一种基于视觉的相对位姿测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种基于视觉的船舶大部段相对位姿测量装置与方法。位姿测量装置包含下位机与上位机两部分。下位机为视觉测量单元，具有独立的传感模块、供电模块、数据处理模块。使用时依靠其底板上的定位孔与调整部段固连，与固连在基准部段上的合作目标板配合使用，解析出调整部段相对基准部段的相对位姿，利用无线通讯模块将测量结果返回上位机。上位机为普通计算机，能够综合调度下位机模块，处理测量数据，给出实时位姿测量结果。该便携式测量装置具有通用接口，可独立供电，能够适应多种对接场景，测量结果精确，实时性好，能够定量、直观地引导船舶大部段对接过程，具有重要的研究意义和广泛的应用前景。意义和广泛的应用前景。意义和广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于视觉的相对位姿测量装置与方法


[0001]本专利技术利用视觉测量装置采集、解算测量数据，获取大部段对接过程中的相对位姿，直观、精确地引导作业人员完成位姿监测工作，属于针对大尺度部段的测量辅助对接领域。

技术介绍

[0002]随着国家经济的发展和先进制造水平的提高，航空、航天、船舶等传统工业领域在工艺水平上不断提升，尤其在大部段对接领域也得到了极大的发展。目前多采用全站仪、摄影测量和激光跟踪仪等适用于大尺度测量的仪器。其一般操作过程是在两个部段上选取几个关键测量点，通过测量仪器获取关键点在测量坐标系下坐标，从而将两部段拟合到同一对接坐标系下，得到部段的相对位姿，包括相对位置和相对姿态角，分别用三个位置分量(x,y,z)和三个角度分量(a,b,c)来表示。
[0003]随着大部段对接任务的复杂化提升与精度要求提高，单个传感器难以取得更好的效果，往往需要多个传感器联合测量，通过对多组测量数据的调整、分析和融合，完成对接任务。而由此带来的多相机数据融合问题等等成为研究的重点。
[0004]针对大部段对接过程中的相对位姿测量技术，国内外许多专家学者对此进行了大量的研究。文献“多路法激光跟踪干涉测量系统的研究”利用激光跟踪仪测距单元精度高的优点，研究了多路激光跟踪融合测量系统(张国雄，李杏华，林永兵.多路法激光激光跟踪干涉测量系统的研究[J].天津大学学报，2003,36(1):23
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27.)；文献“基于多传感器融合的TBM姿态角测量方法”提出了多传感器融合的姿态测量方法，应用倾角仪、陀螺仪融合测量姿态角，当倾角仪失效情况下采用修正后的陀螺仪数据计算姿态角(张春草，张剑波，朱国力.基于多传感器融合的TBM姿态角测量方法[J].华中科技大学学报(自然科学版)，2015，43 (12):48
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51)；文献“基于多传感器融合的航天器间位姿参数估计”提出了利用单目视觉与激光测距仪混合的航天器间相对位置和姿态参数测量的解析算法(冯春，吴洪涛，陈柏.基于多传感器融合的航天器间位姿参数估计[J].红外与激光工程，2015，44(5):1616
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1622)。 He Zhao采用超声波传感器和磁力计来补偿惯性传感器漂移的方法，利用磁力仪与三轴加速度计相结合，通过测量重力和地球磁场矢量来确定物体的位置和姿态(He Zhao,Zheyao Wang. Motion measurement using inertial sensors,ultrasonic sensors,and magnetometerswith extended kalman filter for data fusion[J],IEEE Sensors Journal.2012)；YW Zhou 提出了一种基于多传感器融合的测量列车速度和位置的方法，多传感器系统包括轴数计、多普勒雷达、加速度计，最终通过卡尔曼滤波实现多传感器融合测量列车速度和位置(YW Zhou. Research of Multi
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Sensor Integration System for Train Speed and PositionMeasurement[J]Applied Mechanics&Materials,2012,105
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107:1920
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1925)。在以上研究中，利用多台传统仪器融合测量大尺寸部段相对位姿的方法，所需的设备昂贵、体积大、操作复杂，需要人工大量参与测量过程，难以在部段运动的过程中获取实时位姿。本专利技术将设计了一个独立、体积小巧的视觉测量单元，只需简单与调整部
段连接便可测量其与基准部段的相对位姿关系，以及其他对接过程运动参数，能够直观、精确地引导大部段对接过程。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决大部段对接过程中相对位姿跟踪测量的问题，面向实际工程应用，合理地构建了一套针对大部段对接的相对位姿监测方法；装置包含下位机、上位机与辅助设备，下位机即视觉测量单元，负责采集图像数据，完成数据处理，所得结果以无线信号形式发回上位机；上位机负责进一步处理接收数据，求取部段相对位姿并以直观方式显示，引导对接作业；辅助设备包含在对接过程所使用的光学靶标板，以及用于固定下位机、靶标板于调整部段与基准部段的转接板。
[0006]在一些实施方式中位姿监测方法具体特征为：以视觉测量单元(需提前标定)测量数据为基础，获取到测量系下相对位姿关系，再通过视觉测量单元安装位置等先验知识，转换得到调整部段与基准部段的相对位姿关系，并以三维可视化的形式用模型实时仿真对接过程，提供直观引导与预警功能，同时数据采集端与数据显示端采用无线信号连接，可满足实时监测对接状态的要求。
[0007]在一些实施方式中提前标定具体特征为：首先进行视觉测量单元传感器模块自身参数标定，即工业相机的内参数；再标定视觉传感器模块与单元外壳设计坐标系的关系，即位移与姿态偏差六个量；最后将标定参数导入软件系统，便将所有测量值转换到单元外壳坐标系下；单元外壳与调整部段通已知尺寸的过定位孔连接，可将测量基准传递至调整部段。
[0008]在一些实施方式中融合方法具体特征为：将不同测量单元的测量数据统一到同一坐标系、同一时间轴，同一表述形式，再利用滤波的思想进行对各个维度的测量值进行叠加融合，利用冗余数据减小误差。
[0009]在一些实施方式中视觉测量单元具体特征为：其主要由视觉测量模块、数据传输模块、数据处理单元、电源模块、封装外壳组成，所有模块封装固定于外壳内，外壳各部分由螺钉连接，外壳底部具有四个定位孔，可供与调整部段连接；其工作模式为视觉传感器采集数据后传输至数据处理单元进行解析与封装，后由数据传输模块通过无线方式发回上位机，所有设备由电源模块供电。
[0010]在一些实施方式中无线信号具体特征为：载体利用RF信号，可低功耗、远距离地完成传输过程；信号内容由时间戳、设备编号、具体数据等信息，压缩编码后封装形成。
[0011]在一些实施方式中上位机具体特征为：由计算机连接RF无线信号接收器组成，计算机上搭载相对位姿监测软件系统，能够完成参数配置、相对位姿精确显示、相对位姿三维可视化显示、安全预警等功能。
[0012]在一些实施方式中光学靶标板具体特征为：包含用于视觉识别的光学图案，以及提供给作业人员参考的作业坐标系指示方向，且具有多种型号、不同大小尺寸的靶标板，用于完成不同间隔距离的相对位姿测量。
[0013]在一些实施方式中转接板具体特征为：具有与视觉测量单元底座相配合的定位孔，以及实际工况下与调整部段连接的安装接口，安装接口的选择原则是保证在对接过程中，视觉测量单元与靶标板之间光路通畅无遮挡，为此靶标板也需转接板与视觉测量单元
转接板对应，特点是具有能够粘贴靶标图案的平面，以及能够与基准部段相连接的接口。
[0014]以下详细介绍相对位姿测量系统的操作和使用步骤：
[0015]1.准备对接作业配套的设施，确认所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于视觉的相对位姿测量装置与方法，其特征在于以相对位姿测量装置为基础，构建了一套针对大部段对接的相对位姿监测方法；装置包含下位机、上位机与辅助设备，下位机即视觉测量单元，负责采集图像数据与处理数据，所得结果以无线信号形式发回上位机；上位机负责进一步处理接收数据，形成部件相对位姿并以直观方式显示，引导大部段对接作业；辅助设备包含在对接精测阶段所使用的光学靶标板，以及用于固定下位机、靶标板于调整部段与基准部段的转接板。2.如权利要求1所述的基于视觉的相对位姿测量装置与方法，其特征在于，所述位姿监测方法具体特征为：以视觉测量单元(需提前标定)测量数据为基础，获取到测量系下相对位姿关系，再通过视觉测量单元安装位置等先验知识，转换得到调整部段与基准部段的相对位姿关系，并以三维可视化的形式用模型实时仿真对接过程，提供直观引导与预警功能，同时数据采集端与数据显示端采用无线信号连接，可满足实时监测对接状态的要求。3.如权利要求2所述的基于视觉的相对位姿测量装置与方法，其特征在于，所述提前标定具体特征为：首先进行视觉测量单元传感器模块自身参数标定，即工业相机内参数；再标定工业相机模块与单元外壳设计坐标系的关系，即位移与姿态偏差六个量；最后将标定参数导入软件系统，便将所有测量值转换到单元外壳坐标系下；单元外壳与调整部段通过已知尺寸的过定位孔连接，可将测量基准传递至调整部段。4.如权利要求1所述基于视觉的相对位姿测量装置与方法，其特征在于，所述视觉测量单元具体特征为：其主要由视觉测量模块、数据传输模块、数...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜福洲，王逍遥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：