广角和微距多相机标定系统的制作方法

1.本发明涉及广角和微距多相机标定系统技术领域，具体为广角和微距多相机标定系统。


背景技术：

2.随着算法和视觉系统技术的不断发展，各种自动化的设备层出不穷，而在自动化设备中，往往需要相机进行视觉定位，而不同的相机的视野及精度各部相同，所以在实际操作的过程中，有很多可以优化的地方。
3.现有技术中，因为在自动化设备中，往往需要相机进行视觉定位，有时可能需要多个相机进行协同工作，所以当相机的视场角差距特别大的时候，标定两个相机的外参变得困难。
4.为了解决所以当相机的视场角差距特别大的时候，标定两个相机的外参变得困难的问题，现有技术大部分采用的方法是，标定两个相机的方法，快速准确进行标定，但是如果用传统的双目标定方法很难让两个相机观测到相同的图卡，也就没有办法进行标定。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.本发明的目的在于提供广角和微距多相机标定系统，以解决上述背景技术中在自动化设备中，往往需要相机进行视觉定位，有时可能需要多个相机进行协同工作，所以当相机的视场角差距特别大的时候，标定两个相机的外参变得困难的问题。
7.(二)技术方案
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：广角和微距多相机标定系统，包括主体机构、标定机构和散热机构，所述标定机构位于主体机构的上端，所述散热机构位于主体机构的内部，所述主体机构包括机体、底座、支撑架、万向轮、机盖和排气窗，所述底座固定安装在机体的下端，所述支撑架固定安装在底座的下端，所述万向轮固定安装在支撑架的下端，所述机盖活动安装在机体的前端，所述排气窗固定设置在机体的左端，所述标定机构包括电机、旋转轴和滚珠丝杠，所述电机固定安装在机体的上端，所述旋转轴活动安装在电机的右端，所述滚珠丝杠活动安装在旋转轴的右端。
9.优选的，所述标定机构还包括定位螺母、电动推杆一、电动推杆二、大视野相机一、马达一、丝杆、滚珠螺母、电动推杆三、电动推杆四、小视野相机二、骨钉一和骨钉盘二，所述定位螺母活动安装在滚珠丝杠的外端，电机启动，驱动旋转轴转动，旋转轴转动带动滚珠丝杠转动，使大视野相机一左右移动。
10.优选的，所述电动推杆一活动安装在电动推杆一的上端，所述电动推杆二活动安装在电动推杆一的前端，所述大视野相机一固定安装在电动推杆二的下端，采用张正友标定法标定大视野相机一的内参，运用前述的方法标定大视野相机一和标定图卡的外参。
11.优选的，所述马达一固定安装在机体的上端，所述丝杆活动安装在马达一的后端，
所述滚珠螺母活动安装在丝杆的外端，马达一驱动丝杆转动，使滚珠螺母沿着丝杆左右移动，带动小视野相机二左右移动。
12.优选的，所述电动推杆三活动安装在滚珠螺母的上端，所述电动推杆四活动安装在电动推杆三的左端，所述骨钉一活动安装在机体的上端，所述骨钉盘二固定安装在机体的上端，运用前述的方法标定小视野相机二和标定图卡的外参，通过图卡本身的几何参数算出大视野相机一和小视野相机二的相对外参。
13.优选的，所述散热机构包括限位块、马达二、转动杆和风扇，所述限位块固定安装在机体的内端，限位块的安装主要是用于固定马达二、转动杆和风扇，有效地提升了系统的稳定性。
14.优选的，所述马达二固定安装在限位块的左端，所述转动杆活动安装在马达二的左端，所述风扇活动安装在转动杆的左端，马达二启动，驱动转动杆转动，转动杆转动带动风扇转动，产生风对设备进行散热。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.1、该广角和微距多相机标定系统，通过对于标定机构的安装，大视野相机一和小视野相机二的固定安装，采用了张正友标定法标定大视野相机一的内参，运用前述的方法标定大视野相机一和标定图卡的外参，运用前述的方法标定小视野相机二和标定图卡的外参，通过图卡本身的几何参数算出大视野相机一和小视野相机二的相对外参,本专利解决了大小视野相机的标定问题，原有的双相机标定方法不能拓展到大视野和小视野(微小视野)系统,有效地提升了系统的实用性；
17.2、该广角和微距多相机标定系统，通过对于主体机构的安装，通过底座和支撑架的固定连接，利用支撑架支撑设备的重量，增加了系统的稳定性，通过支撑架和万向轮的固定连接，实现了设备的灵活移动，有效地提升了系统的灵活性；
18.3、该广角和微距多相机标定系统，通过对于散热机构的安装，通过转动杆和风扇的活动连接，马达二启动，驱动转动杆转动，转动杆转动带动风扇转动，产生风对设备进行散热。
附图说明
19.图1为本发明相机系统的外参结构示意图；
20.图2为本发明骨钉观测识别系统结构示意图；
21.图3为本发明相机1观测到的视野图像结构示意图；
22.图4为本发明相机2观测到的视野图像结构示意图；
23.图5为本发明棋盘格标定双目系统结构示意图；
24.图6为本发明流程结构示意图；
25.图7为本发明双相机系统和标定图卡结构结构示意图；
26.图8为本发明角点顺序结构示意图；
27.图9为本发明角点的像素坐标结构示意图；
28.图10为本发明标定小视野相机的图样部分结构示意图；
29.图11为本发明立体结构示意图；
30.图12为本发明流程结构示意图；
31.图13为本发明散热结构示意图；
32.图14为本发明立体结构示意图；
33.图15为本发明驱动结构示意图；
34.图16为本发明标定结构示意图。
35.图中：1、主体机构；101、机体；102、底座；103、支撑架；104、万向轮；105、机盖；106、排气窗；2、标定机构；201、电机；202、旋转轴；203、滚珠丝杠；204、定位螺母；205、电动推杆一；206、电动推杆二；207、大视野相机一；208、马达一；209、丝杆；210、滚珠螺母；211、电动推杆三；212、电动推杆四；213、小视野相机二；214、骨钉一；215、骨钉盘二；3、散热机构；301、限位块；302、马达二；303、转动杆；304、风扇。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.请参阅图1-图6，本发明提供一种技术方案：广角和微距多相机标定系统，包括主体机构1、标定机构2和散热机构3，标定机构2位于主体机构1的上端，散热机构3位于主体机构1的内部，主体机构1包括机体101、底座102、支撑架103、万向轮104、机盖105和排气窗106，底座102固定安装在机体101的下端，支撑架103固定安装在底座102的下端，万向轮104固定安装在支撑架103的下端，机盖105活动安装在机体101的前端，排气窗106固定设置在机体101的左端，标定机构2包括电机201、旋转轴202和滚珠丝杠203，电机201固定安装在机体101的上端，旋转轴202活动安装在电机201的右端，滚珠丝杠203活动安装在旋转轴202的右端。
38.标定机构2还包括定位螺母204、电动推杆一205、电动推杆二206、大视野相机一207、马达一208、丝杆209、滚珠螺母210、电动推杆三211、电动推杆四212、小视野相机二213、骨钉一214和骨钉盘二215，定位螺母204活动安装在滚珠丝杠203的外端，电动推杆一205活动安装在电动推杆一205的上端，电动推杆二206活动安装在电动推杆一205的前端，大视野相机一207固定安装在电动推杆二206的下端，马达一208固定安装在机体101的上端，丝杆209活动安装在马达一208的后端，滚珠螺母210活动安装在丝杆209的外端，电动推杆三211活动安装在滚珠螺母210的上端，电动推杆四212活动安装在电动推杆三211的左端，骨钉一214活动安装在机体101的上端，骨钉盘二215固定安装在机体101的上端，在使用广角和微距多相机标定系统时，采用了张正友标定法标定大视野相机一207的内参，运用前述的方法标定大视野相机一207和标定图卡的外参，运用前述的方法标定小视野相机二213和标定图卡的外参，通过图卡本身的几何参数算出大视野相机一207和小视野相机二213的相对外参。
39.散热机构3包括限位块301、马达二302、转动杆303和风扇304，限位块301固定安装在机体101的内端，马达二302固定安装在限位块301的左端，转动杆303活动安装在马达二302的左端，风扇304活动安装在转动杆303的左端，马达二302启动，驱动转动杆303转动，转动杆303转动带动风扇304转动，产生风对设备进行散热。
40.工作原理：在使用广角和微距多相机标定系统时，采用了张正友标定法标定大视野相机一207的内参，运用前述的方法标定大视野相机一207和标定图卡的外参，运用前述的方法标定小视野相机二213和标定图卡的外参，通过图卡本身的几何参数算出大视野相机一207和小视野相机二213的相对外参，马达二302启动，驱动转动杆303转动，转动杆303转动带动风扇304转动，产生风对设备进行散热,本专利提出了一种方法可以在以下的系统中，标定两个相机系统的外参,以上系统中两个相机的视场角和观测的视野差距非常大，相机1的观测视野大于水平30cm，相机2的观察视野只有水平1cm左右。如果用传统的双目标定方法很难让两个相机观测到相同的图卡，也就没有办法进行标定,如图1所示，相机一视角约大于40度，相机一观察视角大于30cm，相机二视角约5度，相机二视角1cm左右以上系统中两个相机的视场角和观测的视野差距非常大，相机1的观测视野大于水平30cm，相机2的观察视野只有水平1cm左右。如果用传统的双目标定方法很难让两个相机观测到相同的图卡，也就没有办法进行标定，系统中相机1是进行大范围定位的相机，观测的视野较大，相机2是进行精细观测的相机，视野较小，典型的应用如以下的骨钉观测识别系统，如图2所示，相机1观测到的视野图像如图3所示，相机2观测到的视野图像如图4所示，本发明提出一种新的标定这两个相机的方法，可以快速准确进行标定，现有的标定系统如下：采用棋盘格标定双目系统，要求两个相机都可以完整看到棋盘格中的角点，标定的步骤可以参考opencv中的双目标定，如图5所示，当两个相机的视野差距太大时，两个相机很难同时看全整张棋盘格。如上述系统，相机2的视野只能观测到水平1cm的范围，从而没有办法进行标定，本发明可以在两个相机各自只采集一张图片的情况下，进行准确的标定，本专利的发明点可概括为：本发明专利包含本专利设计的标定图卡和配套的标定算法，标定图卡包含两部分内容。标定大视野相机的图样部分和标定小视野相机的图样部分，这两部分的图卡制作在同一个平面上，它们的先对位置始终保存不变，本发明包含的方法如下述流程描述如图6所示，流程中内容解释如下：步骤1固定双相机系统和标定图卡，
41.如图7所示，标定大视野相机的内参，一般采用张正友标定法来标定相机的内参，标定大视野相机和图卡的外参图卡中的标定大视野相机的图样部分可以选择用棋盘格或者aruco二维码，具体的步骤可以拆解为以下三步：通过算法识别出标记点，采用开源软件库进行标记点检测，例如opencv软件库。
42.对于棋盘格，使用opencv库中的cv::findchessboardcorners()函数检测棋盘格角点，得到按顺序的一些列点的像素坐标。例如，对于一定4行6列角点的棋盘格，检测得到的角点顺序如图8所示对于aruco码，使用opencv库中的cv::aruco::detectmarkers()函数检测，得到aruco码4个角点的像素坐标，角点的顺序如图8所示，通过算法求解出标记点在相机平面下的位姿在第1步检测图像中棋盘格角点或者二维码角点之后，得到按顺序的一系列角点坐标。同时，可以实际测量出棋盘格角点或者二维码角点的间距，计算出棋盘格各个角点在以0号角点为原点的三维空间坐标系中的坐标，或者二维码各个角点在以0号角点为原点的三维空间坐标系中的坐标，据图像中检测出的角点的像素坐标以及其对应的以0号角点为原点的三维空间坐标系中的坐标，以pnp算法求解棋盘格/二维码坐标系与相机坐标系之间的变换{r，t}，如图9所示，pnp算法有很多具体实现，例如p3p，epnp，upnp，dlt等等，根据使用的标记点不同，可采用相应的算法。例如对于棋盘格，可采用epnp算法，对于aruco码，可采用p3p算法。此处详细介绍dlt算法。对于三维空间点p，齐次坐标坐标为{x,y,
z,1}，对应图像上的点齐次坐标为{u,v,1}，内参矩阵为k，满足
[0043][0044]
消去s得到约束
[0045]
a1x+a2y+a3z+a
4-uc(a9x+a
10
y+a
11
z+a
12
)＝0
[0046]
a5x+a6y+a7z+a
8-vc(a9x+a
10
y+a
11
z+a
12
)＝0
[0047]
整理得
[0048][0049]
对于n个点，有n个方程，得
[0050][0051]
小二乘解argmin||ax||2
[0052]
对a进行svd分解，
[0053]
a＝uσ
t
[0054]
v的对应最小特征值的特征向量就是最小二乘的解
[0055]
对于
[0056][0057]
进行svd分解
[0058][0059]
令
[0060][0061]
棋盘格/二维码坐标系与相机坐标系之间的变换为
[0062][0063][0064]
计算小视野相机和图卡平面的外参
[0065]
图卡中的标定小视野相机的图样部分可以选择用已知半径的小圆点或者方形等几何图形。
[0066]
具体的步骤可以拆解为以下三步：
[0067]
拍照得到相机的小圆点图片。如图10所示的例子：
[0068]
(以下为实际例子)
[0069]
用霍夫变换找到圆心坐标和圆半径，
[0070]
如图10中灰色圆是霍夫变换找到的圆，可以得到圆的图像中的圆心和圆的半径。得到的数据是像素尺度的。
[0071]
计算小视野相机的光心和图卡平面的外参
[0072]
通过霍夫变换得到的圆半径(像素尺度)和已知圆的几何尺寸换算相机的像素值代表的几何尺寸。通过霍夫变换得到的圆心的位置变换得到相机光心和图卡中圆心的相对位置。
[0073]
计算得到大视野相机和小视野相机的外参。
[0074]
图卡中标定大视野相机的图样部分和标定小视野相机的图样部分具有固定的几何关系。通过大视野相机和图卡的外参，小视野相机和图卡的外参，图卡中大小视野标定图样的几何关系求解出大视野相机和小视野相机的外参。
[0075]
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.广角和微距多相机标定系统，包括主体机构(1)、标定机构(2)和散热机构(3)，其特征在于：所述标定机构(2)位于主体机构(1)的上端，所述散热机构(3)位于主体机构(1)的内部，所述主体机构(1)包括机体(101)、底座(102)、支撑架(103)、万向轮(104)、机盖(105)和排气窗(106)，所述底座(102)固定安装在机体(101)的下端，所述支撑架(103)固定安装在底座(102)的下端，所述万向轮(104)固定安装在支撑架(103)的下端，所述机盖(105)活动安装在机体(101)的前端，所述排气窗(106)固定设置在机体(101)的左端，所述标定机构(2)包括电机(201)、旋转轴(202)和滚珠丝杠(203)，所述电机(201)固定安装在机体(101)的上端，所述旋转轴(202)活动安装在电机(201)的右端，所述滚珠丝杠(203)活动安装在旋转轴(202)的右端。2.根据权利要求1所述的广角和微距多相机标定系统，其特征在于：所述标定机构(2)还包括定位螺母(204)、电动推杆一(205)、电动推杆二(206)、大视野相机一(207)、马达一(208)、丝杆(209)、滚珠螺母(210)、电动推杆三(211)、电动推杆四(212)、小视野相机二(213)、骨钉一(214)和骨钉盘二(215)，所述定位螺母(204)活动安装在滚珠丝杠(203)的外端。3.根据权利要求2所述的广角和微距多相机标定系统，其特征在于：所述电动推杆一(205)活动安装在电动推杆一(205)的上端，所述电动推杆二(206)活动安装在电动推杆一(205)的前端，所述大视野相机一(207)固定安装在电动推杆二(206)的下端。4.根据权利要求3所述的广角和微距多相机标定系统，其特征在于：所述马达一(208)固定安装在机体(101)的上端，所述丝杆(209)活动安装在马达一(208)的后端，所述滚珠螺母(210)活动安装在丝杆(209)的外端。5.根据权利要求4所述的广角和微距多相机标定系统，其特征在于：所述电动推杆三(211)活动安装在滚珠螺母(210)的上端，所述电动推杆四(212)活动安装在电动推杆三(211)的左端，所述骨钉一(214)活动安装在机体(101)的上端，所述骨钉盘二(215)固定安装在机体(101)的上端。6.根据权利要求5所述的广角和微距多相机标定系统，其特征在于：所述散热机构(3)包括限位块(301)、马达二(302)、转动杆(303)和风扇(304)，所述限位块(301)固定安装在机体(101)的内端。7.根据权利要求6所述的广角和微距多相机标定系统，其特征在于：所述马达二(302)固定安装在限位块(301)的左端，所述转动杆(303)活动安装在马达二(302)的左端，所述风扇(304)活动安装在转动杆(303)的左端。

技术总结
本发明涉及广角和微距多相机标定系统技术领域，且公开了广角和微距多相机标定系统，包括主体机构、标定机构和散热机构，所述标定机构位于主体机构的上端，所述散热机构位于主体机构的内部，所述主体机构包括机体、底座、支撑架、万向轮、机盖和排气窗，所述底座固定安装在机体的下端。该广角和微距多相机标定系统，通过对于标定机构的安装，大视野相机一和小视野相机二的固定安装，采用了张正友标定法标定大视野相机一的内参，运用前述的方法标定大视野相机一和标定图卡的外参，运用前述的方法标定小视野相机二和标定图卡的外参，通过图卡本身的几何参数算出大视野相机一和小视野相机二的相对外参，提升了系统的实用性。提升了系统的实用性。提升了系统的实用性。


技术研发人员：李昌檀
受保护的技术使用者：远形时空科技（北京）有限公司
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/10/11