一种基于动态双目视觉的海洋柱桩姿态检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于动态双目视觉的海洋柱桩姿态检测方法，包括以下步骤：双目相机内参标定；第一相机坐标系与双轴倾角传感器坐标系标定；第一相机坐标系与世界坐标系静态标定；双目相机外参标定；第一相机和第二相机坐标系与世界坐标系的动态标定；第一相机和第二相机拍摄的海洋柱桩轴线方程提取：使用所拍摄海洋柱桩的图像，提取每张图像海洋柱桩两端的直线，将两条直线拟合成为一条直线，获取到相机像素坐标系海洋柱桩轴线的斜率与截距；海洋柱桩轴线分别与第一相机和第二相机的焦点形成平面方程的求取；海洋柱桩姿态信息的计算。海洋柱桩姿态信息的计算。海洋柱桩姿态信息的计算。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态双目视觉的海洋柱桩姿态检测方法


[0001]本专利技术涉及机器视觉
，具体是一种基于动态双目视觉的海洋柱桩姿态检测方法。

技术介绍

[0002]海上风力资源丰富，风速较陆地更高且更稳定。海洋环境中的开阔水域为风力发电机组的安装提供了更好的条件，使其能够利用更强劲、持续的海风，从而实现大规模的风力发电。海洋柱桩是通过固定在海床上，为风力发电机组安全地运行提供稳定的支撑结构，并有效减少由于海洋环境变化而引起机械应力和振动的影响。准确检测海洋柱桩的姿态可以发现结构问题和潜在的结构破坏风险，采取相应的维修和加固措施，确保海洋结构物的安全性和可靠性。因此，海洋柱桩的姿态检测成为海洋风电工程的重点。
[0003]目前，海洋柱桩安装的测量方式主要依赖传统的人工安装倾角传感器，这存在着测量人员和设备落海的风险。非接触式的测量方法，如激光雷达等，容易受到天气变化的影响。由于海浪的干扰，传统的静态双目视觉测量方法无法满足测量条件的要求。
[0004]综上，针对当前测量方式效率低、自动化程度不高、人员劳动强度大等问题，提出了一种基于动态双目视觉的海洋柱桩姿态检测方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于动态双目视觉的海洋柱桩姿态检测方法。通过将传统的双目视觉与双轴倾角传感器有机结合，实现了对海洋柱桩姿态的准确检测，使得在海浪的动态冲击下仍能可靠运作。相比传统双目视觉需要张贴特征标志物的方法，该技术无需对海洋柱桩进行特殊处理，通过选取海洋柱桩特征线提取轴线，得到海洋柱桩与标准竖直轴之间的夹角，实现对于海洋柱桩的姿态检测。该方法确保了测量精度的情况下，提升了工作人员的安全性。技术方案如下：
[0006]一种基于动态双目视觉的海洋柱桩姿态检测方法，其技术方案包括以下步骤：
[0007]步骤(1)，双目相机内参标定：在标定场中，使用张正友棋盘格标定法，获得第一相机和第二相机的内参数与畸变系数；
[0008]步骤(2)，第一相机坐标系与双轴倾角传感器坐标系标定：在标定场中，将双轴倾角传感器与第一相机的位置进行固定；使用全站仪和第一相机分别提取公共视野中靶标的三维信息与像素信息，进行多次PnP标定，并记录下每次标定过程双轴倾角传感器角度输出；设双轴倾角传感器的X轴和Y轴输出角度为α
i
、β
i
，存在标准水平面X
L
OY
L
；设标准水平面X
L
OY
L
围绕X
L
轴旋转ω
i
，然后围绕Y
L
轴旋转角度得到与当前双轴倾角坐标系平行的平面，令围绕Y
L
轴旋转角度与双轴倾角传感器的X轴输出角度α
i
相等，得到如下角度转换关系：
[0009][0010]基于上述角度转换关系，求解双轴倾角坐标系到第一相机坐标系的旋转矩阵R
sc
；
[0011]步骤(3)，第一相机坐标系与世界坐标系静态标定：使船体与标准地面相对静止，将已经标定好位置关系的第一相机与双轴倾角传感器稳定地安装到船体上，并且在合适的位置安装好第二相机；建立世界坐标系OX
W
Y
W
Z
W
，世界坐标系的OZ
W
轴始终与标准水平面垂直且竖直向上，OX
W
轴与两个相机中心的连线在标准水平面上的投影平行，OZ
W
轴向量与OX
W
轴向量进行叉乘的方向即为OY
W
轴方向；
[0012]使用全站仪与第一相机分别提取公共视野靶标的三维点和像素点，以PnP标定的方式，计算出世界坐标系到第一相机坐标系之间的初始旋转矩阵、平移矩阵，记为R
wl_0
、T
wl_0
，并且记录下此时双轴倾角传感器的角度X轴与Y轴的角度输出α0、β0，作为双轴倾角传感器的初始角度输出；根据步骤(2)角度转换关系，得到ω0、
[0013]步骤(4)，双目相机外参标定：使船体静止，在双目相机的公共视野之中拍摄多张靶标图像，求解出第一相机坐标系到第二相机坐标系的旋转矩阵R和平移矩阵T；
[0014]步骤(5)，第一相机和第二相机坐标系与世界坐标系的动态标定：调整船体平台的位置，将船体平台靠近海洋柱桩；对于每一次的双目相机拍摄，同时记录双轴倾角传感器角度输出，设i为双目相机的第i次拍摄，双轴倾角传感器的X轴和Y轴角度输出为α
i
、β
i
，i＞0，根据步骤(2)角度转换关系可得ω
i
、i＞0；结合步骤(3)中获得的初始角度输出求取的ω0、得到世界坐标系到第一相机坐标系的旋转矩阵R
wl_i
、平移矩阵T
wl_i
，i＞0；再由步骤(4)获取的第一相机坐标系到第二相机坐标系的旋转矩阵R、平移矩阵T，可得世界坐标系到第二相机坐标系的旋转矩阵R
wr_i
、平移矩阵T
wr_i
，i＞0；
[0015]步骤(6)，第一相机和第二相机拍摄的海洋柱桩轴线方程提取：使用步骤(5)中第一相机和第二相机拍摄海洋柱桩的图像，提取每张图像海洋柱桩两端的直线，将两条直线拟合成为一条直线，获取到相机像素坐标系海洋柱桩轴线的斜率与截距；
[0016]步骤(7)，海洋柱桩轴线分别与第一相机和第二相机的焦点形成平面方程的求取：使用步骤(6)获取的每个相机像素坐标系下海洋柱桩轴线斜率与截距，结合步骤(1)相机的内参数与步骤(5)世界坐标系到第一相机和第二相机坐标系的旋转矩阵、平移矩阵，求取在世界坐标系中海洋柱桩轴线与每个相机焦点形成平面方程；
[0017]步骤(8)，海洋柱桩姿态信息的计算：根据步骤(7)求解出的海洋柱桩的轴线方程，将海洋柱桩轴线分别与第一相机和第二相机的焦点构成平面的法向量进行叉乘，获得海洋柱桩轴线l在世界坐标系之中的向量；由轴线向量l获得轴线在世界坐标系之中的姿态。
[0018]进一步地，步骤(2)中，求解双轴倾角坐标系到第一相机坐标系的旋转矩阵R
sc
方法如下：
[0019]设双轴倾角传感器的X轴和Y轴输出角度为α
i
、β
i
，存在标准水平面X
L
OY
L
；设标准水平面X
L
OY
L
围绕X
L
轴旋转ω
i
，然后围绕Y
L
轴旋转角度得到与当前双轴倾角坐标系平行的平面，令围绕Y
L
轴旋转角度与双轴倾角传感器的X轴输出角度α
i
相等，得到如下角度转换关系：
[0020][0021]设全站仪坐标系到第一相机坐标系的旋转矩阵为R
qc_i
，双轴倾角传感器坐标系到第一相机坐标系的旋转矩阵为R
sc...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态双目视觉的海洋柱桩姿态检测方法，其技术方案包括以下步骤：步骤(1)，双目相机内参标定：在标定场中，使用张正友棋盘格标定法，获得第一相机和第二相机的内参数与畸变系数；步骤(2)，第一相机坐标系与双轴倾角传感器坐标系标定：在标定场中，将双轴倾角传感器与第一相机的位置进行固定；使用全站仪和第一相机分别提取公共视野中靶标的三维信息与像素信息，进行多次PnP标定，并记录下每次标定过程双轴倾角传感器角度输出；设双轴倾角传感器的X轴和Y轴输出角度为α
i
、β
i
，存在标准水平面X
L
OY
L
；设标准水平面X
L
OY
L
围绕X
L
轴旋转ω
i
，然后围绕Y
L
轴旋转角度得到与当前双轴倾角坐标系平行的平面，令围绕Y
L
轴旋转角度与双轴倾角传感器的X轴输出角度α
i
相等，得到如下角度转换关系：基于上述角度转换关系，求解双轴倾角坐标系到第一相机坐标系的旋转矩阵R
sc
；步骤(3)，第一相机坐标系与世界坐标系静态标定：使船体与标准地面相对静止，将已经标定好位置关系的第一相机与双轴倾角传感器稳定地安装到船体上，并且在合适的位置安装好第二相机；建立世界坐标系OX
W
Y
W
Z
W
，世界坐标系的OZ
W
轴始终与标准水平面垂直且竖直向上，OX
W
轴与两个相机中心的连线在标准水平面上的投影平行，OZ
W
轴向量与OX
W
轴向量进行叉乘的方向即为OY
W
轴方向；使用全站仪与第一相机分别提取公共视野靶标的三维点和像素点，以PnP标定的方式，计算出世界坐标系到第一相机坐标系之间的初始旋转矩阵、平移矩阵，记为R
wl_0
、T
wl_0
，并且记录下此时双轴倾角传感器的角度X轴与Y轴的角度输出α0、β0，作为双轴倾角传感器的初始角度输出；根据步骤(2)角度转换关系，得到ω0、步骤(4)，双目相机外参标定：使船体静止，在双目相机的公共视野之中拍摄多张靶标图像，求解出第一相机坐标系到第二相机坐标系的旋转矩阵R和平移矩阵T；步骤(5)，第一相机和第二相机坐标系与世界坐标系的动态标定：调整船体平台的位置，将船体平台靠近海洋柱桩；对于每一次的双目相机拍摄，同时记录双轴倾角传感器角度输出，设i为双目相机的第i次拍摄，双轴倾角传感器的X轴和Y轴角度输出为α
i
、β
i
，i＞0，根据步骤(2)角度转换关系可得ω
i
、i＞0；结合步骤(3)中获得的初始角度输出求取的ω0、得到世界坐标系到第一相机坐标系的旋转矩阵R
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、平移矩阵T
wl_i
，i＞0；再由步骤(4)获取的第一相机坐标系到第二相机坐标系的旋转矩阵R、平移矩阵T，可得世界坐标系到第二相机坐标系的旋转矩阵R
wr_i
、平移矩阵T
wr_i
，i＞0；步骤(6)，第一相机和第二相机拍摄的海洋柱桩轴线方程提取：使用步骤(5)中第一相机和第二相机拍摄海洋柱桩的图像，提取每张图像海洋柱桩两端的直线，将两条直线拟合成为一条直线，获取到相机像素坐标系海洋柱桩轴线的斜率与截距；步骤(7)，海洋柱桩轴线分别与第一相机和第二相机的焦点形成平面方程的求取：使用步骤(6)获取的每个相机像素坐标系下海洋柱桩轴线斜率与截距，结合步骤(1)相机的内参数与步骤(5)世界坐标系到第一相机和第二相机坐标系的旋转矩阵、平移矩阵，求取在世界坐标系中海洋柱桩轴线与每个相机焦点形成平面方程；
步骤(8)，海洋柱桩姿态信息的计算：根据步骤(7)求解出的海洋柱桩的轴线方程，将海洋柱桩轴线分别与第一相机和第二相机的焦点构成平面的法向量进行叉乘，获得海洋柱桩轴线l在世界坐标系之中的向量；由轴线向量l获得轴线在世界坐标系之中的姿态。2.根据权利要求1所述的海洋柱桩姿态检测方法，其特征在于，步骤(2)中，求解双轴倾角坐标系到第一相机坐标系的旋转矩阵R
sc
方法如下：设双轴倾角传感器的X轴和Y轴输出角度为α
i
、β
i
，存在标准水平面X
L
OY
L
；设标准水平面X
L
OY
L
围绕X
L
轴旋转ω
i
，然后围绕Y
L
轴旋转角度得到与当前双轴倾角坐标系平行的平面，令围绕Y
L
轴旋转角度与双轴倾角...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨硕，李杏华，马鹏飞，隋海琛，黄银国，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：