追踪可移动目标物体的方位的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开总体涉及用于追踪可移动目标物体(如，由计算机程序引导的履带交通工 具或其他电动机械机器)相对于工件或零件移动时的方位的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 涉及使用履带交通工具或其他计算机控制的电动机械机器的制造处理的应用经 常运用参考坐标系内的方位追踪。现有的方位追踪解决方案可以分为两类:绝对运动追踪 和增量运动追踪。绝对运动追踪涉及到追踪被限定在参考坐标系(如飞机坐标系）内的位置 和/或取向。用于绝对运动追踪的已知技术包含光学运动捕捉、激光追踪、深度摄像机、磁性 追踪以及基于声波的追踪。
[0003] 增量运动追踪测量相对于在前坐标测量值的位移。一种用于增量运动追踪的已知 技术运用编码器，编码器响应于增量移动输出脉冲。在使用增量运动测量的应用中，误差可 以随着时间累积。在要求相对于绝对坐标系有限的误差的实际情况中，这种误差累积是不 可取的。因此，需要实现一种处理，其可以以较低的更新速率提供准确的绝对测量值，而该 测量值可以被整合到以较高更新速率运行的增量运动测量系统内。
[0004] 尽管存在其他的绝对测量系统以使用基于光学或图像的技术测量位置和取向，但 是它们通常要求将多个摄像机放置在目标物体周围。使用单个"深度"摄像机的一种已知绝 对测量系统具有受限的范围和区别具体特征的受限的能力。有利的是，能够使用单个标准 视频摄像机来追踪位置和取向。
【发明内容】
[0005] 本文公开的自动测量处理提供了生成相对(增量)追踪数据的系统内的绝对测量。 本申请还使用由于采用单个摄像机配置而易于安装的便携低成本设备解决了自动运动追 踪并控制如表面爬行交通工具等交通工具。当与测程法(或其他相对坐标测量)一起使用 时，这种追踪系统可以为运动受控的交通工具提供绝对坐标校正方法。当没有与运动控制 一起使用时，这种追踪系统仍可以提供追踪一个或多个物体在大体积内的方位的自动方 法。
[0006] 当可移动目标物体至少暂时静止（即，静止的时间足够长，使得可以完成该处理的 测量部分)时，所述自动处理使用本地定位系统(LPS)获取一个或多个可移动目标物体的方 位(即，位置和取向）数据。在目标物体能够在计算机控制下移动的情况下，这种自动处理可 以使用测量的方位数据以校正该目标物体的位置和取向。该系统利用本地定位系统的测量 和图像捕捉能力，并且将可控的标记灯、图像处理以及坐标变换计算整合以便为交通工具 方位控制提供追踪信息。所产生的系统能够追踪物体在参考坐标系内的方位和取向，例如 追踪飞机机翼表面上的履带交通工具。该系统提供了对其他类型的场外(off-board)追踪 系统低成本的可替换物，其是便携的、易于安装并且能够由单个用户操作。
[0007] 下文具体公开的主题的一个方面是当目标物体装备有被布置成已知图案的至少 三个激活目标标记时用于确定三维参考坐标系内目标物体的当前方位的方法。该方法包括 以下步骤：（a)定义摄像机相对于参考坐标系的方位；（b)当摄像机被定位在目标物体的中 心上并且所有激活目标标记没有开启时捕捉图像；（c)当摄像机被定位在目标物体的中心 上并且激活目标标记中的一个或多个开启时捕捉一个或多个图像；（d)处理图像以计算出 表示所有激活目标标记没有开启时所捕捉的图像和激活目标标记中的一个或多个开启时 所捕捉的每个图像之间的差异的差分图像；（e)针对与相应激活目标标记对应的差分图像 内的不同区域，计算相应的平均像素坐标；（f)针对相应的激活目标标记，瞄准激光范围探 测器并且在由相应的平移和倾斜角限定的方向上发射激光束，所述平移和倾斜角是至少所 述目标物体被定位在所述摄像机的图像视场的中心内时的平移和倾斜角以及相应平均像 素坐标和图像中心的像素坐标之间的差异的函数；（g)针对相应的激活目标标记，在发射相 应激光束之后，获取相应的范围、平移以及倾斜数据；（h)基于测量的范围、平移和倾斜数 据，计算与参考坐标系内激活目标标记对应的相应点的坐标；以及（i)将从测量的平移、倾 斜以及范围数据中计算出其坐标的相应点的相应位置与被布置成已知图案的相应点的相 应位置相比较以确定依据参考坐标系定义的目标物体的当前位置和取向。
[0008] 根据一些实施例，步骤(C)包括当至少三个激活目标标记开启时捕捉一个图像。根 据其他的实施例，步骤(C)包括当按序开启第一、第二以及第三激活目标标记时捕捉相应图 像。
[0009] 根据一些实施例，步骤(d)包括:基于所述差异，分割差分图像以包含与激活目标 标记对应的分离区域;并且针对与激活目标标记对应的每个分离区域的相应圆心，计算差 分图像内的相应的平均像素坐标。
[0010]根据另一方面，上述方法可以进一步包括:基于所述点之间的相对距离而测量点 图案;并且基于测量的点图案和已知点图案之间的差异，计算表示参考坐标系内目标物体 的方位的第一变换矩阵。在一些实施例中，已知点图案是非对称的。
[0011] 根据又一方面，上述方法可以进一步包括:将目标物体放置在初始方位;计算表示 目标物体相对于参考坐标系的初始方位的第二变换矩阵;从初始方位向当前方位移动目标 物体;计算第二变换矩阵的逆;以及计算第一变换矩阵与第二变换矩阵的逆的乘积，该乘积 是第三变换矩阵，其表示相对于目标物体的初始方位的目标物体的当前方位。根据一些实 施例，该方法还包括响应于从初始方位到当前方位的移动期间目标物体的增量运动而生成 编码器脉冲。
[0012] 下文详细公开的主题的另一方面是方位追踪系统，其包括:平移倾斜机构;安装到 平移倾斜机构的摄像机和激光范围探测器;装备有至少三个激活目标标记的目标物体；以 及以用于控制摄像机、激光范围探测器以及平移倾斜机构的第一软件、用于处理通过摄像 机获取的图像的第二软件以及用于控制目标物体的运动和至少三个激活目标标记的状态 的第三软件编程的计算机系统。
[0013] 根据前述段落中描述的方位追踪系统的一个实施例，第一软件包括用于命令平移 倾斜机构使摄像机瞄准目标物体并且命令所述摄像机捕捉目标物体的图像的例程;第二软 件包括用于处理捕捉的图像以计算表示激活目标标记没有开启时所捕捉的图像和激活目 标标记中的一个或多个开启时所捕捉的每个图像之间的差异的差分图像的例程；以及第三 软件包括用于控制每个激活目标标记的状态的例程。目标物体可以包括，例如，履带交通工 具或机械臂的基座。在履带交通工具是完整运动的履带交通工具的实施例中，该系统可以 进一步包括用于追踪履带交通工具的增量运动的装置。
[0014] 方位追踪系统的另一个方面包括:平移倾斜机构；安装到平移倾斜机构的摄像机 和激光范围探测器;装备有被布置成已知图案的至少三个激活目标标记的目标物体；以及 计算机系统，所述计算机系统被编程以执行以下操作：（a)调节平移倾斜机构的平移和倾斜 角以将摄像机定位在目标物体的中心上，使得激活目标标记处于摄像机的图像视场内；（b) 当将摄像机定位在目标物体的中心上并且所有激活目标标记不开启时，命令摄像机捕捉图 像；（c)当摄像机被定位在目标物体的中心上并且激活目标标记中的一个或多个开启时，命 令摄像机捕捉一个或多个图像；（d)处理图像以计算表示激活目标标记没有开启时所捕捉 的图像和激活目标标记中的一个或多个开启时所捕捉的相应图像之间差异的差分图像； (e)计算与相应激活目标标记对应的差分图像内不同区域的相应的平均像素坐标；（f)针对 相应的激活目标标记，命令激光范围探测器在由相应的平移和倾斜角限定的方向上发射激 光束，所述平移和倾斜角是至少所述目标物体被定位在图像视场的中心内时的平移和倾斜 角以及相应平均像素坐标和指示器图像的中心的像素坐标之间差异的函数；（g)针对相应 的激活目标标记，命令平移倾斜机构获取相应的平移和倾斜数据并且在发射相应的激光束 之后，命令激光范围探测器获取相应的范围数据；（h)基于测量的范围、平移和倾斜数据，计 算与参考坐标系内的激活目标标记对应的相应点的坐标；以及(i)比较从测量的平移、倾斜 以及范围数据中计算出其坐标的相应点的相应位置与被布置成已知图案的相应点的相应 位置，以确定目标物体关于参考坐标系的当前位置和取向。
[0015] 下文公开了用于追踪可移动目标物体的方位的系统和方法的其他方面。
【附图说明】
[0016] 图1是已知装备有编码器的移动装置的一些组件的示意俯视平面图，通过使用基 于航位推测测程的处理可以追踪所述已知装备有编码器的移动装置的增量移动。
[0017] 图2是瞄准目标物体的已知本地定位系统的示意等距视图。
[0018] 图3是根据一种配置使用本地定位系统来追踪和控制履带交通工具的运动的系统 的示意等距视图。
[0019] 图4是在每个侧面上具有相应的三个激活目标标记组(仅一组可见）的履带交通工 具的示意透视图。根据描述的实施例，激活目标标记是LED灯。
[0020] 图5显示了图5A和图5B的相互关系，其包含显示了根据一个实施例的自动方位测 量处理的步骤的流程图的相应部分。
[0021] 图6是表示中间图像处理结果的示意图，其根据图5中描绘的处理通过使用图4中 所示的履带交通工具产生。
[0022]图7是显示系统配置的方框图，在所述系统配置中，单个计算机运行多个处理。（可 替换地，每个处理均可以在分离的计算机或处理器上运行）
[0023]图8是可以根据另一种配置执行机器人与零件定位处理的系统的示意等距视图。 [0024]图9是显示了机器人与零件定位处理的步骤的流程图，其运用了图8中描绘的所述 类型的本地定位系统。
[0025]图10是一幅示意图，其在附录中被参考且显示了从仪器坐标系{A}的原点，基本沿 着仪器的瞄准点轴延伸到感兴趣点P的位置向量AP，并且还显示了从目标物体坐标系{B}的 原点延伸到感兴趣点P的位置向量B