三维空间中标记方向和位置检测的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术描述了一种用至少一个标记布置(2、7)检测三维空间中标记(21)的方向和位置的可能性，其中，提供了标记布置(2、7)，其包括至少两个标记单元(11、12)，标记单元的照明装置(20)沿路径(13)布置，其中，每个标记单元(11、21)具有至少三个照明装置(20)，并且照明装置(20)形成为标记(21)和/或通信元件(22)，提供了至少一个光学图像捕获单元(3)，其适于记录标记布置(2、7)的图像(90)，并且提供了评估单元(4)，其适于从其中一个光学图像捕获单元(3)的恰好一个图像(90)精确地确定标记布置(2、7)的方向和位置。提供具有至少三个标记(21)的第一标记单元类型(11)以及具有正好两个标记(21)和至少一个通信元件(22)的至少一个第二标记单元类型(12)。评估单元(4)设置为识别标记单元(11、12)，并利用识别的标记(21)明确地确定标记布置(2、7)的方向和位置。7)的方向和位置。7)的方向和位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】三维空间中标记方向和位置检测的装置和方法


[0001]描述了三维空间中标记的方向和位置检测的装置。因此，在标记的方向和位置检测的过程中，标记在空间中相对于限定的空间坐标系的方向和位置被确定。本专利技术还涉及一种用所述装置以及计算机程序产品进行方向和位置检测的方法。

技术介绍

[0002]所提出的装置具有至少一个标记布置，该标记布置特别地可以固定到物体上。因此，通过确定标记布置上标记的方向和位置，然后还可以计算出物体的方向。标记布置包括至少两个标记单元，每个标记单元都具有沿路径(在直的、非弯曲路径的意义上)布置的光学活性照明装置。优选的是，一个或每个标记单元的照明装置正好沿着一条直线路径布置，而标记单元以非共线方式布置。每个标记单元具有至少三个照明装置，它们设计为标记和/或通信元件。
[0003]另外，标记和通信元件总是分别是光学活性元件，但是它们至少在功能上有所不同，这一点将在后面描述。在本文中，术语“照明装置(Leuchtmittel)”也总是理解为指光学活性元件，即打开的或反射光线的照明元件(Leuchtmitteleinrichtung)。存在于标记单元上但未开启或未反射光线的照明元件不被视为(光学活性)照明装置，即不被视为标记或通信元件。这意味着在运行中的标记单元布置有一定数量的运行中的照明装置，这些照明装置可以由光学图像捕获单元可靠地检测到。根据一个优选的实施方案，这些是发光装置，如LED，可以打开或关闭，因此是光学活性的。然而，原则上，在照明装置的意义上，非覆盖的光反射表面也可以是光学活性的。因此，适于在装置中使用的标记单元配置为，在标记单元的工作过程中，例如，因为照明装置的反射面没有被覆盖，适于此目的的照明装置被激活并发出光或反射落在其上的光。
[0004]其他在工作过程中不开启(即在工作过程中关闭)或不反射(例如由于有盖)的照明元件，不被视为照明装置。这并不排除在标记单元不工作并且该装置不用于位置检测时，关闭所有例如电动照明装置(即暂时不供电)。
[0005]该装置还具有至少一个光学图像捕获单元和评估单元，该光学图像捕获单元设置为捕获标记布置的图像，例如以数码相机的形式捕获，以及该评估单元适于从光学图像捕获单元之一的一个精确图像中明确地确定标记和/或通信元件在标记布置上的方向和位置。为此，评估单元获悉标记单元上的照明装置(标记或通信元件)的位置以及标记布置上带有标记/通信元件的标记单元的位置。根据一个优选的实施方案，可以规定，评估单元设置为从标记中确定唯一的方向和位置。
[0006]根据一个优选的、基本已知的实施方案，每个标记单元可以形成可以开启和关闭的LED(发光二极管)照明装置，该照明装置优选是由几个(至少三个)LED组成的线性阵列，这些LED在开启时发出优选在光学可见或非可见的波长范围内的光波。一个特别优选的实施例提供了红外LED。优选的是，这些LED可以以确定的距离布置在电路板上，例如，布置成LED以等距离布置的LED路径阵列，或者布置成LED以预定的距离排列在特定的位置(如果需
要，单独固定在电路板上)。
[0007](仅)根据本专利技术，在直线路径上的任何标记和/或通信元件的布置都视为标记单元；因此，不在这种路径上的标记和/或通信元件并不构成根据本专利技术的标记单元。如果只有光学活性的照明装置的投影位于连接其他两个光学活性的照明装置的路径上，但光学活性的照明装置布置在另一个平面上，那么这个光学活性的照明装置不位于本专利技术意义上的连接其他两个照明装置的路径上。
[0008]标记单元可以布置在它自己的(单独的)外壳中，这样，几个单独的外壳共同构成标记布置。然而，根据本专利技术，几个标记单元(例如两个或三个标记单元)也可以在一个共同的外壳内以确定的布置方式相互组合，从而形成根据本专利技术的标记布置。
[0009]系统和方法可从公开EP 1813911 A1、US 2005/0201613 A1、EP 1498688 B1、WO 2004/114112A1、US 2008/0111985 A1、WO 2006/069748 A1、US 5227985 A、US 7742895B2和DE 102014012693 B4中得知，这些公开可以通过捕捉固定在物体上的标记布置来确定物体在空间的方向和位置。为此，在标记布置上以固定的几何布置方式提供光学可见的标记。许多不同的布置都有可能用于评估。大多数所提出的布置都设置了至少四个标记，其中至少有三个标记跨越一个平面，且至少有一个标记位于这个平面之外。布置在一个平面内的至少三个标记可以位于跨越该平面的至少两条不平行的直线上。这样的标记布置能够从标记布置的单一捕获的二维图像中可靠地确定标记布置在空间中的方向和位置，其中二维图像是通过光学图像捕获单元(例如照相机，特别是数码相机)捕获的。
[0010]DE 102014012693 B4描述了一种运行可靠但复杂的系统和方法。位置和方向的确定是基于一个具有至少七个标记的标记布置的单一二维图像，该标记布置附接到物体上。该系统还包括图像捕获单元和评估单元，该图像捕获单元用于获取物体或布置在物体上的标记布置的二维图像，以及该评估单元用于根据采集的图像明确地确定物体的方向和位置。标记布置的七个标记彼此之间处于固定的空间关系，其中的六个标记形成一个平面，而第七个标记则布置在该平面之外或与该平面有一定距离。对这六个标记进行分组，使得这六个标记分别位于两条不同的以90
°
的角度相交的直线上。第一直线包括至少四个标记，而第二直线包括至少两个另外的标记。在该平面的俯视图中，第七个平面外的标记也位于这条第一直线上，具体地，位于第二直线的远离第一直线上的至少两个标记的一侧。这对于明确分配图像标记，即图像中描绘的标记，从而重建标记在空间中的方向和位置是非常重要的。在评估过程中，为可能的分配计算了几个单应矩阵(homographies)。从这些单应矩阵中，在每种情况中都重建了一个位置测定。在此基础上，计算出所有图像标记的平均重投影误差(与标记布置上标记的已知实际布置相比)，以确定每个位置。误差最小的单应矩阵是正确的，并被用于确定唯一的位置。
[0011]这种评估在实践中产生了良好的结果，但在图像评估和系统的计算能力方面成本很高，特别是由于需要计算一个以上的单应矩阵，并且每次都需要应用麦夸特法(Levenberg
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Marquardt)求解器来估计方向。此外，还计算了共面标记和非共面标记的复制误差，并将匹配的最小值用于评估方向。这种复杂的计算，特别是对大量标记的考虑，导致了快速移动物体的实时跟踪问题，因为实际使用的系统的计算能力是不够的，特别是如果在系统中不仅监测一个标记布置，而是多个标记布置，甚至这些标记可能在一个图像中的情况下。
[0012]理论上，每个标记布置可以通过不同的标签与图像中捕获的其他标记布置区分开来。然而，如果这些标记(例如以粘贴标签的形式)在图像中不完全可见，那么在追踪移动物体时，对图像中标记布置的周围环境的评估经常会导致模糊不清。原则上，也可以想象到以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在三维空间中检测标记(21)的方向和位置的装置，其具有
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至少一个标记布置(2、7)，所述标记布置(2、7)包括至少两个标记单元(11、12)，其中照明装置(20)沿路径(13)布置，每个标记单元(11、21)具有至少三个照明装置(20)，照明装置(20)设计成标记(21)和/或通信元件(22)，
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至少一个光学图像捕获单元(3)，其适于捕获标记布置(2、7)的图像(90)，以及
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评估单元(4)，其适于从其中一个光学图像捕获单元(3)所得的恰好一个图像(90)中准确地确定标记布置(2、7)的方向和位置，其特征在于
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至少一个标记单元(11)属于具有至少三个标记(21)的第一标记单元类型，
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至少一个另外的标记单元(12)属于第二标记单元类型，所述第二标记单元类型正好具有两个标记(21)和至少一个通信元件(22)，至少通信元件(22)布置在两个标记(21)之间，
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第一标记单元类型的至少一个标记单元(11)和第二标记单元类型的至少一个标记单元(12)以非共面方式布置，
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评估单元(4)适于识别第一标记单元类型和第二标记单元类型的标记单元(11、12)，并利用第一标记单元类型和第二标记单元类型的识别出的标记单元(11、12)的标记(21)明确地确定标记布置(2、7)的方向和位置。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，标记布置(2、7)包括两个第一标记单元类型的标记单元(11)和一个第二标记单元类型的标记单元(12)。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，第二标记单元类型的标记单元(12)布置在两个第一标记单元类型的标记单元(11)所跨越的平面之外。4.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其特征在于，标记布置(2、7)的标记单元(11、12)的照明装置(20)的直线路径(13)相互平行布置。5.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其特征在于，在标记布置(2、7)中，一个第一标记单元类型的标记单元(12)总是与一个第二标记单元类型的标记单元(12)相邻布置。6.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其特征在于，几个标记布置(2)组合成共同的结构，在所述共同的结构中，各个标记布置(2)以确定的方式相对于彼此布置，并形成多标记布置(5)，其中所述共同的结构的外部轮廓形成凸体。7.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其特征在于，所述评估单元(4)适于执行根据权利要求8至15之一所述的方法。8.一种用于在三维空间中检测标记(21)的方向和位置的方法，所述方法特别是使用根据权利要求1至7中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
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捕获至少一个标记布置(2、7)的图像(90)，所述标记布置(2、7)包括至少一个第一标记单元类型的标记单元(11)和至少一个第二标记单元类型的标记单元(12)，每个标记单元包括至少三个沿路径(13)布置的照明装置(20)；
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【专利技术属性】
技术研发人员：L，
申请(专利权)人：软件二技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：