用于基于照相机的位置和取向测量的系统和方法技术方案

公开确定物体相对于定义的参考坐标系的位置和取向的系统和方法。多个目标被设置在相对于定义的参考坐标系的已知定位处。头组件被设置在物体上，其中所述头组件包括多个照相机。所述头组件从与所述多个目标相关联的定位数据和来自所述多个照相机的图像数据确定所述物体的位置和取向。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
在许多实际应用中，期望知道物体的位置和取向(orientation)(姿势)。在许多室外应用中，使用全球导航卫星系统(GNSS)以位置上大约一厘米且取向上一度以下(subdegree)的精度以及以高达20Hz的独立的更新速率来获得这些测量。存在该技术在耕作、采矿和勘测(survey)应用中使用的许多示例。不幸地，当应用必须在室内或者在卫星信号在许多方向上被阻挡的区域中发生时，基于GNSS的测量技术失败。已知进一步的系统，其中使用激光测距仪、方位角编码器和俯仰(elevation)角编码器确定物体的位置和取向。激光测距仪的激光束，或者可选地指针束(pointerbeam)，指向物体的中心并且对距离测量进行采样。光束的对齐由具有与激光束对齐并且对激光波长灵敏(sensitive)的视场的望远镜或照相机来提供便利。另外，对方位角和俯仰角进行采样。物体的位置和取向从距离以及方位角和俯仰角计算。然而，该系统是低效率的。因此，存在对于用于确定物体的姿势的改进的系统和方法的需要。
技术实现思路
公开确定物体相对于定义的参考坐标系(referenceframe)的位置和取向的系统和方法。多个目标被设置在相对于定义的参考坐标系的已知定位(location)处。头组件(headassembly)被设置在物体上，其中所述头组件包括多个照相机。所述头组件从与所述多个目标相关联的定位数据和来自所述多个照相机的图像数据确定所述物体的位置和取向。附图说明图1例示根据本专利技术的原理的位置和取向测量器械(POME)系统的三个实施例；图2例示本专利技术的POME头组件的实施例；图3示出POME头组件中的数据流；图4例示本专利技术的旋转附件(accessory)的实施例；图5例示本专利技术的勘测附件的实施例；图6例示本专利技术的主动(active)目标的实施例；图7例示POME系统的操作模式的方法的实施例；图8例示POME系统的勘测模式的方法的实施例；图9进一步例示包括勘测模式数据收集和自动化的勘测模式的方法；图10例示本专利技术的POME校准固定装置(fixture)的实施例；以及图11例示POME头组件校准的方法的实施例。具体实施方式本专利技术包括用于使用一组移动照相机以及一组安装的或者投影(project)的目标以使得能够以高精度和高更新速率进行物体的位置和取向测量的系统和方法。这些测量均能够在室内和室外进行并且可以在大量的应用中使用。可以在操作模式上通过应用的动力学，例如静态、准静态和动态对应用进行分类。另外，本专利技术包括新颖的技术，用于一组安装目标的快速和准确的勘测(勘测模式)以及用于POME头组件的内部和外部校准(校准模式)。最基本地，在实施例中，POME系统使用照相机测量到目标的角度。目标的定位在工作容积(workingvolume)的坐标系中是已知的。通过知道到目标的角度，角度的交叉(intersection)提供与照相机共置的物体的位置。因此，通过使用透镜模型、目标定位以及照相机组件几何结构(目标角度)，可以在工作空间中计算物体(位于POME头组件上)的姿势。如下面还将进一步讨论的，每个照相机目标图像提供x和y图像平面测量。为了最佳的姿势确定，最好是估计3个位置和3个取向未知量(unknown)。因此，使用最少三个目标来计算照相机姿势的六个未知量。在本专利技术的系统和方法中，一组目标提供在世界坐标系中的已知定位处并且那些目标的图像在摄影图像中提供。然后在世界坐标系中计算照相机的姿势。如上面所讨论的，可用的测量是图像中每个目标的x和y定位。如下面将进一步讨论的，计算将图像定位与特定的目标明确地相关联(配准(registration))。最终的计算可以考虑系统中由于例如测量精度、照相机透镜畸变等引起的误差。当考虑这些误差时，可以使用加权最小二乘估计以更准确地确定姿势，该加权最小二乘估计采用具有误差因子输入的误差模型。因此，如下面将进一步讨论的，在实施例中，获得物体的姿势的计算包括图像平面中目标图像定位的确定(质心确定)，哪个图像对应于哪个目标的识别(配准)，姿势的最小二乘确定，以及针对先验知识或者诸如MEM惯性传感器的另外传感器的可能过滤。下面将讨论系统的进一步细节，以及可替代的实施例。本专利技术的系统系统的移动部件包括以已知的几何结构附接到中心组件的一组广角照相机。该组件也可以包括其它仪器，诸如惯性或激光测距或者感光部件，以及电子设备、电池和用于实时姿势确定的计算硬件和软件。该组件是POME头组件。系统的基础结构部件包括一组安装的和/或投影的目标。目标可以是主动的(active)或被动的(passive)，或者投影的目标的组合，并且在相对于定义的参考坐标系的已知定位处附接到或者投影到内表面。工作容积的界限由三维区域定义，在三维区域中目标是可见的并且允许满足定义的精度规范的姿势确定。除了主动、被动和投影的目标之外，目标可以是例如房间或空间的物理特征。因此，目标将是房间或空间的自然特征并且将不需要附接到或者投影到内表面上。而且，因为目标是房间或空间的物理特征，所以物理特征的定位将是已知的或者是可以容易地确定的。作为示例，房间的天花板中的吸声瓦通常由支撑栅格(supportgrid)保持在适当位置。支撑各个瓦的栅格块的角可以是目标。不仅这些自然特征自身可以用作目标，而且它们也可以在验证其它类型的目标的定位中使用以及用于测量的相关性。系统的勘测部件包括旋转附件，该旋转附件与POME头组件一起工作以使得能够进行该组安装的和/或投影的目标的快速和准确的勘测。该勘测部件将在这里称作勘测附件。系统的校准部件包括旋转附件，该旋转附件与POME头组件一起工作以使得能够进行快速和准确的校准。校准涉及每个照相机和透镜的内部投影模型的估计(每个照相机内部校准)。另外，它涉及每个照相机和激光测距源相对于组件框架(frame)的取向和平移的估计(外部校准)。该组件将在这里称作校准固定装置。本专利技术的方法操作方法包括实时过程和算法，以从噪声、干扰和多路径中识别目标并且消除歧义(disambiguate)以及使用基于照相机的测量来估计组件框架的姿势。也可以使用来自微机电系统(MEM)和光电二极管的测量。它还使得能够对于组件框架姿势估计方差边界。勘测方法包括过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定物体相对于定义的参考坐标系的位置和取向的系统，包括：多个目标，该多个目标设置在相对于定义的参考坐标系的已知定位处；和头组件，该头组件设置在物体上，其中所述头组件包括多个照相机；其中所述物体的位置和取向可由头组件从与所述多个目标相关联的定位数据和来自所述多个照相机的图像数据确定。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.09 US 14/049,6071.一种确定物体相对于定义的参考坐标系的位置和取向的系
统，包括：
多个目标，该多个目标设置在相对于定义的参考坐标系的已知定
位处；和
头组件，该头组件设置在物体上，其中所述头组件包括多个照相
机；
其中所述物体的位置和取向可由头组件从与所述多个目标相关
联的定位数据和来自所述多个照相机的图像数据确定。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个目标是主动目标、
被动目标或者投影目标。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个目标是主动目标，
并且其中所述多个主动目标中的每一个以预定频率和工作周期或者
时间序列在开-关时间序列中进行调制。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述多个主动目标中的每
一个的功率或者工作周期或者时间序列可响应于无线通信信道上的
命令而动态地改变。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个目标的调制序列
是时间同步的。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述调制序列基于交流配
电网络的相位的感测。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述多个照相机与所述多

\t个目标是时间同步的。
8.根据权利要求1所述的系统，其中使用具有一组预定义的代
码的低频调制对所述多个目标进行调制。
9.根据权利要求2所述的系统，其中所述投影目标是已知配置
中的激光点或线。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述头组件包括多个光电
二极管，并且其中光电二极管感测来自所述多个目标中的至少一个的
信号。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述头组件包括惯性测量
传感器。
12.根据权利要求1所述的系统，其中与所述多个目标相关联的
定位数据从目标定位数据库获得，并且其中来自所述多个照相机的图
像数据是图像空间团块。
13.根据权利要求1所述的系统，其中来自所述多个照相机的图
像数据是由抽取过滤器处理的图像数据，并且其中经处理的图像数据
是一组感兴趣区域，其中每个感兴趣区域包含...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·Y·蒙哥马利，A·温特，T·克拉默，
申请(专利权)人：喜利得股份公司，
类型：发明
国别省市：列支敦士登;LI