基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置及其测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置及其测量方法，装置包括图像采集装置、平面光栅标志器、背光光源、图像和数据处理系统和固定标志器平台，图像采集装置与图像和数据处理系统电信号连接，背光光源紧贴于平面光栅标志器下部与其固定连接，背光光源固定于固定标志器平台上，图像采集装置实时采集平面光栅标志器的图像，并将图像传至图像和数据处理系统测量方法包括以下步骤：对采集图像进行预处理；提取标志器的光栅暗条纹及辅助标识特征；使用辅助特征进行位姿粗估计；使用粗、精多组光栅计算精确角度偏移量；将粗、精计算结果进行数据融合，得到最终位姿估计结果。本发明实现了高精度的三维位姿测量，测量自动化程度高。
【专利说明】基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002]与传统测量方法相比，基于视觉的三维位置和姿态测量具有非接触、动态响应快、操作便捷、自动化程度高等特点，自80年代后期起获得迅速发展，已广泛应用于制造与加工工业、航天测量与地面仿真系统、自主飞行器与地面车等领域中。现有位姿测量方法包括经纬仪、惯性器件组合(惯组)、直线/圆光栅、三坐标测量机、激光测量、结构光测量以及基于特定光学标志的三维测量等。经纬仪和三坐标测量机测量精度高，但一般仅限于离线手动测量，同时三维姿态需间接解算。使用惯组同样可完成位置、姿态测量，但测量误差随时间积累，同时标定和校正繁琐，器件价格高。通过直线/圆光栅测量可达到很高精度，但仅可完成单自由度位置和姿态测量，并且需安装于轴系或发生相对运动处，在很多测量场合，如并联机器人平台、气浮平台中无法应用。激光和结构光测量方法需要附加的激光或结构光光源，体积较大，同时应用受测量环境尺寸及几何形状限制。基于一般光学标志三维位姿测量是一种基于机器视觉的全被动式测量方式，使用灵活，可实现全自动连续测量，同时无需附加特殊光源。这类方法最大的问题是测量精度。受光学标志特征和非线性位姿解算的影响，该方法的测量精度、特别是姿态测量精度偏低，无法满足实际要求。
[0003]经文献检索，中国发明专利号:200610105107.8，专利名称为:基于机器视觉和平面正交光栅的测量装置及测量方法，该专利给出了一种基于正交光栅的精密平台测量定位方法，但该方法中使用的平面光栅为单层，仅用于投射测量，不具备位移和姿态放大效果；同时测量需借助显微镜实现，且测量范围过小(10mm*8mm，0.1rad)，无法满足大多数应用要求。中国发明专利号:200980100313.1，专利名称为:位置测量系统及位置测量方法、移动体装置、移动体驱动方法、曝光装置及曝光方法、图案形成装置、以及组件制造方法，该专利给出了一种基于光栅的高精度位置测量方法，但无法测量相对姿态。中国发明专利号:201210321861.0，专利名称为:一种五自由度主动磁悬浮惯性稳定平台，该专利给出了一种基于码盘和光栅尺的相对姿态测量方案，但测量依赖于轴系结构，在并联机构、气浮平台等机构的测量中无法应用。朱海军在其博士论文“双同心圆光栅二维平面位移测量术”中使用同心圆光栅测量平面位移，精度高，抗噪性较好。但该方法同样仅能测量平面位移。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置及方法。
[0005]本发明所采用的技术如下:一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，包括图像采集装置、平面光栅标志器、背光光源、图像和数据处理系统和固定标志器平台，图像采集装置与图像和数据处理系统电信号连接，背光光源紧贴于平面光栅标志器下部与其固定连接，背光光源固定于固定标志器平台上，图像采集装置实时采集平面光栅标志器的图像，并将图像传至图像和数据处理系统；所述的平面光栅标志器包括双层透射光栅片和光栅图案，光栅图案设置在双层透射光栅片上；所述的图像和数据处理系统包括计算机硬件、图像和数据处理软件和显示设备，通过图像采集装置将采集到的数字图像首先在计算机硬件中暂存，然后应用图像和数据处理软件完成图像处理、视觉检测和相对位姿计算，最后将测量结果在显示设备上显示。[0006]本发明还具有如下特征:
[0007]1、所述的背光光源包括光源控制器、照明光源和漫射片，照明光源安装于漫射片下方，光源控制器与照明光源电信号连接，光源控制器为照明光源供电并提供亮度控制，照明光源通过漫射片为平面光栅标志器提供均匀的背光照明，形成清晰光栅条纹。
[0008]2、所述的双层透射光栅片包括2块透射光栅片及3块透明基板，由上至下按第一透明基板、第一透射光栅片、第二透明基板、第二透射光栅片、第三透明基板的顺序设置并保持平行，通过固定螺栓紧固。
[0009]3、所述的每个透射光栅片设置有2条粗测光栅条纹和2条精测光栅条纹，两种条纹呈相互正交排列；第一透射光栅片和第二透射光栅片其上、下位置对应光栅条纹间距存在差别，第一透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ i，第二透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ2, A1 > λ 2，则栅距差比ι=( λ「λ JA1X 100% A=0.5%~I 第一透射光栅片的精测光栅条纹对应间距为λ 3，第二透射光栅片的精测光栅条纹对应间距为入4，λ 3 >入4，则栅距差比r2=( λ 3- λ 4)/ λ 3Χ 100%, r2=0.1~0.3% ;该设计保证光栅图案对被测目标体位置和姿态的微小变化有放大作用。
[0010]4、所述的平面光栅标志器的四角分别设置有辅助标志物。
[0011]5、所述的透射光栅片由多组具有不同分辨率的光栅刻线构成。
[0012]6、所述的粗测光栅条纹的间距为精测光栅条纹的2~5倍。
[0013]7、一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量方法，采用如上所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，使用图像采集装置采集图像，并传至图像和数据处理系统，步骤如下:
[0014](I)使用图像采集装置采集图像，并传至图像和数据处理系统，并对采集的图像进行去噪和图像增强预处理；
[0015](2)通过图像分割和特征提取，得到平面光栅标志器各组光栅图案形成的光栅暗条纹和辅助标识特征；
[0016](3)使用平面光栅标志器四角的辅助标识，首先定位圆标识点形心，进而通过PnP算法粗估计相对位姿，通过矩形特征定位判别保证求解的唯一性；
[0017](4)对于粗测光栅条纹，首先通过基于图像矩的方法进行主轴校正，计算条纹方向，进而使用灰度投影法检测条纹相位，并得到位置偏移δ，对精测光栅条纹重复上述处理过程，得到位置偏移；
[0018](5)精确偏移角度计算:第一透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ i，第二透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ 2，基板高度为d，光线透过第一和第二光栅片形成的光栅暗条纹图案位置偏移为S ;当角度偏移小于一个光栅暗条纹周期对应的角度时，偏移量Θ计算如下:
【权利要求】
1.一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，包括图像采集装置、平面光栅标志器、背光光源、图像和数据处理系统和固定标志器平台，其特征在于:图像采集装置与图像和数据处理系统电信号连接，背光光源紧贴于平面光栅标志器下部与其固定连接，背光光源固定于固定标志器平台上，图像采集装置实时采集平面光栅标志器的图像，并将图像传至图像和数据处理系统；所述的平面光栅标志器包括双层透射光栅片和光栅图案，光栅图案设置在双层透射光栅片上；所述的图像和数据处理系统包括计算机硬件、图像和数据处理软件和显示设备，通过图像采集装置将采集到的数字图像首先在计算机硬件中暂存，然后应用图像和数据处理软件完成图像处理、视觉检测和相对位姿计算，最后将测量结果在显示设备上显示。
2.如权利要求1所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于:所述的背光光源包括光源控制器、照明光源和漫射片，照明光源安装于漫射片下方，光源控制器与照明光源电信号连接，光源控制器为照明光源供电并提供亮度控制，照明光源通过漫射片为平面光栅标志器提供均匀的背光照明，形成清晰光栅条纹。
3.如权利要求1所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于:所述的双层透射光栅片包括2块透射光栅片及3块透明基板，由上至下按第一透明基板、第一透射光栅片、第二透明基板、第二透射光栅片、第三透明基板的顺序设置并保持平行，通过固定螺栓紧固。
4.如权利要求3所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于:所述的每个透射光栅片设置有2条粗测光栅条纹和2条精测光栅条纹，两种条纹呈相互正交排列；第一透射光栅片和第二透射光栅片其上、下位置对应光栅条纹间距存在差别，第一透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ i，第二透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ2, A1 > λ 2，则栅距差比r1=( λ「λ JA1X 100 Kr1=0.5%~I 第一透射光栅片的精测光栅条纹对应间距为λ 3，第二透射光栅片的精测光栅条纹对应间距为λ4，λ3> λ4，则栅距差比 r2=(λ3-λ4)/λ3Χ100%,r2=0.1 ~0.3%。
5.如权利要求1所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于:所述的平面光栅标志器的四角分别设置有辅助标志物。
6.如权利要求3所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于:所述的透射光栅片由多组具有不同分辨率的光栅刻线构成。
7.如权利要求4所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于:所述的粗测光栅条纹的间距为精测光栅条纹的2~5倍。
8.一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任意项所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，步骤如下: (1)使用图像采集装置采集图像，并传至图像和数据处理系统，并对采集的图像进行去噪和图像增强预处理； (2)通过图像分割和特征提取，得到平面光栅标志器各组光栅图案形成的光栅暗条纹和辅助标识特征； (3)使用平面光栅标志器四角的辅助标识，首先定位圆标识点形心，进而通过PnP算法粗估计相对位姿，通过矩形特征定位判别保证求解的唯一性； (4)对于粗测光栅条纹，首先通过基于图像矩的方法进行主轴校正，计算条纹方向，进而使用灰度投影法检测条纹相位，并得到位置偏移5，对精测光栅条纹重复上述处理过程，得到位置偏移； (5)精确偏移角度计算:第一透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为X1，第二透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ 2，基板高度为d，光线透过第一和第二光栅片形成的光栅暗条纹图案位置偏移为S ;当角度偏移小于一个光栅暗条纹周期对应的角度时，偏移量Θ计算如下:
【文档编号】G01C11/04GK103712603SQ201310676383
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月7日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】屈桢深, 乔宇, 李思聪, 李清华, 王常虹 申请人:哈尔滨工业大学