一种圆柱状目标的位姿测量方法技术

本发明专利技术提出了一种圆柱状目标的位姿测量方法，该发明专利技术的重点是确定标记点的布局方式，使得标记点易于检测、识别，并且能够使物体坐标系中的标记点与图像坐标系中检测到的标记点能够很好地对应。对于表面缺乏纹理特征的圆柱状目标，需要确定其绕轴线的旋转角度时，它的标记点布局方式的设计能够适应这种要求，即针对圆柱体的每个旋转角度都需要对应一个不同的标记点模式，而且各标记点模式不重复。在完成一种简单、有效地标记点布局方式的设计之后，便能够利用这种标记点模式，进行图像检测，以实现对目标位姿的精确测量，从而完成对圆柱状目标的位姿测量。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提出了，该专利技术的重点是确定标记点的布局方式，使得标记点易于检测、识别，并且能够使物体坐标系中的标记点与图像坐标系中检测到的标记点能够很好地对应。对于表面缺乏纹理特征的圆柱状目标，需要确定其绕轴线的旋转角度时，它的标记点布局方式的设计能够适应这种要求，即针对圆柱体的每个旋转角度都需要对应一个不同的标记点模式，而且各标记点模式不重复。在完成一种简单、有效地标记点布局方式的设计之后，便能够利用这种标记点模式，进行图像检测，以实现对目标位姿的精确测量，从而完成对圆柱状目标的位姿测量。【专利说明】
本专利技术属于计算机视觉测量
，涉及一种利用标记点对目标位置、姿态进行测量的方法。
技术介绍
目前，物体位置与姿态的测量已广泛应用于航空航天、移动机器人、工业检测等领域。在进行目标位置、姿态的检测时，多采用目标本身的角点、纹理等特征进行测量，或在目标表面人工添加标记点的方法。采用目标物体本身角点、纹理特征的方法需要经过复杂的图像处理过程，计算过程复杂，实时性差。人工添加标记点的方法适用性较广，该方法的重点是确定标记点的布局方式，使得标记点易于检测、识别，从而使物体坐标系中的标记点与图像坐标系中的标记点能够很好地对应。但对于表面缺乏纹理特征的圆柱状目标，当需要确定其绕轴线的旋转角度时，它的标记点布局方式的设计是一个棘手的问题，因为圆柱体的每个旋转角度都需要对应一个不同的标记点模式，各标记点模式不能重复。因而，对于缺乏纹理特征的圆柱状目标，当需要检测物体的三维位姿时，需要设计一种简单、有效地标记点布局方式及目标位姿测量方法，以实现对目标位姿的精确测量。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供，对于缺乏纹理特征的圆柱状目标进行标记点布局及目标位姿测量。为解决以上技术问题，本专利技术采用以下技术方案:，包括以下步骤:(1)目标标记点的布局:每列标记点为一组，相邻4组为一个特征标记点簇，其中，在每簇中，有一列有三个标记点，其余各列有两个标记点，选取包含三个标记点的所在列为标示位，其余为信息存储点；(2)标记点坐标系的建立:以圆柱体底面圆心为坐标原点建立标记点的参考坐标系，其中，圆柱体的轴心线作为Z轴，圆柱体底面所在平面相互垂直的两个射线所在方向分别为X轴和Y轴；(3)安装目标标记点:每一列的标示点连线与圆柱体轴心线平行设置；(4)利用计算机视觉算法求解目标物体的三维位姿及旋转角度。所述标记点由黑色实心圆和圆环组成，分别代表不同的编码元素，实心圆代表0，圆环代表I。各组标记点之间的距离相等。目标物体的正立和倒立的判别方法为:设定标示位所在列的相邻标示点之间的间距分别为SI和S2，其中，SI Φ S2，指定:S1>S2为正，S2>S1为倒。所述SI和S2之间的最优比为5:3。所述步骤(3)按照下述方法安装:(3.1)第一列标记点的安装:在圆柱上边缘处任取一点，利用铅垂线L和皮尺测量得到与上边缘距离为h的一点0，点O即为I点的圆心；在铅垂线L的两侧分别找到与其距离为r的铅垂线Cl和c2，沿直线Cl，利用皮尺测量得到与上边缘距离为r的点a和点c ;同样的方法可以得到直线c2上的两点b和d ;连接点a和点b得到直线rl,连接点c和点d得到直线r2,直线cl,c2,rl,r2确定点I的外接矩形,从而完成标记点I的安装；标记点2的圆心与标记点I的圆心同在直线L上，并且两个标记点圆心距离为h2，点2的安装方法与点I相同；(3.2)与第一列相邻的第二列标记点的安装:标记点3的高度坐标与点I相同，并且在圆柱表面与点I的测地线距离为dg=0.5236R，R为圆柱底面半径，然后按照确定标记点I的方法确定标记点3的中心位置，安装方法同标记点I相同；(3.3)其余标记点的安装方法参照步骤(3.1)和步骤(3.2)。所述步骤(3)还包括精确测量，具体如下:(3.4)用3台经纬仪，保证每台经纬仪的测量范围为四列标示点；(3.5)分别测量目标上的标记点在3台经纬仪视场内的坐标；(3.6)分别移动三台经纬仪，重复上述步骤(3.4)和(3.5); (3.7)利用计算机视觉算法求解目标物体的三维位姿及旋转角度。步骤(3.7)的具体步骤为:求得各个簇中的标记点在目标物体坐标系中的坐标，然后，利用摄像机采集目标物体图像，每幅图像包含一簇标记点，得出标记点簇在图像坐标系中的坐标；最后利用模式匹配的方法找到目标物体坐标系与图像坐标系中对应的标记点簇，求得目标物体坐标系与相机坐标系之间的关系，从而得出目标物体的三维位姿。本专利技术所提供的圆柱状目标的位姿测量方法至少具有以下优点:(I)标记点易于检测、识别；(2)标记点与图像检测结果能够实现很好地对应；(3)各标记点簇构成的模式丰富且不重复；(4)目标位姿测量方法快速精确。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术的标记点布局图；图2是本专利技术每一簇标记点中标识点的布局图；图3是本专利技术的标记点坐标系；图4是本专利技术标记点I的安装图；图5是本专利技术标记点2的安装图；图6是本专利技术标记点3的安装图；图7是本专利技术用经纬仪对标记点的精测图；图8是摄像机采集标记点的示意图。【具体实施方式】本专利技术采用的技术方案及步骤如下:( I)设计目标标记点的布局目标标记点的位置是视觉系统计算目标位姿的输入量，其布局状况直接关系到后面对目标距离及旋转角度的测量。为了能够有效测量圆柱状目标的旋转角度，需要使得目标表面各个方向上的标记点具有不同的模式，即不同的标记点簇模式对应不同的旋转角度。标记点布局遵循以下原则:①标记点由黑色实心圆和圆环组成，分别代表不同的编码兀素，实心圆代表O,圆环代表1，两者在图像检测中容易识别，易于图像特征点和目标标记点的匹配。②每列标记点为一组，每组标记点位于与圆柱目标物母线平行的直线上，相邻4组为一个特征标记点簇，各组标记点之间的距离相等。③每个簇中包含9个点,其中,有一组是由三个标记点构成的,剩余的三个组分别为两个标记点构成，3个点作为标识位,其余6个点作为信息存储点,且标识点和信息存储点没有特定的前后顺序，这样可以循环使用标识位点来组成一个可识别的特征点簇。 ④在各个簇中，实心圆与圆环的排列各不相同，每个簇分别对应一个特定的模式，即一个特定的0，I序列，这样就可以通过相邻两幅图像对应的标记点模式来确定目标物体的旋转角度。⑤为了区分目标物体正立、倒立两种状态，指定标示位点所在列的点间距比例最优为5:3，如图2所示，这样就可以通过计算标识位点之间的间隔比例来确定目标物是处于哪种状态。具体地说，标示位所在列的相邻标示点之间的间距分别为SI和S2，其中，SI Φ S2，指定:S1>S2 为正，S2>S1 为倒。(2)标记点坐标系的建立及坐标的确定以目标圆柱体底面圆心为坐标原点建立参考坐标系，然后根据标记点的布局要求，分别确定各个标记点的坐标。(3)安装目标标记点由于目标标记点制作误差较大，故本专利技术采用先粗略安装后精确测量的顺序完成标记点的安装。在粗略安装过程中，首先对点I和点2进行安装，然后分别在点1、点2同一水平线上圆弧距离为0.5326r Cr为圆柱底面半径)的地方安装点3、点4，如此进行下去，直到完成所有目标点的安装。在精确测量过程中，在目标圆柱周围安置3台经纬仪，使3台本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种圆柱状目标的位姿测量方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）目标标记点的布局：每列标记点为一组，相邻4组为一个特征标记点簇，其中，在每簇中，有一列有三个标记点，其余各列有两个标记点，选取包含三个标记点的所在列为标示位，其余为信息存储点；（2）标记点坐标系的建立：以圆柱体底面圆心为坐标原点建立标记点的参考坐标系，其中，圆柱体的轴心线作为Z轴，圆柱体底面所在平面相互垂直的两个射线所在方向分别为X轴和Y轴；（3）安装目标标记点：每一列的标示点连线与圆柱体轴心线平行设置；（4）利用计算机视觉算法求解目标物体的三维位姿及旋转角度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭宇，宋宇，王璇，王飞，成乐，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：