单目摄像机-激光测距传感器位姿测量系统

在单目视觉测量中,由于模型自身的限制,沿摄像机光轴方向上的位移测量精度一般远低于垂直光轴方向上的位移测量精度.首先,从数学模型上分析了单目视觉位姿测量在沿光轴方向上位移测量精度低的原因;然后,为了提高沿摄像机光轴方向上的位移测量精度,通过在沿摄像机光轴方向上加装一个高精度的激光测距传感器,设计了一种单目摄像机-激光测距...     

一种单目视觉位姿测量系统的误差分析方法

针对单目视觉位姿测量传统误差分析方法中只考虑单一误差因素，分析结果与工程实际有较大差异的问题，提出一种考虑多误差因素共同作用的误差分析方法。根据单目视觉系统的测量范围和相机参数建立其位姿测量模型；综合考虑相机内参、镜头畸变、图像点、靶标三维点等误差因素，将其同时引入位姿测量模型进行分析；分析抑制不同参数误差及提高相机分辨率等在多误差因素共同作用下对位姿测量结果的影响，找到最有效的精度优化方法。采用小型机械臂手眼定位中的单目视觉位姿测量系统进行实验，结果表明通过抑制相机径向畸变误差和提高相机分辨率，能够有效地提升该系统的位姿测量精度，位姿精度分别提升6.57%、4.21%和5.88%、5.54%。     

基于单目视觉的航天器位姿测量

鉴于实时高精度航天器位姿测量不仅是航天器实时监控和跟踪的重要技术保证,同时也是实时调整和补偿航天器姿态的主要依据,提出一种基于单目视觉的航天器实时位姿测量方法,利用高精度旋转平台几何摄像机的方式对被测目标进行位姿解算。该方法不需要对被测目标进行几何约束,同时也不用进行转站测量,因而可以进行动态实时的在线位姿检测。航天器位姿实验结果表明:该单目视觉测量方法姿态测量误差小于0.05°,位置测量误差小于0.02 m,满足实际工程0.1°和0.05 m的精度需求。     

单目视觉与倾角仪组合优化的位姿测量系统

为了提高单目视觉实时测量双护盾隧道掘进机前后盾相对位姿的精度,引入高精度倾角传感器与单目视觉构成一种组合测量系统。该系统将两个倾角传感器分别与视觉传感器和特征点系统固定连接,通过倾角传感器提供的多个角度约束,结合单目视觉实现掘进机前盾体相对于后盾体位姿的更高精度测量。仿真实验表明该系统是可行的,并且具有理想的精度。搭建了模拟双护盾隧道掘进机位姿变化的实验平台,利用全站仪进行精度验证。结果表明系统的测量精度优于3mm,相对于单目视觉测量方法来说,测量精度有了显著提升,可以满足隧道施工中双护盾隧道掘进机位姿的精密测量需求。     

基于数字图像相关法的空间目标位姿测量

针对传统立体视觉位姿测量方法中必须事先确定计算点的数量和位置的局限性,提出了一种基于三维数字图像相关法(3D-DIC)的空间目标位姿测量方法。该方法通过3D-DIC获得被测物不同时刻的全场坐标信息,根据提取的相应计算点坐标,结合空间向量求解空间目标的位姿参数。该方法可灵活选取计算点的数量和位置,并相应提出了计算点数量最优比条件。通过位移旋转台和六自由度平台分别对复杂形貌特征的面具试样进行了多位姿参数测量的实验验证。实验结果表明,计算点数量满足最优比条件时位姿测量精度最高,计算点的位置对测量结果影响较小,六自由度平台的测量误差在允许范围之内。所提出的3D-DIC位姿测量方法可在较小的误差范围内实现对空间目标多个位姿参数的测量。     

面向机器人位姿测量的大视场变焦测量方法

针对机器人大范围位姿精准测量问题,提出一种大视场位姿测量的变焦测量方法。利用变焦图像匹配点的单应矩阵进行变焦内参动态计算,根据变焦前后靶标位姿求解相机坐标系变换,给出与变焦参数相关的PnP算法,考虑畸变后进行参数优化,并提出缩放和对焦两步变焦控制策略。提出一种基于图像模板的靶标板位姿测量算法,在靶标可视姿态均能稳定检测并区分标志点。对变焦测量系统进行误差测量实验和大场景跟踪实验,结果表明,不同变焦参数下均具有较高的单点测量精度,平均位置精度最高21.8μm,在400~1600 mm范围误差0.09mm,精度较高,使用的变焦相机可实现178.7461~9022.31mm测量。该方法实现了相机活动范围受限而测量范围可拓展的位姿测量。     

六自由度机构位姿的单相机照相测量研究

用单相机对新型的六自由度机构样机的六个自由度位移进行了非接触式照相测量。简要回顾了照相法的研究概况及该测量研究的工作背景;介绍了相机标定原理及具体标定方法。建立了被测样机的CAD模型,进行了自由度位移仿真,将仿真结果作为理想数据与实测数据进行比较,从而获得测量误差,并对测量误差进行了初步分析。探讨了单相机照相测量法的应用前景。     

基于圆特征和异面点特征的位姿测量

通过增加常见的点特征为位姿测量提供空间几何约束,分析利用圆形目标和与之异面的特征点进行单目视觉定位时位姿解个数的情况.以光心和特征点位于圆平面两侧为前提条件,运用几何方法证明了特征点与光心和圆平面的相对位置决定了位姿解的个数,并求出唯一位姿解和两组位姿解时光心、圆平面和特征点的位置关系,提出了基于圆特征和异面点特征的位姿求解算法,实现了6维位姿量测量,仿真实验和实物实验结果验证了算法的有效性和准确性.     

基于自由镜面反射位姿评估的条纹反射摄影测量

在条纹反射摄影测量中,由于产生条纹图形的液晶显示器不直接出现在摄像机的视场范围内,摄像机与液晶显示器之间的位姿标定是条纹反射摄影测量的主要难点。为了简化标定过程,提出了采用平面镜直接对液晶显示器上的条纹反射3次并利用固定摄像机接收反射条纹,通过对摄像机与条纹虚像之间的3次位姿评估,完成摄像机与液晶显示器的位姿标定的方法。在镜面面形测量中,利用两者之间的位姿关系可以将待测点的反射光线和入射光线统一在摄像机坐标系下,完成光线的三角交会,实现镜面面形测量。数值模拟和实验结果表明,此方法简单易行,且精度较高。     

基于去离群点策略提高目标位姿测量精度

针对在单目视觉目标位姿测量过程中,特征点提取出现离群点的情况,提出一种基于去除离群点策略的位姿测量方法(ORPE).建立了以特征点误差极大极小为原则的最优化目标函数,通过确定特征点最大观测误差值边界,判定并去除离群点,由此可消除离群点误差对位姿测量的影响.仿真实验使用ORPE对1 m×1 m × 1 m的立方体目标进行位姿测量,验证了算法的正确性;使用ORPE测量Boeing飞机模型的位姿,平均姿态角误差2.07°,平均位移误差1.6%.通过和最小二乘测姿法(LSPE)结果对比分析可得ORPE法误差小于LSPE法误差.表明ORPE能有效去除离群点,同时提高佗姿测量精度.     

基于单目视觉的航天器间相对位姿测量算法

对航天器间相对位姿的光学测量问题进行了研究,提出了一种新的单目视觉测量算法——相似迭代算法。该算法根据三角形相似原理提出了一种新的深度迭代机制,并通过引入深度变量,将求解2D-3D问题转化为迭代求解3D-3D问题。对数值仿真与两种现有的测量算法进行了比较。仿真结果表明,该算法具有精度高、抗噪声能力强和实时性较好等优点,可以应用于航天器间相对位姿测量等任务。     

基于角度约束的目标位姿测量二义性剔除方法

为了有效解决单圆特征目标位姿解存在二义性的问题,提出了基于角度约束的目标位姿虚假解的消除方法。在相机标定好的前提下,在水平面上平移相机系统获得两幅或两幅以上具有圆特征的目标物图像,以圆形特征目标物的真实姿态角在相机坐标系下保持不变作为约束,可以有效剔除虚假解。可将该方法应用于末端安装摄像机的工业机器人,操控机器人做已知的平移运动从而有效剔除圆特征目标位姿的虚假解。通过实验验证,圆特征目标姿态角的绝对误差小于0.5°,然后可通过真实姿态选出对应目标的真实位置。该方法简单易行,不需要额外的高昂设备就能精确地定位出物体的真实位姿,成功率可达100%。     

光学耦合CT系统几何位姿参数标定方法

利用光学耦合CT系统对样品进行高分辨清晰成像的前提是准确求取系统的几何位姿参数.为求取系统几何位姿参数,针对光学耦合CT系统,提出一种数学参数定标模型.该模型利用由两个微球组成的双微球模体,通过对模体进行圆周扫描成像,获取双微球投影构成的椭圆轨迹,建立椭圆方程与几何位姿参数之间的数学关系,从而求解几何位姿参数.实验结果...     

激光投影成像式运动目标位姿测量与误差分析

为了实现室内运动目标位姿的高精度测量,建立了一套激光投影成像式位姿测量系统.该系统利用两两共线且交叉排列在同一平面上的点激光投射器作为合作目标捷联在运动目标上,通过与光斑接收幕墙的配合共同组成运动目标位姿测量基线放大系统,利用高速摄像机实时记录幕墙上投影光斑的位置,利用摄像机标定结果求解投影光斑的世界坐标,利用投影光斑之间构成的单位向量建立运动目标位姿解算模型.最后,根据测量原理推导了图像坐标提取、摄像机外部参数标定、光束直线度与目标位姿解算结果之间的误差传递函数.实验结果表明,当摄像机的视场范围为14 000mm×7 000mm时,测量系统的姿态角测量精度为1′(1δ),位置测量精度为5mm,且误差大小与目标位姿测量误差传递函数理论计算值一致,验证了本文提出的目标位姿测量方法与测量误差传递模型的准确性,能够满足目标位姿测量高精度的要求.     

基于特征圆靶的单目视觉位姿测量算法研究

为提高基于工业机器人近距离下空间平面位姿的求解精度,分析了由透视畸变引起的圆投影误差的变化规律,以物距与特征圆半径的比值作为衡量圆透视畸变误差的参数依据,提供了不同物距下的精度参考。推导了基于空间圆投影图像的三点相对位姿求解算法。定量的误差分析和实验验证表明,物距与特征圆半径比值在18以内像素精度在0.1～1像素时,算法精度平均可以达到0.1°,优于文中其他两种算法。     

多摄像机系统位姿估计的广义正交迭代算法

目前,多摄像机系统的位姿估计还缺乏系统的方法,它通常通过求解透视n点问题或者求解使两组3D点集之间平方和误差最小的刚体变换来解决,这些方法都有局限性.正交迭代算法是基于点特征的单目视觉算法,快速且全局收敛,是目前性能最优的实时位姿估计算法之一,被广泛应用.提出了一种广义正交迭代算法把所有摄像机获取的全部图像作为整体计算得到相对位姿参数,是通用的多目视觉位姿估计算法.算法先把所有摄像机数据进行统一表达,再把所有摄像机观测到的全部特征点的目标空间共线性误差平方和作为误差函数,最后经数学推导得到使该误差函数最小化的迭代求解过程.实验结果验证了算法的有效性以及在多摄像机系统位姿估计中的优越性.     

交会对接航天器间相对位姿参数单目视觉测量的解析算法

利用四个非共面设置的特征光标和单个CCD相机,采用单位四元素来描述航天器相对姿态,基于比例正交投影近似假设,建立目标航天器已知特征光标物理坐标和对应图像点图像坐标之间的简化数学模型,以解析的形式给出了航天器间相对位姿参数(相对位置和姿态),并对解析解进行修正。对该算法进行数学仿真,仿真结果表明,算法简单可靠,能够满足航天器确定精度和实时计算的要求。     

激光束空间位姿高精度标定方法

关节型激光传感器是新型的跨尺度空间、非接触三维坐标测量仪器。为使关节型激光传感器实现精密测量,需要精确标定其系统参数,尤其是标定激光束的空间位姿。提出一种基于平面靶标和球靶标相结合的激光束空间位姿标定方法。通过建立像素坐标系和世界坐标系的矩阵关系,得到激光点的三维坐标,进而通过直线拟合得到激光束的空间位姿。转台旋转轴的空间位姿通过最小区域圆拟合得到。实验结果表明,在1 m的测量范围内,传感器系统的最大距离测量误差约为0.05 mm,新标定方法准确有效。     

单目移动机器人相对位姿估计方法

针对单目机器人在运动过程中，相邻关键帧之间基线过短造成的相机相对位姿无法恢复的问题，提出了一种利用已知特定参照物迭代优化本质矩阵，从而快速分解出机器人相对位姿的方法。该方法首先利用已知特定参照信息获取本质矩阵估计值，然后通过相邻关键帧之间匹配的特征点组和本质矩阵估计值对本质矩阵迭代优化，最后通过本质矩阵的约束关系求得平移向量估计值，利用基于李群的姿态表示得到旋转矩阵估计值，并进一步优化得到唯一解。该方法避免了由于基线过短而无法恢复相机相对位姿的弊端。实验结果表明，该方法可快速解算并优化机器人相对位姿关系，且相对位移估计绝对误差小于0.03 m，优于传统方法。