一种采用三靶标单相机实现空间定位的方法技术

本发明专利技术提供了一种采用三靶标单相机实现空间定位的方法，其通过单片机控制由液晶光阀

【技术实现步骤摘要】
一种采用三靶标单相机实现空间定位的方法


[0001]本专利技术涉及光学定位测量领域，具体而言，涉及一种采用三靶标单相机实现空间定位的方法
。

技术介绍

[0002]随着相机技术的发展，我们日常用的手机的拍照像素越来越高，功能越来越强；而工业相机的性能发展更是越来越成熟
。
而随着电子技术的发展，液晶光阀与单片机的成本也越来越低；目前淘宝
、
京东市场上该类产品随处可见，而且价格越来越低廉
。
因此采用液晶光阀与单片机驱动制作靶标的总体成本也非常便宜
。
基于上述背景原因，采用液晶光阀靶标与可见光工业相机匹配实现物体空间位置的光学解算，具有越来越多的优越性
。
但考虑由于解算过程中的物理限制以及光学的几何相对位置限制等原因，目前主流的方法都是基于多相机架构的，也就是相机至少要设置2个或者3个，这样解算比较容易；同时，如果采用单相机情况下，则需要设置多个靶标，一般来说，都是6个靶标或者8个以上，靶标越多解算方法则越简单
。
如何降低硬件配置，减少相机个数，以及减少靶标个数，经济上最大节省，又能完成光学定位解算，无疑是具有很高价值的一个问题
。
基于上述原因，本专利技术提出了一种三靶标单相机的基简硬件配置情况下的空间定位光学解算方法，具有很高的经济价值与市场推广应用价值
。
[0003]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分专利技术的信息仅用于加强对本专利技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种采用三靶标单相机实现空间定位的方法，进而克服了由于相关技术限制而导致的可见光定位解算对靶标与相机设备数求量要过多而导致的硬件成本过高的问题
。
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供一种采用三靶标单相机实现空间定位的方法，包括以下五个步骤：
[0006]步骤
S10
，采用超低功耗单片机组成控制电路，选取纽扣电池
、
液晶光阀
、
反光板
、
控制电路组成靶标模块系统，由单片机程序设定靶标闪烁周期，控制靶标形成明暗相间的光斑输出
。
[0007]步骤
S20
，根据上述靶标模块系统的设计方法，制作三个靶标，采用强力胶粘贴于被测运动体的预定位置，其中第一个靶标位于被测物体的中心位置，其它两个靶标错开一定距离任意选取；然后测量三个靶标之间的空间距离
。
根据所述的靶标闪烁周期，在预定地点架设一部可见光工业相机，设定单个工业相机的连续拍照频率；将工业照相机连接计算机读取照片数据，根据相机照片中的靶标亮点，对照片中三个靶标像素位置进行定位；然后检测出三个靶标在照片中的像素位置
。
[0008]步骤
S30
，根据三个靶标在相机照片中像素位置，分别求解求解三个靶标的相机横
向像素相对距离
、
相机纵向像素相对距离；根据已知的标定好的工业相机镜头内部参数与外部参数求解相机横向综合系数
、
相机纵向综合系数；最后根据所述的三个靶标的相机横向像素相对距离
、
相机纵向像素相对距离以及相机参数求解相机相关三个靶标综合位置系数
。
[0009]步骤
S40
，根据所述的相机相关第一个靶标综合位置系数
、
相机相关第二个靶标综合位置系数
、
相机相关第三个靶标综合位置系数，求解组建三个靶标的六个线性位置关系方程组；然后根据三个靶标的空间位置关系，组成三个非线性空间距离关系方程组；最后将其联合组为三靶标单相机空间定位解算非线性方程组
。
[0010]步骤
S50
，根据所述的三靶标单相机空间定位解算非线性方程组，采用计算机进行求解，得到三个靶标在世界坐标系三维坐标；然后选取第一个靶标的在世界坐标系的三维坐标作为被测物体的空间定位坐标，由计算机照相机拍照频率，输出最终的运动体空间位置坐标
。
[0011]进一步的，靶标模块系统由液晶光阀
(
含反光板，纽扣电池
)、
控制电路板组成
。
液晶光阀和控制电路板采用挠性连接，且液晶光阀在控制电路板的下侧
。
[0012]进一步的，控制电路板控制液晶光阀明暗间断光斑输出的方式为：根据液晶光闸的特性，将液晶光闸的电源输入端设置为高电平，在需要形成光斑的时刻设置低电平，并维持一段时间，就形成了类似主动发光式的频闪光斑
。
[0013]进一步的，测量三个靶标之间的空间距离，并将第一个靶标与第二个靶标之间的三维空间距离记作
d
12
；将第一个靶标与第三个靶标之间的三维空间距离记作
d
13
；将第二个靶标与第三个靶标之间的三维空间距离记作
d
23
。
[0014]进一步的，将相机拍照得到的第一个靶标在照片中像素位置记作
(u
1i
,v
1i
)
，其中
i
为整数，其代表时间周期间隔为
T
的像素位置，也就是
(u
1i
,v
1i
)
代表
t
＝
Ti
时刻第一个靶标在相机照片中像素位置
。
同理，将相机拍照得到的第二个靶标在照片中像素位置记作
(u
2i
,v
2i
)
，也就是
(u
2i
,v
2i
)
代表
t
＝
Ti
时刻第二个靶标在相机照片中像素位置
。
[0015]在本专利技术的一种示例实施例中，根据三个靶标在相机照片中像素位置，分别求解求解三个靶标的相机横向像素相对距离
、
相机纵向像素相对距离；根据已知的标定好的工业相机镜头内部参数与外部参数求解相机横向综合系数
、
相机纵向综合系数包括：
[0016]m
a1i
＝
(u
1i
‑
u
10
)
；
[0017]n
a1i
＝
(v
1i
‑
v
10
)
；
[0018]m
a2i
＝
(u
2i
‑
u
10
)
；
[0019]n
a2i
＝
(v
2i
‑
v
10
)
；
[0020]m<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种采用三靶标单相机实现空间定位的方法，包括以下步骤：步骤
S10
，采用超低功耗单片机组成控制电路，选取纽扣电池
、
液晶光阀
、
反光板
、
控制电路组成靶标模块系统，由单片机程序设定靶标闪烁周期，控制靶标形成明暗相间的光斑输出；步骤
S20
，根据上述靶标模块系统的设计方法，制作三个靶标，采用强力胶粘贴于被测运动体的预定位置，其中第一个靶标位于被测物体的中心位置，其它两个靶标错开一定距离任意选取；然后测量三个靶标之间的空间距离
。
根据所述的靶标闪烁周期，在预定地点架设一部可见光工业相机，设定单个工业相机的连续拍照频率；将工业照相机连接计算机读取照片数据，根据相机照片中的靶标亮点，对照片中三个靶标像素位置进行定位；然后检测出三个靶标在照片中的像素位置；步骤
S30
，根据三个靶标在相机照片中像素位置，分别求解求解三个靶标的相机横向像素相对距离
、
相机纵向像素相对距离；根据已知的标定好的工业相机镜头内部参数与外部参数求解相机横向综合系数
、
相机纵向综合系数；最后根据所述的三个靶标的相机横向像素相对距离
、
相机纵向像素相对距离以及相机参数求解相机相关三个靶标综合位置系数
。
步骤
S40
，根据所述的相机相关第一个靶标综合位置系数
、
相机相关第二个靶标综合位置系数
、
相机相关第三个靶标综合位置系数，求解组建三个靶标的六个线性位置关系方程组；然后根据三个靶标的空间位置关系，组成三个非线性空间距离关系方程组；最后将其联合组为三靶标单相机空间定位解算非线性方程组；步骤
S50
，根据所述的三靶标单相机空间定位解算非线性方程组，采用计算机进行求解，得到三个靶标在世界坐标系三维坐标；然后选取第一个靶标的在世界坐标系的三维坐标作为被测物体的空间定位坐标，由计算机照相机拍照频率，输出最终的运动体空间位置坐标；其中测量三个靶标之间的空间距离与测出三个靶标在照片中的像素位置包括：将第一个靶标与第二个靶标之间的三维空间距离记作
d
12
；将第一个靶标与第三个靶标之间的三维空间距离记作
d
13
；将第二个靶标与第三个靶标之间的三维空间距离记作
d
23
；将相机拍照得到的第一个靶标在照片中像素位置记作
(u
1i
，
v
1i
)
，其中
i
为整数，其代表时间周期间隔为
T
的像素位置，也就是
(u
1i
，
v
1i
)
代表
t
＝
Ti
时刻第一个靶标在相机照片中像素位置
。
同理，将相机拍照得到的第二个靶标在照片中像素位置记作
(u
2i
，
v
2i
)
，也就是
(u
2i
，
v
2i
)
代表
t
＝
Ti
时刻第二个靶标在相机照片中像素位置
。2.
根据权利要求1所述的一种采用三靶标单相机实现空间定位的方法，其特征在于，根据三个靶标在相机照片中像素位置，分别求解求解三个靶标的相机横向像素相对距离
、
相机纵向像素相对距离；根据已知的标定好的工业相机镜头内部参数与外部参数求解相机横向综合系数
、
相机纵向综合系数包含：
m
a1i
＝
(u
1i
‑
u
10
)
；
n
a1i
＝
(v
1i
‑
b
10
)
；
m
a2i
＝
(u
2i
‑
u
10
)
；
n
a2i
＝
(v
2i
‑
v
10
)
；
m
a3i
＝
(u
3i
‑
u
10
)
；
n
a3i
＝
(v
3i
‑
v
10
)
；
其中
u
10
、v
10
表示相机的图像坐标系的中心在像素坐标系的像素位置横坐标与纵坐标；其为参数为相机的内部参数，可以通过相机厂家获取，也可通过自行测量标定获得，在此不再累述其获得过程
。m
a1i
为第一个靶标的相机横向像素相对距离；
n
a1i
为第一个靶标的相机纵向像素相对距离
。m
a2i
为第一个靶标的相机横向像素相对距离；
n
a2i
为第二个靶标的相机纵向像素相对距离
。m
a3i
为第三个靶标的相机横向像素相对距离；
n
a3i
为第三个靶标的相机纵向像素相对距离
。
其中
f1为相机焦距，
c
x1
、c
y1
为为相机照片
x
向与
y
向每个像素的实际物理尺寸参数，上述参数为相机的内部参数，可以通过相机厂家获取，也可通过自行测量标定获得，在此不再累述其获得过程
。m1为相机横向综合系数
、n1相机纵向综合系数
。3.
根据权利要求1所述的一种采用三靶标单相机实现空间定位的方法，其特征在于，所述的三个靶标的相机横向像素相对距离
、
相机纵向像素相对距离以及相机参数求解相机相关三个靶标综合位置系数包括：
g
11i
＝
m
a1i
r
31
‑
m1r
11
；
g
12i
＝
m
a1i
r
32
‑
m1r
12
；
g
13i
＝
m
a1i
r
33
‑
m1r
13
；
g
14i
＝
‑
m
a1i
t3+m1t1；
g
15i
＝
n
1ai
r
31
‑
n1r
21
；
g
16i
＝
h
1ai
r
32
‑
n1r
22
；
g
17i
＝<...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨维松，宋婉晴，薛鲁强，王泽慧，郭海燕，王士星，江式伟，丁光超，
申请(专利权)人：山东省维天雷泽光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：