基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法及系统，包括：拍摄绳索在不同摆角时的若干个图像作为样本图像；求取各个样本图像中绳索运动端在样本图像中的像素坐标以及绳索运动端在实际空间中的世界坐标；求取透视投影成像矩阵；根据透视投影成像矩阵完成相机的标定；拍摄绳索的实时摆动图像，计算绳索运动端的像素坐标；求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标；利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标；求取绳索的摆角。本发明专利技术能够得到去除晃动误差的绳索的实时摆动角度，硬件要求低，精度高，适用场景更广泛。场景更广泛。场景更广泛。

【技术实现步骤摘要】
基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及绳索摆角测量
，具体涉及一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法及系统。

技术介绍

[0002]现有的绳索摆角测量方法主要有两种，第一种测量方法通过在绳索底端，即绳索运动端安装加速度传感器或倾角传感器以实时获取绳索的加速度信息或倾角信息，根据绳索的加速度信息或倾角信息计算确定绳索的实时摆角。第二种测量方法通过在绳索顶端，即绳索固定端安装相机，利用相机获取绳索的实时摆动图像，通过图像处理技术对实时摆动图像进行处理以获取绳索的实时摆角。
[0003]专利技术人发现现有技术至少存在以下问题：
[0004]第一种测量方法的布线较为复杂，应用场景受限，且精度对硬件要求极高，误差在时序上累加，需要经常性校正硬件。第二种测量方法中，由于相机存在晃动，此时将导致得到的绳索摆角存在晃动误差。

技术实现思路

[0005]为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本专利技术提供一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法及系统。
[0006]第一方面，本专利技术公开了一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法，包括以下步骤：
[0007]S1，利用相机拍摄绳索在不同摆角时的若干个图像作为样本图像；
[0008]S2，求取各个样本图像中绳索运动端在样本图像中的像素坐标以及绳索运动端在实际空间中的世界坐标；
[0009]S3，根据各个样本图像中绳索运动端的像素坐标与世界坐标求取透视投影成像矩阵；
[0010]S4，根据透视投影成像矩阵完成相机的标定；
[0011]S5，利用步骤S4中完成标定的相机拍摄绳索的实时摆动图像，并计算实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标；
[0012]S6，根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标；
[0013]S7，利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标；
[0014]S8，根据实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标以及绳索固定端的世界坐标求取绳索的摆角。
[0015]进一步地，在所述基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法中，所述步骤S2中，利
用全站仪求取各个样本图像中绳索运动端在实际空间中的世界坐标。
[0016]进一步地，在所述基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法中，所述根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，包括以下步骤：
[0017]S61，根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标与相机坐标系的坐标原点建立投影射线；
[0018]S62，根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取投影射线上的两个相机坐标点P1、P2；
[0019]S63，根据相机的参数求取两个相机坐标点P1、P2在实际空间的世界坐标Pw1、Pw2，并根据世界坐标Pw1、Pw2确定投影射线方程；
[0020]S64，以绳索固定端为原点，绳索长度为半径建立球面模型，获取在实际空间球面模型的球面方程；
[0021]S65，根据射线方程与球面方程计算实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标。
[0022]进一步地，在所述基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法中，设定H
gij
为相机抖动前后倾角传感器坐标系之间相对位置姿态的齐次变换矩阵，H
cij
为相机抖动前后相机坐标系之间相对位置姿态的齐次变换矩阵，H
cg
为倾角传感器坐标系和相机坐标系之间的相对位置姿态齐次矩阵，H
ci
为抖动前相机与目标的相对位置姿态齐次矩阵，H
cj
为抖动后相机与目标的相对位置姿态齐次矩阵，目标的相对位置姿态齐次矩阵，R
gij
、R
cij
和R
cg
为旋转矩阵，T
gij
、T
cij
和T
cg
为平移向量；
[0023]所述利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标，包括以下步骤：
[0024]S71，基于罗德里格斯变换，利用以下公式7将旋转矩阵转换为旋转向量；
[0025][0026]r
gij
和r
cij
为旋转向量，rodrigues()为罗德里格斯变换公式；
[0027]S72，利用以下公式8进行向量归一化；
[0028][0029]S73，利用以下公式9，以修正的罗德里格斯参数表示姿态变化；
[0030][0031]P
gij
和P
cij
表示旋转向量r
gij
和r
cij
修正的罗德里格斯参数；
[0032]S74，利用以下公式10计算初始旋转向量P＇
cg
；
[0033]skew(P
gij
+P
cij
)P＇
cg
＝P
cij
‑
P
gij
ꢀꢀꢀ
公式10
[0034]skew为反对称运算；
[0035]S75，利用以下公式12计算旋转向量P
cg
；
[0036][0037]S76，利用以下公式13计算旋转矩阵R
cg
；
[0038][0039]I表示单位矩阵；
[0040]S77，利用以下公式14计算平移向量T
cg
；
[0041](R
gij
‑
I)T
cg
＝R
cg
T
cij
‑
T
gij
ꢀꢀꢀ
公式14
[0042]S78，将步骤S6中求取的实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标与倾角传感器坐标系和相机坐标系之间的相对位置姿态齐次矩阵H
cg
相乘，得到去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标。
[0043]第二方面，本专利技术还公开了一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量系统，所述系统包括：
[0044]安装平台，所述安装平台用于作为所述系统的安装和支撑基础；
[0045]绳索，所述绳索一端固定连接在所述安装平台上，用于作为绳索固定端，所述绳索另一端悬空，用于作为绳索运动端；
[0046]相机，所述相机安装在所述安装平台上，所述相机与所述绳索固定端的距离在设定范围内，所述相机的摄像方向竖直向下，用于获取所述绳索在不同摆角时的图像和所述绳索的实时摆动图像；
[0047]倾角传感器，所述倾角传感器与所述相机固定连接，用于测量所述相机的晃动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，利用相机拍摄绳索在不同摆角时的若干个图像作为样本图像；S2，求取各个样本图像中绳索运动端在样本图像中的像素坐标以及绳索运动端在实际空间中的世界坐标；S3，根据各个样本图像中绳索运动端的像素坐标与世界坐标求取透视投影成像矩阵；S4，根据透视投影成像矩阵完成相机的标定；S5，利用步骤S4中完成标定的相机拍摄绳索的实时摆动图像，并计算实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标；S6，根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标；S7，利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标；S8，根据实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标以及绳索固定端的世界坐标求取绳索的摆角。2.根据权利要求1所述的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用全站仪求取各个样本图像中绳索运动端在实际空间中的世界坐标。3.根据权利要求1所述的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法，其特征在于，所述根据相机的参数与实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，包括以下步骤：S61，根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标与相机坐标系的坐标原点建立投影射线；S62，根据实时摆动图像中绳索运动端的像素坐标求取投影射线上的两个相机坐标点P1、P2；S63，根据相机的参数求取两个相机坐标点P1、P2在实际空间的世界坐标Pw1、Pw2，并根据世界坐标Pw1、Pw2确定投影射线方程；S64，以绳索固定端为原点，绳索长度为半径建立球面模型，获取在实际空间球面模型的球面方程；S65，根据射线方程与球面方程计算实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标。4.根据权利要求1所述的基于倾角传感器的动态绳索摆角测量方法，其特征在于，设定H
gij
为相机抖动前后倾角传感器坐标系之间相对位置姿态的齐次变换矩阵，H
cij
为相机抖动前后相机坐标系之间相对位置姿态的齐次变换矩阵，H
cg
为倾角传感器坐标系和相机坐标系之间的相对位置姿态齐次矩阵，H
ci
为抖动前相机与目标的相对位置姿态齐次矩阵，H
cj
为抖动后相机与目标的相对位置姿态齐次矩阵，动后相机与目标的相对位置姿态齐次矩阵，R
gij
、R
cij
和R
cg
为旋转矩阵，T
gij
、T
cij
和T
cg
为平移向量；所述利用倾角传感器测量相机的晃动量，并根据倾角传感器测得的相机的晃动量校正实时摆动图像中绳索运动端的世界坐标，获取去除晃动误差的绳索运动端的世界坐标，包
括以下步骤：S71，基于罗德里格斯变换，利用以下公式7将旋转矩阵转换为旋转向量；r
gij
和r
cij
为旋转向量，rodrigues()为罗德里格斯变换公式；S72，利用以下公式8进行向量归一...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄奕勇，熊丹，韩伟，杨延杰，付康佳，刘红卫，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：