專利名稱：基于點陣結(jié)構(gòu)光的障礙位置確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于視覺測量領(lǐng)域，涉及一種障礙位置確定方法。
背景技術(shù)：
障礙位置確定和識別是視覺測量領(lǐng)域研究的一個重要分支。傳統(tǒng)的視覺三維恢復(fù)算法主要采用雙相機進行障礙位置的確定，存在數(shù)據(jù)量大，計算速度慢、錯誤識別和錯誤計算的不足。結(jié)構(gòu)光視覺測量方法的研究最早見于20世紀(jì)70年代，結(jié)構(gòu)光三維視覺測量以其大量程、大視場、較高精度、結(jié)構(gòu)光圖像信息易于提取、實時性強及主動受控等特定，近年來得到了廣泛應(yīng)用，但并未發(fā)現(xiàn)用于障礙位置確定方面的文獻報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于點陣結(jié)構(gòu)光的障礙位置確定方法，通過避障相機配合激光點陣儀對相機前方的遮擋物體進行三維恢復(fù)， 從而高速準(zhǔn)確的判斷出遮擋物體的大小與位置。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于點陣結(jié)構(gòu)光障礙位置確定方法，步驟如下(1)選取采用f_ θ成像模型的魚眼相機作為避障相機，對所述魚眼相機進行標(biāo)定，得到魚眼相機的內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)；(2)對激光點陣儀進行標(biāo)定，標(biāo)定方法為(21)激光點陣儀的激光束射至地面上形成激光點，用攝影測量相機對對激光點拍照，經(jīng)圖像處理后得到激光點的像點坐標(biāo)；(22)利用攝影測量相機的內(nèi)參數(shù)進行三角測量，得到激光點在攝影測量相機測量系統(tǒng)下的三維坐標(biāo)；(23)建立經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)，確定經(jīng)緯儀測量坐標(biāo)系與攝影測量相機測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系；(24)通過經(jīng)緯儀測量激光點陣儀上的基準(zhǔn)鏡，確定經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)和激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；(25)通過步驟02)和步驟03)得到的激光點在經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)下的坐標(biāo)，并利用步驟04)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系得到激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置，完成激光點陣儀的標(biāo)定；(3)激光點陣儀的激光束射至障礙物上形成激光點，避障相機對激光點成像，根據(jù)激光點陣儀標(biāo)定結(jié)果得到激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置；(4)通過經(jīng)緯儀同時對避障相機基準(zhǔn)鏡和激光點陣儀基準(zhǔn)鏡進行準(zhǔn)直測量，建立避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系和激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系；(5)利用步驟的結(jié)果，將激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置轉(zhuǎn)換到避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下；
(6)利用步驟(3)得到的激光點在避障相機所成的像點和步驟(5)中得到的激光點在避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置，通過空間前方交會得到激光點在避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)初值，然后通過空間三角測量得到激光點在避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下精確的三維坐標(biāo)，從而獲得障礙點的位置信息。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明方法通過使用避障相機實現(xiàn)大范圍的障礙位置確定，結(jié)合點陣結(jié)構(gòu)光，通過避障相機坐標(biāo)系下激光光束的直線方程與激光點在避障相機的成像像點共同恢復(fù)激光點的三維坐標(biāo)，來判斷前方遮擋物體的大小與其避障相機坐標(biāo)系下的位置，進而通過遮擋物體的大小與位置信息引導(dǎo)月球車成功的實現(xiàn)自動避障功能，解決視覺成像系統(tǒng)在視場邊緣由于鏡頭畸變引的三維恢復(fù)精度差的不足，實現(xiàn)高速、 高精度準(zhǔn)確定位與識別。


圖1為本發(fā)明方法的原理圖；圖2為本發(fā)明方法的流程框圖；圖3為本發(fā)明避障相機標(biāo)定流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明基于點陣結(jié)構(gòu)光的障礙位置確定方法依靠避障相機與激光點陣儀共同完成，其核心思想是通過避障相機坐標(biāo)系下激光光束的直線方程與激光點在避障相機上的成像像點共同恢復(fù)激光點的三維坐標(biāo)，進而判斷前方遮擋物體的大小以及遮擋物體在避障相機坐標(biāo)系下的位置，以此信息來引導(dǎo)月球車成功的實現(xiàn)自動避障功能，其原理如圖1所示。本發(fā)明方法主要涉及避障相機、激光點陣儀和經(jīng)緯儀工業(yè)測量系統(tǒng)，其中避障相機是基于θ成像模型的大視場魚眼相機，激光點陣儀能夠發(fā)射出18條激光束到障礙物上，通過避障相機對激光點陣儀的激光點進行成像，獲取障礙位置處投射點在避障相機坐標(biāo)系下的三維信息，從而確定障礙位置。經(jīng)緯儀工業(yè)測量系統(tǒng)用來對避障相機和激光點陣儀的基準(zhǔn)鏡進行準(zhǔn)直測量，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法，將激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置關(guān)系轉(zhuǎn)換到避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下。經(jīng)緯儀工業(yè)測量系統(tǒng)包括兩臺由瑞士徠卡公司生產(chǎn)的兩臺ΤΜ5001電子經(jīng)緯儀、一臺日本索佳公司生產(chǎn)的ΝΕΤ05全站儀，一根經(jīng)過標(biāo)定的、長度為1007. 8毫米的基準(zhǔn)尺一根。如圖2所示，為本發(fā)明方法的流程圖。本發(fā)明基于點陣結(jié)構(gòu)光的障礙位置確定方法主要包括以下幾個步驟避障相機的標(biāo)定；激光點陣儀的標(biāo)定；避障相機對激光點成像； 激光點陣儀和避障相機關(guān)系的確定；通過空間前方交會和三角測量方法得到激光點在避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下精確的三維坐標(biāo)，從而獲得障礙點的位置信息。下面對主要步驟進行詳細(xì)說明。(1)選取采用f_ θ成像模型的魚眼相機作為避障相機，對所述魚眼相機進行標(biāo)定，得到魚眼相機的內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)。避障相機標(biāo)定流程如圖3所示。內(nèi)參數(shù)標(biāo)定利用高精度測量設(shè)備建立標(biāo)定場，利用避障相機對已經(jīng)進行測量完成的標(biāo)定場進行拍照，使用拍照得到的圖像與標(biāo)定場內(nèi)的已知點，利用光束平差法計算得到避障相機的內(nèi)參數(shù)。
外參數(shù)標(biāo)定利用經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)建立經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)坐標(biāo)系，在經(jīng)緯儀測量坐標(biāo)系下對避障相機基準(zhǔn)鏡進行準(zhǔn)直，得到避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系在經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)下的參數(shù)。利用經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)對標(biāo)定場進行測量，得到標(biāo)定場標(biāo)志在經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。利用公共點轉(zhuǎn)換，得到標(biāo)定場坐標(biāo)系與經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而獲得避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系與標(biāo)定場坐標(biāo)系的關(guān)系。利用已經(jīng)標(biāo)定完內(nèi)參數(shù)的避障相機再次對標(biāo)定場進行拍照，利用后方交會方法得到避障相機坐標(biāo)系與標(biāo)定場坐標(biāo)系的關(guān)系， 從而獲得避障相機坐標(biāo)系與避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系的關(guān)系，即標(biāo)定出避障相機的外參數(shù)。相機內(nèi)參數(shù)相機內(nèi)參數(shù)包含像主點在像平面上的位置與相機的焦距。本發(fā)明中提到的內(nèi)參數(shù)除了包含像主點在像平面上的位置與相機的焦距之外還包括相機鏡頭的畸變參數(shù)。相機外參數(shù)用來表示相機特定坐標(biāo)系下的位置與方向的一組參數(shù)，包含其中心點的空間坐標(biāo)Xs、YsJs與其空間軸系的角定向元素RX，RY, RZ。(2)對激光點陣儀進行標(biāo)定，標(biāo)定方法為(21)激光點陣儀的激光束射至地面上形成激光點，用攝影測量相機對對激光點拍照，然后對攝影測量相機對的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定，再對攝影測量相機對的相對參數(shù)進行標(biāo)定，組成雙相機測量系統(tǒng)，利用已經(jīng)標(biāo)定好的攝影測量相機對對激光點拍照，對所拍攝的圖像進行處理，得到激光點的像點坐標(biāo)(x，y)；(22)利用攝影測量相機的內(nèi)參數(shù)進行三角測量，得到激光點的三維坐標(biāo)(X，Y， Z)；利用處理過的圖像得到激光點在攝影測量相機對測量系統(tǒng)下的三維坐標(biāo)(X'，V， V )；(23)建立經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩臺由瑞士徠卡公司生產(chǎn)的兩臺TM5001 電子經(jīng)緯儀、一臺日本索佳公司生產(chǎn)的NET05全站儀，一根經(jīng)過標(biāo)定的、長度為1007. 8毫米的基準(zhǔn)尺一根。通過經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)對攝影測量相機的基準(zhǔn)鏡進行準(zhǔn)直，確定經(jīng)緯儀測量坐標(biāo)系與攝影測量相機測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系；(24)利用步驟中的經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)對激光點陣儀上的基準(zhǔn)鏡進行準(zhǔn)直，從而確定經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)和激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；(25)通過步驟02)和步驟03)得到的激光點在經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)下的坐標(biāo) (XI'，Yl'，Zl')，并利用步驟04)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系得到激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置(X2'，TZ' , Z2')，至此完成了一個激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的標(biāo)定，重復(fù)上述步驟，采集20個激光點，其在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下坐標(biāo)為(X2i'， Υ2 '，Z2i' )(i = 1 20)，利用最小二乘法進行空間直線擬合，即可得到該條激光束的矢量方程，分別對激光點陣儀所發(fā)射的18條激光光束進行標(biāo)定，可得到激光點陣儀所有光束在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的矢量方程，完成激光點陣儀的標(biāo)定；(3)通過激光點陣儀將18條激光束打到距離激光點陣儀與避障相機前方一定距離處的障礙物上，然后將避障相機對前方障礙物上的激光點進行拍照成像。對拍得的圖像進行掃描處理，得到圖像上激光點的像點坐標(biāo)。(4)激光點陣儀和避障相機關(guān)系的確定。通過步驟(2)的標(biāo)定，獲取激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系的位置；建立經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)，通過同時對避障相機基準(zhǔn)鏡和激光點陣儀基準(zhǔn)鏡進行準(zhǔn)直測量并通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法，建立避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系和激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系。(5)利用步驟的結(jié)果，將激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置關(guān)系轉(zhuǎn)換到避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下。(6)利用步驟(3)得到的激光點在避障相機所成的像點和步驟(5)中得到的激光點在避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置，通過空間前方交會得到激光點在避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)初值0CC，YCJC)，然后通過空間三角測量得到激光點在避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下精確的三維坐標(biāo)(Xp，Yp, Zp)，從而獲得障礙點的位置信息。上文中提到的空間前方交會，是在相機內(nèi)、外參數(shù)已知的前提下，利用同名像點坐標(biāo)確定相應(yīng)物方點三維坐標(biāo)的過程。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.基于點陣結(jié)構(gòu)光的障礙位置確定方法，其特征在于步驟如下(1)選取采用f-θ成像模型的魚眼相機作為避障相機，對所述魚眼相機進行標(biāo)定，得到魚眼相機的內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)；(2)對激光點陣儀進行標(biāo)定，標(biāo)定方法為(21)激光點陣儀的激光束射至地面上形成激光點，用攝影測量相機對對激光點拍照， 經(jīng)圖像處理后得到激光點的像點坐標(biāo)；(22)利用攝影測量相機的內(nèi)參數(shù)進行三角測量，得到激光點在攝影測量相機測量系統(tǒng)下的三維坐標(biāo)；(23)建立經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)，確定經(jīng)緯儀測量坐標(biāo)系與攝影測量相機測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系；(24)通過經(jīng)緯儀測量激光點陣儀上的基準(zhǔn)鏡，確定經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)和激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；(25)通過步驟02)和步驟03)得到的激光點在經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)下的坐標(biāo)，并利用步驟04)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系得到激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置，完成激光點陣儀的標(biāo)定；(3)激光點陣儀的激光束射至障礙物上形成激光點，避障相機對激光點成像，根據(jù)激光點陣儀標(biāo)定結(jié)果得到激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置；(4)通過經(jīng)緯儀同時對避障相機基準(zhǔn)鏡和激光點陣儀基準(zhǔn)鏡進行準(zhǔn)直測量，建立避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系和激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系；(5)利用步驟的結(jié)果，將激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置轉(zhuǎn)換到避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下；(6)利用步驟C3)得到的激光點在避障相機所成的像點和步驟(5)中得到的激光點在避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置，通過空間前方交會得到激光點在避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)初值，然后通過空間三角測量得到激光點在避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下精確的三維坐標(biāo)，從而獲得障礙點的位置信息。
全文摘要
基于點陣結(jié)構(gòu)光的障礙位置確定方法，步驟為(1)選取采用f-θ成像模型的魚眼相機作為避障相機并對其進行標(biāo)定；(2)對激光點陣儀進行標(biāo)定；(3)激光點陣儀的激光束射至障礙物上形成激光點，避障相機對激光點成像，得到激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置；(4)通過經(jīng)緯儀建立避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系和激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系；(5)將激光點在激光點陣儀基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置轉(zhuǎn)換到避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下；(6)利用激光點在避障相機所成的像點以及在避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的位置，通過空間前方交會得到激光點在避障相機基準(zhǔn)鏡坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)初值，通過空間三角測量即可得到障礙點的位置信息。
文檔編號G01C1/04GK102175211SQ201010621210
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者余成武, 盧欣, 周建濤, 李春艷, 王立, 范生宏, 范欽紅 申請人:北京控制工程研究所