一种用同心圆标志测物体位置姿态和转角的单目视觉测量方法，目的是快速而准确地确定同心圆圆心像点位置和同心圆位置姿态;本发明专利技术将同心圆靶平行于转轴固定在待测物体上，用一台数码相机对靶面拍照,用亚像素精度的图像处理方法处理照片求出像面两个椭圆的方程；创建了用椭圆方程的系数求同心圆姿态的解算方法；利用椭圆的两条弦创建了求圆心像点位置的解算方法；利用同心圆的辅助特征直径创建了求相机以像素为单位的焦距J的解算方法；解算过程计算简单、精确、快捷；计算机仿真实验结果表明这些解算方法正确可行；可用来在机场标定飞机上的副翼、襟翼、水平舵和方向舵的角位移传感器。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用同心圆做靶面标志测量物体相对位置姿态和转角的单目视觉 测量方法，属于光电测量
技术介绍
飞机在试飞试验前，需要在停机坪标定飞机上的副翼、襟翼、水平舵和方向舵的角 位移传感器，需要用单目视觉测量方法；在航天器交会对接的最后阶段，追踪航天器需要用 单目视觉测量方法自主测量目标航天器的相对位置姿态；大型设备吊装时，也可以用单目 视觉测量方法实时监视设备的位置姿态。单目视觉测量方法具有非接触、实时、自动化程度 高和设备安装调节简单等优点。已公开报道的测量物体相对位置姿态的单目视觉方法，多 数采用按一定规则分布的几个点做靶面的特征标志，其计算比较复杂，而且抗噪声、抗遮挡 的能力不强。用圆做靶面标志其优点显著：圆的几何特征简单，图像处理时目标识别成功率 高，抗噪声和抗遮挡的能力强，应用前景广泛。在航天器交会对接、机械加工定位以及摄像 机标定、姿态定位、图像矫正等方面都有广泛的应用。但单用一个圆作标志，在逆透视投影 求圆的空间姿态时存在二义性，还必须要有其他附加标志。文献《基于双圆特征的无人机着 陆位置姿态视觉测量方法》（中国标准刊号CN11-1929/V，〈航空学报>2005,26(3))报道 的方法，用共面不同心、不相交的双圆做标志，取两圆的公切点及其衍生点为特征点，其算 法具有较强的抗噪声能力，但测量圆平面的姿态角的误差较大，而且计算也比较复杂。文献 《Geometricandalgebraicconstraintsofprojectedconcentriccirclesandtheir applicationstocameracalibration))(IEEETrans,onPatternAnalysisandMachine Intelligence，2005, 27 (4))报道的方法，以同心圆为标志，以圆心和圆环点为特征点，利用 同心圆的透视投影特性求解无穷远直线，进而求解圆心位置，但计算复杂，计算机仿真试验 结果求圆心像点位置的误差也较大。文献《圆形目标精密定位方法的研究与应用》（中国 标准刊号CN11-2179/TH，<仪器仪表学报> 2009，12;30(12))报道的方法，也用同心圆 为标志，通过同心圆透视投影的两个不同心的椭圆的圆心作直线，与这两个椭圆相交得到4 个交点，根据共线4点的中心投影变换交比不变的性质求出同心圆圆心像点位置。因为像 面两个椭圆的圆心相距很近，当同心圆平面与像面接近平行时更甚，求椭圆圆心位置的定 位误差对所作直线的斜率影响很大，导致求同心圆圆心像点位置的定位误差也大。 在现代光电测量系统中，用同心圆做靶面标志比用一个圆具有更多的优点，具有 更广泛的应用前景。快速而准确地确定空间同心圆圆心在像面的真实投影点的位置和同心 圆的位置姿态具有重要的应用价值，有必要研究新的检测方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足，提供一种能快速而准确地确定同心圆圆 心像点位置和同心圆位置姿态的用同心圆靶标测物体位置姿态和转角的单目视觉测量方 法。 本专利技术方法是： (1)用共面同心双圆做靶面的特征标志做成同心圆靶安装在待测物体上，用一台 数码相机对靶面拍照。只要同心圆与像面不垂直，同心圆的像是两个椭圆。相机的图像数 据通过USB接口传送给计算机处理。 (2)对照片进行数字图像处理求出像面两个椭圆的方程，利用椭圆方程各项的系 数，创建了求解同心圆平面的法线向量的方向数（A，B，C)的解算方法。 该解算方法的理论基础是：相机成像模型采用中心投影模型等效近似模拟；同心 圆中心投影的两个椭圆的方程其各项的系数都与空间同心圆的参数有确定的函数关系。从 同心圆的照片求出像面两个椭圆的方程，就可以利用椭圆方程的系数与空间同心圆的参数 的函数关系解算出同心圆平面的法线向量的方向数。其解算方法如下： 建立相机坐标系：以相机的光心为坐标系的原点〇 (0, 0, 0)，其X轴平行于相机(XD 行的方向，y轴平行于C⑶列的方向，z轴沿相机的光轴向外，建立右手螺旋坐标系o-xyz， 其长度以mm为单位。相机的焦距为F，同心圆靶面上一点（x，y，z)中心投影到像面的像点 位置为（X;，y;，F)，该点在C⑶阵列上的位置为（U，V)，U、V以像素为单位；若相机主光轴与 CCD的交点在CCD阵列上的位置为{U。，V。}，则Xj=q(U_U。）=qX，y:=q(V_V。）=qY;X= (U-U。)，Y= (V-V。）；q为CCD阵列的像素中心距；根据中心投影关系可得x=Xz/J，y=Yz/ J;其中J=F/q。 设同心圆小圆的半径为札，大圆的半径为R2，在相机坐标系中，同心圆圆心的坐标 为（X。，y。，z。)，同心圆的方程为： 根据中心投影规律求出的同心圆的中心投影像的方程分别为：小圆的中心投影像 的方程：a'iX2+b'iXY+c'iY2+d'J+e'iY+f'ι=0 (1-1)大圆的中心投影像的方 程：a，2X2+b，2XY+c' 2Y2+d' 2X+e' 2Y+f'2=〇 (1~2) 两个椭圆方程中各项的系数分别为： 其中i= 1时表示小椭圆方程中的系数；i= 2时表示大椭圆方程中的系数；D =-(Ax0+By0+Cz0) 〇 于是，若已知同心圆的中心投影像的两个椭圆的方程，则根据上述椭圆方程各项 系数的表达式可得： 规定同心圆平面的法线取外法向，/.C> 0。根据上述关系式可解出同心圆平面的 法线向量的方向数分别为： (3)利用椭圆的两条弦，仓ij建了求同心圆圆心的像点位置和同心圆的特征直径的 像的像长的解算方法。该解算方法是： 定义同心圆平行于透视轴L的直径为特征直径，垂直于透视轴L的直径为辅助特 征直径。在像面作大椭圆的两条平行于透视轴L的弦，求出每条弦的中点的坐标，过这两个 中点作直线与这两个椭圆相交，得到两圆的辅助特征直径的像的端点，利用这4个端点，根 据共线4点中心投影变换交比不变的性质求出圆心像点的坐标。再在像面，过圆心像点作 平行于透视轴L的直线，它与椭圆的交点就是特征直径的像的端点，这两点间的距离就是 特征直径的像的像长。 (4)利用同心圆的辅助特征直径，创建了求相机照相时以像素为单位的焦距J的 解算方法，求出焦距J后进一步求出空间同心圆圆心的位置。该解算方法是： 将同心圆小圆的辅助特征直径的任一端点的坐标（xf，yf，zf)代入辅助特征直径所 在直线的直线方程，解得Xf=x〇+ACtf，yf=yQ+BCtf，zf=ZQ-(A2+B2)tf。将其代入该圆所在 球面的球面方程，并利用同心圆靶面上的点（xf，yf，zf)与其像点的像面坐标（Xf，Yf)之间的 位置关系式解出C的另一种表达式： 其中A是小圆的特征半径的像的像长。 (5)测物体定轴转动的转角时，将同心圆靶平行于转轴固定在待测物体上，用一台 位置姿态保持不变的数码相机分别在物体转动前和转动后对同心圆靶面拍照，用上述（2) 所述的方法解算出对应位置时同心圆平面的法线向量的方向数；这两个平面间的夹角f就 是待测物体的转角。 本专利技术采用同心圆做靶面的特征标志，利用同心圆的中心投影像的两个椭圆方程 各项的系数，设计的求解同心圆平面的姿态的解算方法简单、直接本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用同心圆靶标测物体相对位置姿态和转角的单目视觉测量方法，其特征是：(1)用共面同心双圆做靶面的特征标志做成同心圆靶安装在待测物体上，用一台数码相机对靶面拍照，相机的图像数据通过USB接口传送给计算机进行处理；(2)对照片进行数字图像处理，求出像面两个椭圆的方程,利用椭圆方程各项的系数解算出同心圆平面的法线向量的方向数(A，B，C)；(3)利用椭圆的两条弦，解算出同心圆圆心的像点位置和同心圆的特征直径的像的像长；(4)利用同心圆的辅助特征直径，解算出相机照相时以像素为单位的焦距，进一步求出空间同心圆圆心的位置；(5)测物体定轴转动的转角时，将同心圆靶平行于转轴固定在待测物体上，用一台位置姿态保持不变的数码相机分别在物体转动前和转动后对同心圆靶的靶面拍照，用上述(2)所述的方法解算出对应位置时同心圆平面的法线向量的方向数；这两个平面间的夹角就是待测物体的转角。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：何森，张旭峰，王志斌，曹美珍，高永全，刘运来，董建会，吴晶莹，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。