易識(shí)別，易于圖像特征點(diǎn)和目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)的匹配。
[0029]②每列標(biāo)記點(diǎn)為一組，每組標(biāo)記點(diǎn)位于與圓柱目標(biāo)物母線平行的直線上，相鄰4組為一個(gè)特征標(biāo)記點(diǎn)簇，各組標(biāo)記點(diǎn)之間的距離相等。
[0030]③每個(gè)簇中包含9個(gè)點(diǎn),其中,有一組是由三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)構(gòu)成的,剩余的三個(gè)組分別為兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)構(gòu)成，3個(gè)點(diǎn)作為標(biāo)識(shí)位,其余6個(gè)點(diǎn)作為信息存儲(chǔ)點(diǎn),且標(biāo)識(shí)點(diǎn)和信息存儲(chǔ)點(diǎn)沒有特定的前后順序，這樣可以循環(huán)使用標(biāo)識(shí)位點(diǎn)來組成一個(gè)可識(shí)別的特征點(diǎn)簇。
[0031 ] ④在各個(gè)簇中，實(shí)心圓與圓環(huán)的排列各不相同，每個(gè)簇分別對應(yīng)一個(gè)特定的模式，即一個(gè)特定的0，I序列，這樣就可以通過相鄰兩幅圖像對應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)模式來確定目標(biāo)物體的旋轉(zhuǎn)角度。
[0032]⑤為了區(qū)分目標(biāo)物體正立、倒立兩種狀態(tài)，指定標(biāo)示位點(diǎn)所在列的點(diǎn)間距比例最優(yōu)為5:3，如圖2所示，這樣就可以通過計(jì)算標(biāo)識(shí)位點(diǎn)之間的間隔比例來確定目標(biāo)物是處于哪種狀態(tài)。具體地說，標(biāo)示位所在列的相鄰標(biāo)示點(diǎn)之間的間距分別為SI和S2，其中，SI Φ S2，指定:S1>S2 為正，S2>S1 為倒。
[0033](2)標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)系的建立及坐標(biāo)的確定
[0034]以目標(biāo)圓柱體底面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立參考坐標(biāo)系，然后根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)的布局要求，分別確定各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0035](3)安裝目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)
[0036]由于目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)制作誤差較大，故本發(fā)明采用先粗略安裝后精確測量的順序完成標(biāo)記點(diǎn)的安裝。
[0037]在粗略安裝過程中，首先對點(diǎn)I和點(diǎn)2進(jìn)行安裝，然后分別在點(diǎn)1、點(diǎn)2同一水平線上圓弧距離為0.5326r Cr為圓柱底面半徑)的地方安裝點(diǎn)3、點(diǎn)4，如此進(jìn)行下去，直到完成所有目標(biāo)點(diǎn)的安裝。
[0038]在精確測量過程中，在目標(biāo)圓柱周圍安置3臺(tái)經(jīng)緯儀，使3臺(tái)經(jīng)緯儀的測量范圍能夠覆蓋目標(biāo)的半個(gè)圓周，并且每臺(tái)經(jīng)緯儀可以測量4列目標(biāo)點(diǎn)，然后分別測量標(biāo)記點(diǎn)在3臺(tái)經(jīng)緯儀上的坐標(biāo)。完成一次測量后，逐次移動(dòng)3臺(tái)經(jīng)緯儀，直至完成所有標(biāo)記點(diǎn)的精確測量。
[0039](4)攝像機(jī)采集圖像，利用計(jì)算機(jī)視覺算法求解目標(biāo)物體的三維位姿及旋轉(zhuǎn)角度
[0040]由步驟(2)求得各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)在目標(biāo)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，然后利用攝像機(jī)采集目標(biāo)物體的圖像，得到對應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，再利用兩組點(diǎn)之間的關(guān)系得到目標(biāo)物體坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，即目標(biāo)物體的三維位姿結(jié)果，從而得到旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T。
[0041]利用上述方法，分別求得目標(biāo)物體在旋轉(zhuǎn)之前和旋轉(zhuǎn)之后的旋轉(zhuǎn)矩陣R1、R2，然后通過求Rl、R2之差，得出目標(biāo)物體繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)角度。
[0042]為了更清楚的理解本發(fā)明，下面以高h(yuǎn)=l.5m，底面直徑d=2.5m的圓柱為例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述與說明。
[0043]第一步，設(shè)計(jì)目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)布局
[0044]為了使得圓柱的每個(gè)旋轉(zhuǎn)角度都對應(yīng)一個(gè)特定的模式(實(shí)心圓、圓環(huán)組成的0，1序列)，需要設(shè)計(jì)一種無重復(fù)的標(biāo)記點(diǎn)模式序列。本發(fā)明設(shè)計(jì)的模式序列如圖1所示，圓柱表面共有12列標(biāo)記點(diǎn)，相鄰兩列標(biāo)記點(diǎn)之間的距離相等。每一簇包含相鄰4列標(biāo)記點(diǎn)，其中一列有3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，其余各列有2個(gè)標(biāo)記，選取包含3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的那列點(diǎn)作為標(biāo)識(shí)位，其余6個(gè)標(biāo)記點(diǎn)作為信息存儲(chǔ)點(diǎn)。在圖1中，實(shí)心圓代表O，圓環(huán)代表1，經(jīng)過驗(yàn)證，本圖中各個(gè)簇分別包含不同的O，I序列，即不同的標(biāo)記點(diǎn)模式序列。
[0045]第二步，標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)系的建立及坐標(biāo)的確定
[0046]以圓柱體底面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立標(biāo)記點(diǎn)的參考坐標(biāo)系。首先在圓柱體底面圓周上任意選擇一個(gè)輔助點(diǎn)P，選取從原點(diǎn)出發(fā)穿過P的射線方向作為Y軸，然后選擇圓柱底面上垂直Y軸的方向作為X軸，最后選擇圓柱的軸心線作為Z軸。建立的坐標(biāo)系如圖3所示。
[0047]按照第一步設(shè)計(jì)的標(biāo)記點(diǎn)布局，確定各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)如下表所示:
[0048]表1標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)
[0049]
【權(quán)利要求】
1.一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法，其特征在于:包括以下步驟: (O目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)的布局:每列標(biāo)記點(diǎn)為一組，相鄰4組為一個(gè)特征標(biāo)記點(diǎn)簇，其中，在每簇中，有一列有三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，其余各列有兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，選取包含三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的所在列為標(biāo)示位，其余為信息存儲(chǔ)點(diǎn)； (2 )標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)系的建立:以圓柱體底面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立標(biāo)記點(diǎn)的參考坐標(biāo)系,其中，圓柱體的軸心線作為Z軸，圓柱體底面所在平面相互垂直的兩個(gè)射線所在方向分別為X軸和Y軸； (3)安裝目標(biāo)標(biāo)記點(diǎn):每一列的標(biāo)示點(diǎn)連線與圓柱體軸心線平行設(shè)置； (4)利用計(jì)算機(jī)視覺算法求解目標(biāo)物體的三維位姿及旋轉(zhuǎn)角度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法，其特征在于:所述標(biāo)記點(diǎn)由黑色實(shí)心圓和圓環(huán)組成，分別代表不同的編碼元素，實(shí)心圓代表O，圓環(huán)代表1。
3.如權(quán)利要求1所述的一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法，其特征在于:各組標(biāo)記點(diǎn)之間的距離相等。
4.如權(quán)利要求1所述的一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法，其特征在于:目標(biāo)物體的正立和倒立的判別方法為:設(shè)定標(biāo)示位所在列的相鄰標(biāo)示點(diǎn)之間的間距分別為SI和S2，其中，SI Φ S2，指定:S1>S2為正，S2>S1為倒。
5.如權(quán)利要求4所述的一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法，其特征在于:所述SI和S2之間的最優(yōu)比為5:3。
6.如權(quán)利要求1所述的一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法，其特征在于:所述步驟(3)按照下述方法安裝: (3.1)第一列標(biāo)記點(diǎn)的安裝:在圓柱上邊緣處任取一點(diǎn)，利用鉛垂線L和皮尺測量得到與上邊緣距離為h的一點(diǎn)O，點(diǎn)O即為I點(diǎn)的圓心；在鉛垂線L的兩側(cè)分別找到與其距離為r的鉛垂線Cl和c2，沿直線Cl，利用皮尺測量得到與上邊緣距離為r的點(diǎn)a和點(diǎn)c ;同樣的方法可以得到直線c2上的兩點(diǎn)b和d ;連接點(diǎn)a和點(diǎn)b得到直線rl，連接點(diǎn)c和點(diǎn)d得到直線r2，直線cl，c2，rl，r2確定點(diǎn)I的外接矩形，從而完成標(biāo)記點(diǎn)I的安裝；標(biāo)記點(diǎn)2的圓心與標(biāo)記點(diǎn)I的圓心同在直線L上，并且兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)圓心距離為h2，點(diǎn)2的安裝方法與點(diǎn)I相同； (3.2)與第一列相鄰的第二列標(biāo)記點(diǎn)的安裝:標(biāo)記點(diǎn)3的高度坐標(biāo)與點(diǎn)I相同，并且在圓柱表面與點(diǎn)I的測地線距離為dg=0.5236R，R為圓柱底面半徑，然后按照確定標(biāo)記點(diǎn)I的方法確定標(biāo)記點(diǎn)3的中心位置，安裝方法同標(biāo)記點(diǎn)I相同； (3.3)其余標(biāo)記點(diǎn)的安裝方法參照步驟(3.1)和步驟(3.2)。
7.如權(quán)利要求6所述的一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法，其特征在于:所述步驟(3)還包括精確測量，具體如下: (3.4)用3臺(tái)經(jīng)緯儀，保證每臺(tái)經(jīng)緯儀的測量范圍為四列標(biāo)示點(diǎn)； (3.5)分別測量目標(biāo)上的標(biāo)記點(diǎn)在3臺(tái)經(jīng)緯儀視場內(nèi)的坐標(biāo)； (3.6)分別移動(dòng)三臺(tái)經(jīng)緯儀，重復(fù)上述步驟(3.4)和(3.5)； (3.7)利用計(jì)算機(jī)視覺算法求解目標(biāo)物體的三維位姿及旋轉(zhuǎn)角度。
8.如權(quán)利要求7所述的一種圓柱狀目標(biāo)的位姿測量方法，其特征在于:步驟(3.7)的具體步驟為:求得各個(gè)簇中的標(biāo)記點(diǎn)在目標(biāo)物體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，然后，利用攝像機(jī)采集目標(biāo)物體圖像，每幅圖像包含一簇標(biāo)記點(diǎn)，得出標(biāo)記點(diǎn)簇在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；最后利用模式匹配的方法找到目標(biāo)物體坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系中對應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)簇，求得目標(biāo)物體坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，從而得出 目標(biāo)物體的三維位姿。
【文檔編號】G01C11/00GK103743393SQ201310717933
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】郭宇, 宋宇, 王璇, 王飛, 成樂 申請人:西安交通大學(xué)