多尺寸平面靶标测量和定位方法及其检测装置

1.本发明涉及室内视觉定位领域，具体地涉及一种多尺寸平面靶标测量和定位方法及其检测装置。


背景技术：

2.室内视觉定位技术，在现代工业中已经是不可或缺的部分，广泛应用于工业检测、质量检测、机器视觉等领域。对于传统的视觉定位技术，如光笔测量，采用一个固定的双目视觉基站，识别粘贴了标志点的接触式测量部分，通过双目系统识别每个标志点相对视觉基站的空间位置，从而计算出接触式测量部分的空间位置，完成对待测件表面的三维测量，但因为相机布置和靶标尺寸问题，测量区域受到较大限制；而pnp算法的视觉定位方案，首先需要提取图像中的标志点，之后对前后两帧的标志点进行匹配，计算视觉系统在空间中的运动，但精度较低，且受到环境限制比较大，对于表面缺少特征的物体，视觉系统的定位精度极低。
3.对于室内视觉定位过程，主要难点在对靶标或特征点的定位精度，实现对靶标或特征点的空间定位。针对现有的光笔式空间定位过程中，因为相机视角范围有限，且光笔上的标志点大小的限制，造成的定位范围受到限制，本发明提供了一种多尺寸平面靶标，提高了对靶标的识别和定位精度，将视觉和激光测距仪相结合，提高了定位范围和定位精度。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，针对现有的光笔式空间定位过程中，因为相机视角范围，造成的定位范围受到限制，本发明提供了一种多尺寸平面靶标测量和定位方法及其检测装置，通过图像获取设备与激光测距仪的采集到的数据进行耦合分析方法，借助视觉定位平台，提高了对靶标的识别和定位精度，将视觉和激光测距仪相结合，提高了定位范围和定位精度。
5.为实现上述目的，本发明所采用的解决方案为：
6.一种多尺寸平面靶标测量和定位方法，其包括以下步骤：
7.步骤1：确定多尺寸平面靶标的中心坐标；
8.启动测量设备，使得两个图像获取设备的图像窗口内中出现多尺寸定位靶标发出的亮斑；其中，两个图像获取设备中的第一图像获取设备捕获到的图像中亮斑中心像素坐标为(u
1,i
,v
1,i
)；两个图像获取设备中的第二图像获取设备捕获到的图像中亮斑中心像素坐标为(u
2,i
,v
2,i
)；然后，分别计算两个图像获取设备中捕获到的图像亮斑坐标值的平均值；
9.移动两个图像获取设备，使其坐标中心分别与两个图像获取设备中所有亮斑的坐标值的平均值重合，从而确定两个图像获取设备捕获到的图像的中心坐标；
10.步骤2：根据双目测距原理获得多尺寸平面靶标上的标志点的空间坐标；
11.根据双目测距原理，确定两个图像获取设备捕获到的图像窗口区域中的多尺寸定
位靶标上的圆形标志点坐标分别为(u
1,i
,v
1,i
)和(u
2,j
,v
2,j
,)；则得到第j个标志点相对于第一图像获取设备的空间坐标(x
1,j
,y
1,j
,z
1,j
)，计算过程如下所示：
[0012][0013]
式中：b表示第一图像获取设备和第二图像获取设备之间基线的距离；f表示图像获取设备的焦距；x
1,j
,y
1,j
,z
1,j
分别表示第一图像获取设备第j个标志点的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；u
1,j
表示第一图像获取设备中第j个标志点横坐标；u
2,j
表示表示第二图像获取设备中第j个标志点横坐标；v
1,j
表示表示第一图像获取设备中第j个标志点横坐标；j为标识点的序号；
[0014]
步骤3：判断双目测量得到的标志点空间坐标是否准确；
[0015]
步骤31：确定标志点在图像获取设备坐标系上的距离矩阵dc；
[0016]
步骤32：确定尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵dw；
[0017]
步骤33：确定上述两个矩阵相差的模；
[0018]
根据步骤31和步骤32确定的两个相对距离矩阵dw和dc，进行数据筛选；提取到的标识点的面积为筛选目标，设定面积阈值为v，对于在图像中标识点面积小于v的标识点剔除，并令其在相对距离矩阵dw和dc对应序号的那一个元素等于零；
[0019]
设error
c,w
为dc和dw之间相差的模，其计算公式如下所示：
[0020]
error
c,w
＝||dw-dc||＝[||d
w,1-d
c,1
||
…
||d
w,13-d
c,13
||]
[0021]
式中：error
c,w
表示dc和dw两个矩阵之间的模；dc表示标志点在图像获取设备坐标系上的距离矩阵；dw表示尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵；d
w,1
…dw,13
分别表示尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵中13个标志点列向量；d
c,1
…dc,13
分别表示标志点在图像获取设备坐标系上的距离矩阵中13个标志点列向量；
[0022]
对于error
c,w
，进行数据筛选，设定每个标志点相对于其他标志点的最大误差阈值为d，对于误差小于d且大于零的标识点选择保留到下一步的计算，误差大于d的标识点则不参与接下来的计算；
[0023]
步骤4：确定图像获取坐标系与尺寸标靶间的变换矩阵；
[0024]
确定激光测距仪相对于图像获取设备下的坐标；四个激光测距仪测量的四个点的坐标值是落在多尺寸靶标板上，所以经过变换矩阵即确定图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标：
[0025][0026]
式中：x
w1
,y
w1
,z
w1
分别表示第一激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
w2
,y
w2
,z
w2
分别表示第二激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐
标和竖直方向坐标；x
w3
,y
w3
,z
w3
分别表示第三激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
w4
,y
w4
,z
w4
分别表示第四激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c1
,y
c1
,z
c1
分别表示第一激光测距仪在平面靶标板坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c2
,y
c2
,z
c2
分别表示第二激光测距仪在平面靶标板坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c3
,y
c3
,z
c3
分别表示第三激光测距仪在平面靶标板坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c4
,y
c4
,z
c4
分别表示第四激光测距仪在平面靶标板坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；表示图像获取坐标系与尺寸标靶间的变换矩阵；
[0027]
步骤5：获得当前时刻靶标板相对图像采集系统的空间位置和姿态；
[0028]
根据步骤4确定变换矩阵最终得到当前时刻平面靶标板的空间位置和姿态。
[0029]
可优选的是，所述步骤1中计算两个图像获取设备中亮斑坐标的平均值，其计算过程如下所示；
[0030]
第一图像获取设备中捕获到的图像中所有亮斑坐标值的平均值为(u
1c
,v
1c
)，根据下式计算获得；
[0031][0032]
式中：u
1c
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的亮斑中心像素横坐标平均值；v
1c
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的亮斑中心像素纵坐标平均值；u
1,i
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的第i个亮斑中心像素横坐标；v
1,i
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的第i个亮斑中心像素纵坐标；i表示亮斑的编号；n表示图像中亮斑总数；
[0033]
第二图像获取设备中捕获到的图像所有亮斑的坐标值的平均值为(u
2c
,v
2c
)，根据下式计算获得；
[0034][0035]
式中：u
2c
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的亮斑中心像素横坐标平均值；v
2c
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的亮斑中心像素纵坐标平均值；u
2,i
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的第i个亮斑中心像素横坐标；v
2,i
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的第i个亮斑中心像素纵坐标。
[0036]
可优选的是，所述步骤2中确定两个图像获取设备窗口区域中的多尺寸定位靶标上的圆形标志点，具体为：
[0037]
获取第一图像获取设备中亮斑横坐标u
1,i
的最小值和最大值，分别记为u
1,min
和u
1,max
；同理，亮斑纵坐标v
1,i
的最小值和最大值，分别记为v
1,min
和v
1,max
；同理，第二图像获取设备中坐标记为u
2,min
、u
2,max
、v
2,min
和v
2,max
，则设置第一图像获取设备的窗口区域的四个角的坐标为(u
1,v
,v
1,min
)、(u
1,min
,v
1,max
)、(u
1,max
,v
1,max
)、(u
1,max
,v
1,min
)；设置第二图像获取设备的窗口区域的四个角的坐标为(u
2,min
,v
2,min
)、(u
2,min
,v
2,max
)、(u
2,max
,v
2,max
)、(u
2,max
,v
2,min
)；其中多尺寸定位靶标对窗口区域中的识别到13个黑白相交的圆形标志点进行识别，第一图像获取设备中识别到的标识点的中心的像素坐标为(u
1,i
,v
1,i
)(i＝1,
…
,13)；第二图像获
取设备中识别到的标识点中心的像素坐标为(u
2,j
,v
2,j
)(j＝1,
…
,13)。
[0038]
可优选的是，所述步骤31中确定标志点在图像获取设备坐标系上的距离矩阵，具体为：
[0039]
各个标志点在图像获取设备坐标系上的相对距离为d
c,i,j
，其中i和j均表示标志点编号，c代表图像获取设备坐标系；
[0040][0041]
式中：d
c,i,j
表示第i个标志点和第j个标志点在图像获取设备坐标系上的距离；x
1,i
,y
1,i
,z
1,i
分别表示第一图像获取设备第i个标志点的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
1,j
,y
1,j
,z
1,j
分别表示第一图像获取设备第j个标志点的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；
[0042]
组成多尺寸定位靶标板各标志点间相对距离的矩阵；
[0043][0044]
式中：dc表示标志点在图像获取设备坐标系上的距离矩阵；d
c,i,j
表示dc矩阵中元素，i,j＝1,
…
,13。
[0045]
可优选的是，所述步骤32中确定尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵，具体为：
[0046]
每个标志点在标定板为平面的坐标系下对应一个固定的三维坐标为(x
w,j
,y
w,j
,0)，w代表多尺寸靶标板的坐标系,j代表标志点编号，标定板坐标系的x轴和y轴与多尺寸定位靶标板平面重合，z轴垂直于标定板平面，因为多尺寸定位靶标上标志点尺寸和相对位置固定；其中这些标志点和上述图像获取设备检测到的三维坐标间的变换关系为：
[0047][0048]
式中：为多尺寸靶标板相对第一图像获取设备的空间变换矩阵距离；x
w,i
,y
w,i
分别表示第j个标识点在标定板上横坐标、纵坐标和竖直方向坐标,且z
w,j
＝0；
[0049]
各个标志点在尺寸定位靶标板的相对距离为d
w,p,q
的计算公式如下式所示：
[0050][0051]
式中：d
w,,i,j
表示第i个标志点和第j个标志点在多标定板坐标系中的距离；x
w,i
,y
w,i
分别表示第i个标识点在标定板上横坐标、纵坐标；
[0052]
组成多尺寸定位靶标板13个标志点间相对距离的矩阵如下所示：
[0053][0054]
式中：dw表示尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵；d
w,i,j
表示dw矩阵
中元素，i,j＝1,
…
,13。
[0055]
可优选的是，所述步骤4中确定激光测距仪相对于图像获取设备下的坐标，具体为：
[0056]
第一激光测距仪、第二激光测距仪、第三激光测距仪和第四激光测距仪相对第一图像获取设备的变化矩阵分别为在多尺寸靶标板测量点相对各激光测距仪坐标系的坐标为(0,0,d
l1
)，(0,0,d
l2
)，(0,0,d
l3
)，(0,0,d
l4
)，通过变换矩阵得到上述四个激光测距仪测量的四点在图像获取设备坐标系下的坐标为：
[0057][0058]
式中：x
c1
,y
c1
,z
c1
分别表示第一激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c2
,y
c2
,z
c2
分别表示第二激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c3
,y
c3
,z
c3
分别表示第三激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c4
,y
c4
,z
c4
分别表示第四激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；0,0,d
l1
分别表示多尺寸靶标板测量点相对第一激光测距仪坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；0,0,d
l2
分别表示多尺寸靶标板测量点相对第二激光测距仪坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；0,0,d
l3
分别表示多尺寸靶标板测量点相对第三激光测距仪坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；0,0,d
l4
分别表示多尺寸靶标板测量点相对第四激光测距仪坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；分别表示第一激光测距仪、第二激光测距仪、第三激光测距仪和第四激光测距仪相对第一图像获取设备的变化矩阵。
[0059]
本发明的第二方面提供一种能够实现上述的多尺寸平面靶标测量和定位方法的检测装置，所述方法基于多尺寸平面靶标测量和定位装置实现，所述检测装置包括一个定位靶标板、高精度云台、两个图像获取设备和四个激光测距仪；
[0060]
所述定位靶标板包括红外发射二极管和多尺寸定位靶标，所述红外发射二极管和多尺寸定位靶标间的位置相互固定，所述多尺寸定位靶标上打印着三层不同尺寸和编码信息的标志点，最外围的标志点尺寸一样，编码信息不同，中间层的四个标志点尺寸一样，编码信息不同，最内层的各个标志点尺寸一样，标志点在最中心；
[0061]
所述高精度云台包括第一电机、底座、第二电机、旋转主梁和旋转支架；所述第一电机的主轴和底座间固定连接，通过电机主轴控制底座的旋转；所述底座和旋转主梁之间固定连接；所述第二电机固定安装在旋转主梁上，第二电机主轴和旋转支架固定安装，控制旋转支架转动；
[0062]
所述两个图像获取装置和四个激光测距仪固定安装在旋转支架上，其中两个图像获取设备平行放置，四个激光测距仪叠放在两个图像获取装置中间，且所述激光测距仪的朝向和图像获取设备的朝向相同。
[0063]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0064]
(1)本发明提供了一种多尺寸平面靶标测量和定位方法，不受视角范围限制造成定位偏差，提高了对靶标的识别和定位精度，将图像获取设备与激光测距仪的采集到的数据进行耦合分析，从而实现对平面靶标的高精度定位过程；
[0065]
(2)本发明提供了一种多尺寸平面靶标测量和定位装置，将图像获取装置与全新设计的多尺寸平面靶标相结合，构建了一个全新的平面定位装置，基于定位方法解决了平面定位困难，偏差大的难题。
附图说明
[0066]
图1为本发明实施例多尺寸平面靶标测量和定位方法的简图；
[0067]
图2为本发明实施例的视觉定位系统的整体结构图；
[0068]
图3为本发明实施例的多尺寸靶标的结构示意图；
[0069]
图4a和图4b为本发明实施例定位靶标板示意图，其中，图4a为红外发射二极管的示意图，图4b为多尺寸定位靶标的示意图。
[0070]
附图标记：
[0071]
1、第一相机；2、激光测距仪；3、激光测距仪；4、旋转支架；5、第二相机；6、旋转主梁；7、编码器下文中为提到7、14、15；8、第二电机；9、第一电机；10、底座；11、激光测距仪；12、激光测距仪；13、红外二极管；14、底板；15、固定架；16、多尺寸定位靶标；17、外层编码标志点；18、中层编码标志点；19、内层非编码标志点；20、中心标志点；21、高精度云台；22、定位靶标板。
具体实施方式
[0072]
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。为了克服现有技术的不足，针对现有的光笔式空间定位过程中，因为相机视角范围，造成的定位范围受到限制，本发明提供了一种多尺寸平面靶标测量和定位方法及其检测装置，通过图像获取设备与激光测距仪的采集到的数据进行耦合分析方法，借助视觉定位平台，提高了对靶标的识别和定位精度，将视觉和激光测距仪相结合，提高了定位范围和定位精度。本发明实施例提供了一种多尺寸平面靶标测量和定位方法，如附图1所示为实施例多尺寸平面靶标测量和定位方法的简图；为了证明本发明的适用性，将其应用于实例，具体包含如下步骤：
[0073]
s1：确定相机的中心坐标；
[0074]
启动测量设备，使得相机窗口采集到的图像内出现多尺寸定位靶标发出的亮斑；其中第一相机中亮斑中心像素坐标为(u
1,i
,v
1,i
)；第二相机中亮斑中心像素坐标为(u
2,i
,v
2,i
)；然后，分别计算两个相机中亮斑坐标值的平均值；
[0075]
第一相机中所有亮斑坐标值的平均值为(u
1c
,v
1c
)，根据下式计算获得；
[0076][0077]
式中：u
1c
表示第一相机中亮斑中心像素横坐标平均值；v
1c
表示第一相机中亮斑中心像素纵坐标平均值；u
1,i
表示第一相机中第i个亮斑中心像素横坐标；v
1,i
表示第一相机中第i个亮斑中心像素纵坐标；i表示亮斑的编号；n表示图像中亮斑总数；
[0078]
第二相机中所有亮斑的坐标值的平均值为(u
2c
,v
2c
)，根据下式计算获得；
[0079][0080]
式中：u
2c
表示第一相机中亮斑中心像素横坐标平均值；v
2c
表示第一相机中亮斑中心像素纵坐标平均值；u
2,i
表示第一相机中第i个亮斑中心像素横坐标；v
2,i
表示第一相机中第i个亮斑中心像素纵坐标；
[0081]
转动云台，使其坐标中心分别与两个相机中所有亮斑的坐标值的平均值重合，即可确定两个相机的中心坐标。
[0082]
s2：根据双目测距原理获得标志点的空间坐标；
[0083]
获取第一相机中亮斑横坐标u
1,i
的最小值和最大值，分别记为u
1,min
和u
1,max
；同理，亮斑纵坐标v
1,i
的最小值和最大值，分别记为v
1,min
和v
1,max
；同理，第二相机中坐标记为u
2,min
、u
2,max
、v
2,min
和v
2,max
，则设置第一相机的窗口区域的四个角的坐标为(u
1,min
,v
1,min
)、(u
1,min
,v
1,max
)、(u
1,max
,v
1,max
)、(u
1,max
,v
1,min
)；设置第二相机的窗口区域的四个角的坐标为(u
2,min
,v
2,min
)、(u
2,min
,v
2,max
)、(u
2,max
,v
2,max
)、(u
2,max
,v
2,min
)；其中多尺寸定位靶标对窗口区域中的识别到13个黑白相交的圆形标志点进行识别，第一相机中识别到的标识点的中心的像素坐标为(u
1,i
,v
1,i
)(i＝1,
…
,13)；第二相机中识别到的标识点中心的像素坐标为(u
2,j
,v
2,j
)(j＝1,
…
,13)。
[0084]
根据双目测距原理，确定两个相机窗口区域中的多尺寸定位靶标上的圆形标志点坐标分别为(u
1,i
,v
1,i
)和(u
2,j
,v
2,j
,)；则可得到第j个标志点相对于第一相机的空间坐标(x
1,j
,u
1,j
,z
1,j
)，计算过程如下所示；如表1所示为相机的主要内部参数；
[0085][0086]
式中：b表示第一相机和第二相机之间基线的距离；f表示相机的焦距；x
1,j
,y
1,j
,z
1,j
分别表示第一相机横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；u
1,j
表示第一相机中第j个标志点横坐标；u
2,j
表示表示第二相机中第j个标志点横坐标；v
1,j
表示表示第一相机中第j个标志点横坐标；j为标识点的序号；
[0087]
表1.相机的主要内部参数
[0088]
符号数值b151.1880mmf2481.0785pixel(u
1,0
，v
1,0
)(1024.7600pixel，771.8140pixel)
[0089]
s3：判断双目测量得到的标志点空间坐标是否准确；
[0090]
s31：确定标志点在相机坐标系上的距离矩阵dc；
[0091]
各个标志点在相机坐标系上的相对距离为d
c,i,j
，其中i和j均表示标志点编号，c代
表相机坐标系；
[0092][0093]
式中：d
w,,i,j
表示第i个标志点和第j个标志点在多标定板坐标系中的距离；x
w,i
,y
w,i
分别表示第i个标识点在标定板上横坐标、纵坐标；
[0094]
组成多尺寸定位靶标板各标志点间相对距离的矩阵；
[0095][0096]
式中：dc表示标志点在相机坐标系上的距离矩阵；d
c,i,j
表示dc矩阵中元素，i,j＝1,
…
,13；
[0097]
s32：确定尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵dw；
[0098]
每个标志点在标定板为平面的坐标系下对应一个固定的三维坐标为(x
w,j
,y
w,j
,0)，w代表多尺寸靶标板的坐标系,j代表标志点编号，标定板坐标系的x轴和y轴与多尺寸定位靶标板平面重合，z轴垂直于标定板平面，因为多尺寸定位靶标上标志点尺寸和相对位置固定；其中这些标志点和上述相机检测到的三维坐标间的变换关系为：
[0099][0100]
式中：为多尺寸靶标板相对第一相机的空间变换矩阵；x
w,j
,y
w,j
,z
w,j
分别表示第j个标识点在标定板上横坐标、纵坐标和竖直方向坐标,且z
w,j
＝0；
[0101]
各个标志点在尺寸定位靶标板的相对距离为d
w,p,q
的计算公式如下式所示：
[0102][0103]
式中：d
w,,i,j
表示第i个标志点和第j个标志点在多标定板坐标系中的距离；x
w,i
,y
w,i
分别表示第i个标识点在标定板上横坐标、纵坐标；
[0104]
组成多尺寸定位靶标板13个标志点间相对距离的矩阵如下所示：
[0105][0106]
式中：dw表示尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵；d
w,i,j
表示dw矩阵中元素，i,j＝1,
…
,13。
[0107]
s33：确定上述两个矩阵相差的模；
[0108]
根据s31和s32确定的两个相对距离矩阵dw和dc，进行数据筛选；提取到的标识点的面积为筛选目标，设定面积阈值为v，对于在图像中标识点面积小于v的标识点剔除，并令其在相对距离矩阵dw和dc对应序号的那一个元素等于零；
[0109]
设error
c,w
为dc和dw之间相差的模，其计算公式如下所示：
[0110]
error
c,w
＝||dw-dc||＝[||d
w,1-d
c,1
||
…
||d
w,13-d
c,13
||]
[0111]
式中：error
c,w
表示dc和dw两个矩阵之间的模；d
w,1
…dw,13
分别表示尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵中13个标志点列向量；d
c,1
…dc,13
分别表示标志点在相机坐标系上的距离矩阵中13个标志点列向量；
[0112]
对于error
c,w
，进行数据筛选，设定每个标志点相对于其他标志点的最大误差阈值为d，对于误差小于d且大于零的标识点选择保留到下一步的计算，误差大于d的标识点则不参与接下来的计算；
[0113]
s4：确定图像获取坐标系与尺寸标靶间的变换矩阵；
[0114]
确定激光测距仪相对于相机下的坐标，第一激光测距仪、第二激光测距仪、第三激光测距仪和第四激光测距仪相对第一相机的变化矩阵分别为在多尺寸靶标板测量点相对各激光测距仪坐标系的坐标为(0,0,d
l1
)，(0,0,d
l2
)，(0,0,d
l3
)，(0,0,d
l4
)，通过变换矩阵得到上述四个激光测距仪测量的四点在相机坐标系下的坐标为：
[0115][0116]
式中：x
c1
,y
c1
,z
c1
分别表示第一激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c2
,y
c2
,z
c2
分别表示第二激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c3
,y
c3
,z
c3
分别表示第三激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c4
,y
c4
,z
c4
分别表示第四激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；0,0,d
l1
分别表示多尺寸靶标板测量点相对第一激光测距仪坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；0,0,d
l2
分别表示多尺寸靶标板测量点相对第二激光测距仪坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；0,0,d
l3
分别表示多尺寸靶标板测量点相对第三激光测距仪坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；0,0,d
l4
分别表示多尺寸靶标板测量点相对第四激光测距仪坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；分别表示第一激光测距仪、第二激光测距仪、第三激光测距仪和第四激光测距仪相对第一图像获取设备的变化矩阵。
[0117]
四个激光测距仪测量的四个点的坐标值是落在多尺寸靶标板上，所以经过变换矩阵即可确定相机坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标：
[0118][0119]
式中：x
w1
,y
w1
,z
w1
分别表示第一激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
w2
,y
w2
,z
w2
分别表示第二激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
w3
,y
w3
,z
w3
分别表示第三激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
w4
,y
w4
,z
w4
分别表示第四激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、
纵坐标和竖直方向坐标；x
c1
,y
c1
,z
c1
分别表示第一激光测距仪在平面靶标板坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c2
,y
c2
,z
c2
分别表示第二激光测距仪在平面靶标板坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c3
,y
c3
,z
c3
分别表示第三激光测距仪在平面靶标板坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c4
,y
c4
,z
c4
分别表示第四激光测距仪在平面靶标板坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；表示图像获取坐标系与尺寸标靶间的变换矩阵；
[0120]
s5：最终得到当前时刻靶标板相对图像采集系统的空间位置和姿态；
[0121]
根据s4，即可确定变换矩阵最终得到当前时刻平面靶标板的空间位置和姿态。
[0122]
本发明的第二方面，还提供了一种能够实现前述多尺寸平面靶标测量和定位方法的检测装置，如附图2所示为本发明实施例整体结构图；装置包括一个定位靶标板、高精度云台21、两个相机和四个激光测距仪；附图3为本发明定位系统的结构示意图；
[0123]
所述定位靶标板22如附图4a和图4b所示为本发明实施例中多尺寸靶标的结构示意图；由12个红外发射二极管13和一个多尺寸定位靶标16组成，其中红外发射二极管13和多尺寸定位靶标16间的位置相互固定，其中多尺寸定位靶标16上打印着多个不同尺寸和编码信息的标志点组成，其中最外围是外围还是外层，请全文一致的标志点17尺寸一样，编码信息不同；中间层的四个标志点1818的描述和附图说明处不一致，请调整尺寸一样，编码信息不同，最内层的4个标志点1919的描述疑问同18尺寸一样，标志点2020疑问同上在最中心；
[0124]
高精度云台包括第一电机9、底座10、第二电机8、旋转主梁6和旋转支架4；第一电机9的主轴和底座10之间固定连接，通过第一电机主轴控制底座10的旋转；底座10和旋转主梁6之间固定连接；第二电机8固定安装在旋转主梁6上，第二电机8的主轴和旋转支架4固定安装，控制旋转支架4转动；
[0125]
第一相机1、第二相机5和激光测距仪2、3、11、12固定安装在旋转支架4上，其中第一相机1和第二相机5平行放置，激光测距仪2、3、11、12叠放在两个相机中间，朝向和相机朝向相同。
[0126]
对比方法：使用上述方案采集本文所设计的标定板，提取图像中的特征点(u
1,i
,v
1,i
)和(u
2,j
,v
2,j,
)，并根据双目测量的原理，计算每个特征点的三维坐标(x
1,j
,y
1,j
,z
1,j
)，之后采用本文的方法对标志点进行选择后的点进行平面拟合和传统的方案直接用全部标志点进行平面拟合，并评估平面拟合的误差。表2中列出了6次不同条件下本方法与传统方法的计算结果，表中计算结果表明，本方法的计算误差，均小于传统计算方法，精度更高，可以满足实际应用的需求。
[0127]
表2本方法与其他方法计算结果的对比
[0128][0129]
综上，本案例涉及的定位方法计算结果证明其具有很好的应用效果。
[0130]
(1)本发明实施例提供了一种多尺寸平面靶标测量和定位方法及其检测装置，本方法不受视角范围限制造成定位偏差，提高了对靶标的识别和定位精度，将图像获取设备与激光测距仪的采集到的数据进行耦合分析，从而实现对平面靶标的高精度定位过程；本装置将图像获取装置与全新设计的多尺寸平面靶标相结合，构建了一个全新的平面定位装置，基于定位方法解决了平面定位困难，偏差大的难题；
[0131]
(2)本发明实施例提供了一种多尺寸平面靶标测量和定位方法及其检测装置，本发明实施例通过多次计算分析，证明本方法的计算精度要高于传统计算方法，本方法和本装置的应用可以较好的解决目前遇到的问题，具有较好的应用前景。
[0132]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种多尺寸平面靶标测量和定位方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤1：确定多尺寸平面靶标的中心坐标；启动测量设备，使得两个图像获取设备的图像窗口内中出现多尺寸定位靶标发出的亮斑；其中，两个图像获取设备中的第一图像获取设备捕获到的图像中亮斑中心像素坐标为(u
1,i
,v
1,i
)；两个图像获取设备中的第二图像获取设备捕获到的图像中亮斑中心像素坐标为(u
2,i
,v
2,i
)；然后，分别计算两个图像获取设备中捕获到的图像亮斑坐标值的平均值；移动两个图像获取设备，使其坐标中心分别与两个图像获取设备中所有亮斑的坐标值的平均值重合，从而确定两个图像获取设备捕获到的图像的中心坐标；步骤2：根据双目测距原理获得多尺寸平面靶标上的标志点的空间坐标；根据双目测距原理，确定两个图像获取设备捕获到的图像窗口区域中的多尺寸定位靶标上的圆形标志点坐标分别为(u
1,i
,v
1,i
)和(u
2,j
,v
2,j,
)；则得到第j个标志点相对于第一图像获取设备的空间坐标(x
1,j
,y
1,j
,z
1,j
)，计算过程如下所示：式中：b表示第一图像获取设备和第二图像获取设备之间基线的距离；f表示图像获取设备的焦距；x
1,j
,y
1,j
,z
1,j
分别表示第一图像获取设备第j个标志点的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；u
1,j
表示第一图像获取设备中第j个标志点横坐标；u
2,j
表示表示第二图像获取设备中第j个标志点横坐标；v
1,j
表示表示第一图像获取设备中第j个标志点横坐标；j为标识点的序号；步骤3：判断双目测量得到的标志点空间坐标是否准确；步骤31：确定标志点在图像获取设备坐标系上的距离矩阵dc；步骤32：确定尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵dw；步骤33：确定上述两个矩阵相差的模；根据步骤31和步骤32确定的两个相对距离矩阵dw和dc，进行数据筛选；提取到的标识点的面积为筛选目标，设定面积阈值为v，对于在图像中标识点面积小于v的标识点剔除，并令其在相对距离矩阵dw和dc对应序号的那一个元素等于零；设error
c,w
为dc和dw之间相差的模，其计算公式如下所示：error
c,w
＝||dw-dc||＝[||d
w,1-d
c,1
||
…
||d
w,13-d
c,13
||]式中：error
c,w
表示dc和dw两个矩阵之间相差的模；dc表示标志点在图像获取设备坐标系上的距离矩阵；dw表示尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵；d
w,1
…
d
w,13
分别表示尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵中13个标志点列向量；d
c,1
…
d
c,13
分别表示标志点在图像获取设备坐标系上的距离矩阵中13个标志点列向量；对于error
c,w
，进行数据筛选，设定每个标志点相对于其他标志点的最大误差阈值为d，对于误差小于d且大于零的标识点选择保留到下一步的计算，误差大于d的标识点则不参与接下来的计算；
步骤4：确定图像获取坐标系与尺寸标靶间的变换矩阵；确定激光测距仪相对于图像获取设备下的坐标；四个激光测距仪测量的四个点的坐标值是落在多尺寸靶标板上，所以经过变换矩阵即确定图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标：式中：x
w1
,y
w1
,z
w1
分别表示第一激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
w2
,y
w2
,z
w2
分别表示第二激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
w3
,y
w3
,z
w3
分别表示第三激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
w4
,y
w4
,z
w4
分别表示第四激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c1
,y
c1
,z
c1
分别表示第一激光测距仪在平面靶标板坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c2
,y
c2
,z
c2
分别表示第二激光测距仪在平面靶标板坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c3
,y
c3
,z
c3
分别表示第三激光测距仪在平面靶标板坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c4
,y
c4
,z
c4
分别表示第四激光测距仪在平面靶标板坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；表示图像获取坐标系与尺寸标靶间的变换矩阵；步骤5：获得当前时刻靶标板相对图像采集系统的空间位置和姿态；根据步骤4确定变换矩阵最终得到当前时刻平面靶标板的空间位置和姿态。2.根据权利要求1所述的多尺寸平面靶标测量和定位方法，其特征在于，所述步骤1中计算两个图像获取设备中亮斑坐标的平均值，其计算过程如下所示：第一图像获取设备中捕获到的图像中所有亮斑坐标值的平均值为(u
1c
,v
1c
)，根据下式计算获得；式中：u
1c
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的亮斑中心像素横坐标平均值；v
1c
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的亮斑中心像素纵坐标平均值；u
1,i
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的第i个亮斑中心像素横坐标；v
1,i
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的第i个亮斑中心像素纵坐标；i表示亮斑的编号；n表示图像中亮斑总数；第二图像获取设备中捕获到的图像所有亮斑的坐标值的平均值为(u
2c
,v
2c
)，根据下式计算获得；式中：u
2c
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的亮斑中心像素横坐标平均值；v
2c
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的亮斑中心像素纵坐标平均值；u
2,i
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的第i个亮斑中心像素横坐标；v
2,i
表示第一图像获取设备中捕获到的图像中的第i个亮斑中心像素纵坐标。
3.根据权利要求1所述的多尺寸平面靶标测量和定位方法，其特征在于，所述步骤2中确定两个图像获取设备窗口区域中的多尺寸定位靶标上的圆形标志点，具体为：获取第一图像获取设备中亮斑横坐标u
1,i
的最小值和最大值，分别记为u
1,min
和u
1,max
；同理，亮斑纵坐标v
1,i
的最小值和最大值，分别记为v
1,min
和v
1,max
；同理，第二图像获取设备中坐标记为u
2,min
、u
2,max
、v
2,min
和v
2,max
，则设置第一图像获取设备的窗口区域的四个角的坐标为(u
1,min
,v
1,min
)、(u
1,min
,v
1,max
)、(u
1,max
,v
1,max
)、(u
1,max
,v
1,min
)；设置第二图像获取设备的窗口区域的四个角的坐标为(u
2,min
,v
2,min
)、(u
2,min
,v
2,max
)、(u
2,max
,v
2,max
)、(u
2,max
,v
2,min
)；其中多尺寸定位靶标对窗口区域中的识别到13个黑白相交的圆形标志点进行识别，第一图像获取设备中识别到的标识点的中心的像素坐标为(u
1,i
,v
1,i
)(i＝1,
…
,13)；第二图像获取设备中识别到的标识点中心的像素坐标为(u
2,j
,v
2,j
)(j＝1,
…
,13)。4.根据权利要求1所述的多尺寸平面靶标测量和定位方法，其特征在于，所述步骤31中确定标志点在图像获取设备坐标系上的距离矩阵，具体为：各个标志点在图像获取设备坐标系上的相对距离为d
c,i,j
，其中i和j均表示标志点编号，c代表图像获取设备坐标系；式中：d
c,i,j
表示第i个标志点和第j个标志点在图像获取设备坐标系上的相对距离；x
1,i
,y
1,i
,z
1,i
分别表示第一图像获取设备第i个标志点的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
1,j
,y
1,j
,z
1,j
分别表示第一图像获取设备第j个标志点的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；组成多尺寸定位靶标板各标志点间相对距离的矩阵；式中：dc表示标志点在图像获取设备坐标系上的距离矩阵；d
c,i,j
表示dc矩阵中元素，i,j＝1,
…
,13。5.根据权利要求1所述的多尺寸平面靶标测量和定位方法，其特征在于，所述步骤32中确定尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵，具体为：每个标志点在标定板为平面的坐标系下对应一个固定的三维坐标为(x
w,j
,y
w,j
,0)，w代表多尺寸靶标板的坐标系,j代表标志点编号，标定板坐标系的x轴和y轴与多尺寸定位靶标板平面重合，z轴垂直于标定板平面，因为多尺寸定位靶标上标志点尺寸和相对位置固定；其中这些标志点和上述图像获取设备检测到的三维坐标间的变换关系为：式中：为多尺寸靶标板相对第一图像获取设备的空间变换矩阵距离；x
w,i
,y
w,i
分别表示第j个标识点在标定板上横坐标、纵坐标和竖直方向坐标,且z
w,j
＝0；各个标志点在尺寸定位靶标板的相对距离为d
w,p,q
的计算公式如下式所示：
式中：d
w,,i,j
表示第i个标志点和第j个标志点在多标定板坐标系中的距离；x
w,i
,y
w,i
分别表示第i个标识点在标定板上横坐标、纵坐标；组成多尺寸定位靶标板13个标志点间相对距离的矩阵如下所示：式中：dw表示尺寸定位靶标板各标志点间标准的相对距离矩阵；d
w,i,j
表示dw矩阵中元素，i,j＝1,
…
,13。6.根据权利要求1所述的多尺寸平面靶标测量和定位方法，其特征在于，所述步骤4中确定激光测距仪相对于图像获取设备下的坐标，具体为：第一激光测距仪、第二激光测距仪、第三激光测距仪和第四激光测距仪相对第一图像获取设备的变化矩阵分别为在多尺寸靶标板测量点相对各激光测距仪坐标系的坐标为(0,0,d
l1
)，(0,0,d
l2
)，(0,0,d
l3
)，(0,0,d
l4
)，通过变换矩阵得到上述四个激光测距仪测量的四点在图像获取设备坐标系下的坐标为：式中：x
c1
,y
c1
,z
c1
分别表示第一激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c2
,y
c2
,z
c2
分别表示第二激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c3
,y
c3
,z
c3
分别表示第三激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；x
c4
,y
c4
,z
c4
分别表示第四激光测距仪在图像获取设备坐标系横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；0,0,d
l1
分别表示多尺寸靶标板测量点相对第一激光测距仪坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；0,0,d
l2
分别表示多尺寸靶标板测量点相对第二激光测距仪坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；0,0,d
l3
分别表示多尺寸靶标板测量点相对第三激光测距仪坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；0,0,d
l4
分别表示多尺寸靶标板测量点相对第四激光测距仪坐标系的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；分别表示第一激光测距仪、第二激光测距仪、第三激光测距仪和第四激光测距仪相对第一图像获取设备的变化矩阵。7.一种用于实现根据权利要求1至6之一所述的多尺寸平面靶标测量和定位方法的检测装置，其特征在于，所述检测装置包括定位靶标板、高精度云台、两个图像获取设备和四个激光测距仪；所述定位靶标板包括红外发射二极管和多尺寸定位靶标，所述红外发射二极管和多尺
寸定位靶标间的位置相互固定，所述多尺寸定位靶标上打印着三层不同尺寸和编码信息的标志点，最外围的标志点尺寸一样，编码信息不同，中间层的四个标志点尺寸一样，编码信息不同，最内层的各个标志点尺寸一样，标志点在最中心；所述高精度云台包括第一电机、底座、第二电机、旋转主梁和旋转支架；所述第一电机的主轴和底座间固定连接，通过电机主轴控制底座的旋转；所述底座和旋转主梁之间固定连接；所述第二电机固定安装在旋转主梁上，第二电机主轴和旋转支架固定安装，控制旋转支架转动；所述两个图像获取装置请确认是装置还是设备，全文需统一和四个激光测距仪固定安装在旋转支架上，其中两个图像获取设备平行放置，四个激光测距仪叠放在两个图像获取装置中间，且所述激光测距仪的朝向和图像获取设备的朝向相同。

技术总结
本发明涉及一种多尺寸平面靶标测量和定位方法及其检测装置，方法包括以下步骤，步骤一：确定多尺寸平面靶标的中心坐标；步骤二：根据双目测距原理获得多尺寸平面靶标上的标志点的空间坐标；步骤三：判断双目测量得到的标志点空间坐标是否准确；步骤四：确定图像获取坐标系与尺寸标靶间的变换矩阵；步骤五：得到当前时刻靶标板相对图像采集系统的空间位置和姿态。本发明提供了一种多尺寸平面靶标测量和定位方法，不受视角范围限制造成的定位偏差，提高了对靶标的识别和定位精度，将图像获取设备与激光测距仪的采集到的数据进行耦合分析，从而实现对平面靶标的高精度定位过程；基于本方法设计的定位装置，解决了定位困难、偏差大的难题。偏差大的难题。偏差大的难题。


技术研发人员：李艳文 刘建鑫 霍伟豪 王雨山 祝义浩 刘晓钰 陈子明 庚士涵 栗智民 彭宏鑫
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2023.02.03
技术公布日：2023/7/26