本发明专利技术提供的是一种结合激光发射器的非线性ＣＣＤ三维定位装置及定位方法。在平面内标定非线性ＣＤＤ摄像机参数；调整好步进电动机、激光发射器与摄像机的相对位置关系，使之满足步进电动机轴与水平面成垂直关系，ＣＣＤ摄像机的光心与线激光发射器的发射点在垂直面上严格共面，激光发射器的发射光线形成的平面与水平面垂直；利用采集的图像信息，结合装置的三角形结构得到目标物的三维坐标。本发明专利技术采用激光发射器增加辅助的定位信息，弥补了单目视觉没有经过精确的计算导致定位精度不准确的缺点，避免了双目视觉中立体匹配困难的问题。步进电动机的引用，可以很方便地进行三角法中角度的测量，并且没有积累误差，提高了定位精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种基于单目视觉的三维定位装置。本专利技术也涉及一种基于单目视觉的三维定位方法。(二)
技术介绍
三维定位系统的定位方法，目前主要有机械定位法、超声波定位法、电磁定位法和光学定位法。而光学定位法是其中定位精度最高，使用最为方便的一种定位方法。光视觉定位技术又可分为单目视觉定位技术和双目视觉定位技术。例如1992年，《电子学报》第11期中的"3-D计算机视觉系统高精度摄像机定标算法-DLTEAII"中采用的是双目摄像机；2009年《计算机工程与设计》第30期中的"对三维激光扫描系统的研究和改进"同样是采用双目视觉，利用二维图像的融合来定位三维信息；中国专利申请号为200310113300.2、名称为"一种基于双目视觉和激光测距仪的主动实时三维测距系统"的专利文件中的技术方案，也为双目视觉的范畴。但是双目立体视觉定位技术中的立体匹配问题到现在都没有得到很好的解决。2006年《系统仿真学报》第18巻增刊1中的"机器人三维定位系统关键技术的研究"采用的是扫描匹配法，引入了倾角传感器；2004年4月清华大学理学博士论文《三维高精度光学定位技术及其临床应用》采用的是线性的CCD与激光测距仪的结合，由激光测距仪直接得到距离坐标，不需要自己计算；中国专利申请号为200510090494的专利申请文件、测量三维空间的数字摄像和激光系统及其应用中，直接采用激光测距仪，直接得到三维坐标，应用于较大范围的地貌探测。以上为单目视觉的应用，单目视觉定位技术结构简单，但算法还不够完善，定位精度有限。从实际应用的角度看，现在传统的单目视觉或者双目视觉定位技术尚未成熟，还有很长的路要走。传统的利用激光发射器或者雷达装置的三维定位方法，要得到目标物的深度信息， 一般利用光波或者声波在测距点与目标物体之间传播的时间来得到距离信息。而在短距离范围内，时间非常短，此方法不再适用。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种定位精确可靠、结构简单、操作方便的结合激光发射器的非线性CCD三维定位装置。本专利技术的目的还在于提供一种基于结合激光发射器的非线性CCD三维定位装置的定位方法。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术的结合激光发射器的非线性CCD三维定位装置包括CCD摄像机、线激光发射器、步进电动机及计算机，线激光发射器通过联轴器与步进电动机轴相连，步进电动机轴与水平面成垂直关系，CCD摄像机的光心与线激光发射器的发射点在垂直面上严格共面，激光发射器的发射光线形成的平面与水平面垂直、即发射光线与目标点的交线在垂直面上的投影是铅垂状态。计算机通过电平转换接口与步进电动机驱动器相连接，二者之间通过RS232通讯协议进行通讯。计算机发控制指令给步进电机驱动器，步进电机转动的步距角返回给计算机，实现电机与计算机之间的双向通讯。所述的线激光发射器与步进电动机安装于支架上，联轴器与支架之间设置有轴向定位轴承。基于本专利技术的结合激光发射器的非线性CCD三维定位装置的定位方法为1、 在平面内标定非线性CDD摄像机参数；2、 调整好步进电动机、激光发射器与摄像机的相对位置关系，使之满足步进电动机轴与水平面成垂直关系，CCD摄像机的光心与线激光发射器的发射点在垂直面上严格共面，激光发射器的发射光线形成的平面与水平面垂直、即发射光线与目标点的交线在垂直面上的投影是铅垂状态；3、 图像采集卡采集图像目标物，形成图像信息。利用己经标定好的摄像机参数计算得到目标物质心的二维图像平面内的坐标。结合激光发射器与摄像机以及目标质心点之间的三角形几何关系，计算得到目标物质心在摄像机坐标系的三维坐标。所述的利用图像信息得到目标物三维坐标的方法为1、 预处理采集到的图像信息，从背景当中提取目标物；2、 根据灰度重心法提取目标物的质心位置，即在图像平面内的像素坐标；3、 根据提前标定好的摄像机参数值计算质心像素坐标在摄像机坐标系下的物理坐标；4、 打开激光发射器，步进电动机驱动激光发射器转动，使图像中目标物质心位于激光条纹中心位置；5、 根据步进电动机的步距角及其驱动脉冲，结合初始夹角，得到线激光发射器发射光线在水平面内与横轴的夹角；6、 根据标定好的整个装置的结构参数，利用三角法测距原理计算得到目标物在摄像机坐标系下的三维坐标位置。本专利技术采用三角法激光测距原理，利用激光发射器与摄像机之间的位置关系，结合三角形中坐标的计算得到目标物体的深度信息，同时校正了摄像机的径向畸变问题。随着陆地不可再生资源的日益枯竭，人类把目光逐渐投向了蕴藏着丰富的生物和矿产资源的海洋世界，所以同时本专利技术亦针对水下特殊的工作环境，修正了水下三维定位时折射畸变的影响，提高了水下工作环境时的定位精度。本专利技术采用激光发射器增加辅助的定位信息，弥补了单目视觉没有经过精确的计算导致定位精度不准确的缺点，同时也避免了双目视觉中立体匹配困难的问题。步进电动机的引用，可以很方便地进行三角法中角度的测量，并且没有积累误差，提高了定位精度。本方法硬件结构简单，成本低，并且定位精度高。在不同的环境中进行了大量的实验，证实了此定位方法的有效性和准确性，为近距离的三维定位及导航提供了新方法，提高了定位精度，同时降低了应用成本，可以应用于工业、科技、国防、教育等领域中，例如可以基于此方法为机器人定位和导航以及检测焊缝的连续性等等，在国民经济发展和国防现代化方面都有着广泛的应用价值。(四) 附图说明图1是本专利技术的定位方法的流程框图2-a是本专利技术的定位装置的示意图2-b是图2-a的俯视图3是本三维定位结构位置关系的标定模板图4是标定本三维定位结构位置关系的示意图5是校正由水下折射引起图像失真的示意图6是三角法测距原理图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述结合图2-a和图2-b，其中l为联轴器，2为激光发射器，3为CCD摄像机。本专利技术的结构装置需要满足以下几点要求1) 保证CCD摄像机3光心与线激光发射器2发射点在垂直面上严格共面；2) 电动机轴与水平面成垂直关系；3) 保持线激光发射器的发射光线形成的平面与水平面垂直，即发射光线与目标点的交线在垂直面上的投影是铅垂状态；4) CCD摄像机镜头的方向为垂直纸面向里；5) 步进电动机轴不能承受很大的轴向力，所以为了保证步进电机轴带动激光发射器转动的过程中发射光线保持与水平面成垂直状态，需对步进电动机输出轴进行轴向定位，利用定位轴承使得与激光发射器连接在一起的联轴器(l)在转动时始终与水平面保持垂直。本专利技术在实践当中更具体的应用过程分为两部分进行描述，第一部分为通用的陆地上三维定位系统装置的应用，如下所述1) 利用摄像机采集图像前最重要的是需要标定摄像机的参数。在本专利技术中，考虑到摄像机的镜头的径向畸变，采用平移正交运动的方法来标定摄像机参数。避免空间两两正交平移运动实施性难的问题，本专利技术中摄像机做四组平面运动，每组运动包括相互垂直的两个运动向量，共得到八个向量，任意两个向量不平行。根据正交关系和传统的摄像机成像针孔模型，四元二次方程组，可以很方便的得到摄像机的内部参数。2) 定位系统装置示意图见附图2所示(此图中硬件设备为简单的位置示意图，并且没有考虑摄像机镜头的畸变以及水下环境时折射的影响)。在进行有关工作之前，首先需要进行激光发射器的校准和激光条纹提取。在激光发本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种结合激光发射器的非线性ＣＣＤ三维定位装置，包括ＣＣＤ摄像机、线激光发射器、步进电动机及计算机，其特征是：线激光发射器通过联轴器与步进电动机轴相连，步进电动机轴与水平面成垂直关系，ＣＣＤ摄像机的光心与线激光发射器的发射点在垂直面上严格共面，激光发射器的发射光线形成的平面与水平面垂直、即发射光线与目标点的交线在垂直面上的投影是铅垂状态，计算机通过电平转换接口与步进电动机驱动器相连接，二者之间通过ＲＳ２３２通讯协议进行通讯，计算机发控制指令给步进电机驱动器，步进电机转动的步距角返回给计算机，实现电机与计算机之间的双向通讯。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张铭钧，张丽，徐建安，王玉甲，赵文德，历妍，杨杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
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