專利名稱：基于psd的三維測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位置測量技術(shù)，具體地說是一種基于PSD的三維測量方法。
背景技術(shù)：
基于PSD(位置傳感器件Position Sensory Device)的三維測量方法是用途極為廣泛的高新技術(shù)之一。PSD作為一種位置感知光電器件具有響應(yīng)速度快，分辨率高等特點；可以構(gòu)成對點或體目標(biāo)進(jìn)行空間位置或位姿的實時測量系統(tǒng)，實現(xiàn)非接觸在線3D測量。這樣的3D測量系統(tǒng)可應(yīng)用于自動化裝備及作業(yè)對象的位姿與運動軌跡檢測，機(jī)電系統(tǒng)性能評估，空間位置誤差模型數(shù)據(jù)采集，位置閉環(huán)控制，離線或在線遙操作，自動控制與運動規(guī)劃，大型工程建筑的形變與振動檢測等各種應(yīng)用領(lǐng)域，因此具有極為廣泛的用途。
傳統(tǒng)的PSD位置測量都是一維或二維的。當(dāng)測量3D信息時，大多采用結(jié)構(gòu)光模式，只適用于小范圍，近距離(幾十至幾百毫米)使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能提高PSD器件的3D測量范圍和距離的基于PSD的三維測量方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案是使用由線陣PSD配合柱面鏡頭構(gòu)成相機(jī)裝置觀測空間目標(biāo)點P，得到空間點P在PSD相機(jī)的投影點u的位置信號；該位置信號可以唯一定義一個空間測量平面；當(dāng)多個PSD相機(jī)同時使用時，由單一空間點P所獲得的多個投影點u可以定義同樣多個測量面；這些面非平行，交點是該空間點P；在這些平面方程可以確定的條件下，則該空間點P的位置可以由所述平面定義的坐標(biāo)系下計算出來；為實現(xiàn)上述三維定位，要先對所使用PSD相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲得參考坐標(biāo)系與PSD投影點u的位置關(guān)系，當(dāng)相機(jī)標(biāo)定完成之后，再進(jìn)行三維定位計算；所述3D測量系統(tǒng)標(biāo)定采用如下方法1)設(shè)PSD相機(jī)坐標(biāo)系為C，PSD成像面為I，u0定義為成像面I的原點，成像面I的方向與PSD相機(jī)坐標(biāo)系C的Z軸平行，W為參考坐標(biāo)系，于是空間點P與其在PSD成像面I上的投影點u的關(guān)系為z/(u-u0)du＝y(tǒng)/f；其中，f焦距，du單位像素長度；2)由PSD相機(jī)坐標(biāo)系C、成像面I和參考坐標(biāo)系W這三個坐標(biāo)系之間的關(guān)系矩陣為utt=0u0du00100R11R12R13T14R21R22R23T24R31R32R33T340001xwywzw1----(1);]]>其中，du＝f/du；3)設(shè)投影點u為與空間P的一般關(guān)系表達(dá)式可由公式(1)展開如下m11xw+m12yw+m13zw+m14-m21uxw-m22uyw-m23uzw＝u(3)；4)所述公式(3)的矩陣形式為AM＝U，具體展開式是xwywzw1-uxw-uyw-uzwm11m12m13m14m21m22m23=u----(4);]]>5)當(dāng)有足夠的采樣點時，所述關(guān)系矩陣M就可以用下式求出M＝(ATA)-1ATAU (5)；3D定位計算方法為1)由所述公式(3)可該成平面方程m11-m21um12-m22um13-m23uxwywzw=u-m14----(6);]]>2)當(dāng)多個PSD相機(jī)給出多個相應(yīng)的平面方程后，在M確定情況下，即可得空間點P在W下的坐標(biāo)；可將所述公式(6)可寫成矩陣形式BX＝D，其中X＝[xw，yw，zw]T，B=B1B2B3,]]>D=D1D2D3;]]>Bi，Di，i＝1，2，3……為多個測量裝置的標(biāo)定參數(shù)和測量數(shù)據(jù)構(gòu)成；解的表達(dá)式為X＝(BTB)-1BTBD (7)；所述標(biāo)定方法中已知空間點P的個數(shù)要滿足解M矩陣≥7，即具有足夠的采樣點，并均勻分布在所定義的測量空間；當(dāng)多個PSD相機(jī)測量結(jié)構(gòu)時，可以按所述公式(6)和(7)計算空間點P的空間3D位置，將所述公式(6)可寫成矩陣形式BX＝D，其中X＝[xw，yw，zw]T，B=B1B2B3,]]>D=D1D2D3;]]>Bi，Di，i＝1，2，3…為多個PSD相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)和測量數(shù)據(jù)；所述PSD相機(jī)由PSD器件與柱面鏡頭構(gòu)成；要測量所述空間點P，采用至少3個PSD相機(jī)，可采用如下設(shè)置方式中間PSD相機(jī)鏡頭母線與兩側(cè)PSD鏡頭母線呈相互垂直狀態(tài)，以保證多個PSD投影點u象點所產(chǎn)生的測量面相互垂直；其視角以等間距分布為佳。
本發(fā)明基于PSD的3D測量原理，與現(xiàn)有技術(shù)相比更具有如下優(yōu)點1.采用了正交測量面交匯原理的3D點目標(biāo)測量模式，可以采用典型視覺標(biāo)定方法對測量系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，以完成3D計算(見系統(tǒng)標(biāo)定與定位計算方法)，特別適用于大范圍，遠(yuǎn)距離(幾十至幾百米)使用。
2.利用了PSD位置信號獲取的快速性和單一性、高分辨率，可以實現(xiàn)3D測量的高效率、實時性和高分辨率。①由于PSD是模擬量光電器件，可以直接投影點的位置信號，不需要進(jìn)行圖象目標(biāo)的檢測處理，可以具有毫秒級的響應(yīng)速率。②由于PSD輸出的光電信號是連續(xù)的，因此具有相當(dāng)高的分辨率。這些特點是由器件本身性質(zhì)決定的。


圖1為本發(fā)明方法所用測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明目標(biāo)點及其投影所構(gòu)成的測量面機(jī)理。
圖3為本發(fā)明空間點在各坐標(biāo)中的位置關(guān)系。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例詳述本發(fā)明。
本發(fā)明一種基于多線陣PSD相機(jī)的三維測量方法，使用由線陣PSD配合柱面鏡頭構(gòu)成相機(jī)裝置觀測空間目標(biāo)點P，得到空間點P在PSD相機(jī)的投影點u的位置信號。該位置信號可以唯一定義一個空間測量平面(見圖2所示)；當(dāng)多個PSD相機(jī)同時使用時，由單一空間點P所獲得的多個投影點u可以定義同樣多個測量面；這些面非平行，其交點就是該空間點P；在這些平面方程可以確定的條件下，則該空間點P的位置可以由所述平面定義的坐標(biāo)系下計算出來；為實現(xiàn)上述三維定位，要先對所使用PSD相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲得參考坐標(biāo)系與PSD投影點u的位置關(guān)系，當(dāng)相機(jī)標(biāo)定完成之后，再進(jìn)行三維定位計算。測量系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
本發(fā)明基于線陣PSD的三維測量方法中的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲取目標(biāo)在PSD的投影點u位置信號。投影點u的位置信號決定了過空間點P且與鏡頭母線垂直的空間平面的位置(如圖2所示)。由于采用測量面交匯定位原理，因此，u值的精度決定了測量系統(tǒng)的定位精度。投影點u在PSD相機(jī)上的位置讀數(shù)可以直接從模擬計算電路得出，這樣具有速度快，結(jié)構(gòu)簡單的特點。
本發(fā)明系統(tǒng)標(biāo)定和定位計算方法如下根據(jù)針孔映射原理，設(shè)PSD相機(jī)坐標(biāo)系為C，PSD成像面為I，u0定義為成像面I的原點，成像面I的方向與PSD相機(jī)坐標(biāo)系C的Z軸平行，W為參考坐標(biāo)系，于是空間點P與其在PSD成像面I上的投影點u的關(guān)系為z/(u-u0)du＝y(tǒng)/f；如圖3所示，設(shè)PSD相機(jī)坐標(biāo)系為C，圖像坐標(biāo)系為I，u0為圖像坐標(biāo)系原點，W為參考坐標(biāo)系。其中，f焦距，du單位像素長度；PSD相機(jī)、PSD成像面I和參考坐標(biāo)系W之間的關(guān)系矩陣為utt=0u0du00100R11R12R13T14R21R22R23T24R31R32R33T340001xwywzw1----(1);]]>其中，du＝f/du；式(1)可改寫成utt=m11m12m13m14m21m22m23m24xwywzw1----(2);]]>展開后可得m11xw+m12yw+m13zw+m14-m21uxw-m22uyw-m23uzw＝u (3)；
式(3)就是投影點u為與空間點P的一般關(guān)系表達(dá)式。當(dāng)關(guān)系矩陣M已知時，這是參數(shù)為u的一個定義于空間參考坐標(biāo)系W的平面方程。為了求M，上式可改寫成矩陣形式為xwywzw1-uxw-uyw-uzwm11m12m13m14m21m22m23=u----(4);]]>其簡寫形式可為AM＝U，其中M為關(guān)系矩陣。當(dāng)有足夠的采樣點時，M就可以用下式求出M＝(ATA)-1ATAU(5)；當(dāng)M確定后，就可以用式(3)計算由投影點u定義出的平面方程。
m11-m21um12-m22um13-m23uxwywzw=u-m14----(6);]]>當(dāng)多個PSD相機(jī)給出多個相應(yīng)的平面方程后(本實施例由三個PSD相機(jī)給出三個平面方程)，在M確定情況下，空間點P在W下的坐標(biāo)就可以解出了。上式可寫成BX＝D。其中X＝[xw，yw，zw]T，B=B1B2B3,]]>D=D1D2D3.]]>Bi，Di，i＝1，2，3為三個PSD相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)和測量數(shù)據(jù)構(gòu)成。于是有X＝(BTB)-1BTBD(7)。
本發(fā)明具體操作如下1)PSD相機(jī)設(shè)計。首先，按圖2原理設(shè)計PSD相機(jī)，由線陣PSD芯片、柱面鏡頭和前置放大器構(gòu)成；以滿足空間光目標(biāo)在PSD上的成象具有如圖3和式(2)的投影性質(zhì)。前置放大器用于對PSD的輸出信號進(jìn)行預(yù)放大處理。并依此設(shè)計至少三個同樣的PSD相機(jī)；所述PSD相機(jī)3由PSD器件1與柱面鏡頭2構(gòu)成。
2)多PSD測量狀態(tài)設(shè)計。按圖1結(jié)構(gòu)放置這三個PSD相機(jī)，且使中間PSD相機(jī)鏡頭母線與兩側(cè)PSD鏡頭母線呈相互垂直狀態(tài)。以保證三個PSD成象點所產(chǎn)生的測量面4相互垂直。
3)測量系統(tǒng)構(gòu)成。如圖1所示，由至少三個PSD相機(jī)與其信號處理電路，數(shù)據(jù)處理計算機(jī)，構(gòu)成完整的多PSD三維測量硬件系統(tǒng)。其信號處理電路可為典型的PSD位置信號運算電路。
4)測量系統(tǒng)標(biāo)定。測量系統(tǒng)標(biāo)定和定位計算方法所述，參考公式(1)-(5)，在給定測量范圍內(nèi)的已知位置點(個數(shù)要滿足解M矩陣≥7，一般取20個以上，均勻分布在所定義的測量空間)條件下，求出投影點與空間點在給定參考系下的位置關(guān)系矩陣M。
5)3D測量。當(dāng)測量系統(tǒng)標(biāo)定后，就可以進(jìn)行該測量空間范圍的任意目標(biāo)點的3D位置測量。即當(dāng)空間點P在各PSD相機(jī)上有信號輸出時，數(shù)據(jù)處理計算機(jī)可以得到相應(yīng)的A/D值，該值在系統(tǒng)標(biāo)定意義下對應(yīng)空間測量面。當(dāng)至少三個PSD相機(jī)采用如上所述的測量結(jié)構(gòu)時，就可以按公式(6)和(7)計算P點的空間3D位置。而且這種位置計算速率很高，可以達(dá)到毫秒級。因而可以滿足實時位置監(jiān)視與測控的要求。
6)實驗結(jié)果。本實施例使用三維平臺(精度為0.2mm)對所述的PSD相機(jī)空間位置測量系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定與檢測，其采樣具有實時性(十幾豪秒)，空間分辨率達(dá)到1/5000，定位精度達(dá)到毫米級(均方差定義，測量范圍500*500*300mm)，PSD相機(jī)與目標(biāo)距離均為4m。
采用本發(fā)明方法，可以實現(xiàn)基于多PSD相機(jī)的新型光電3D測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有分辨率高、響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)等特點，特別適用于大范圍，遠(yuǎn)距離(幾十至幾百米)使用；可以實現(xiàn)高速、高精度、高信噪比的3D位置檢測。和采用CCD攝像機(jī)的立體視覺相比，具有環(huán)境適應(yīng)性好，測量精度高和響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點。這在要求快速、在線、高精度、環(huán)境復(fù)雜的3D位置或姿態(tài)測量場合和科研領(lǐng)域尤其具有實際意義。
權(quán)利要求
1.一種基于PSD的三維測量方法，其特征在于使用由線陣PSD配合柱面鏡頭構(gòu)成相機(jī)裝置觀測空間目標(biāo)點P，得到空間點P在PSD相機(jī)的投影點u的位置信號。該位置信號可以唯一定義一個空間測量平面；當(dāng)多個PSD相機(jī)同時使用時，由單一空間點P所獲得的多個投影點u可以定義同樣多個測量面；這些面非平行，其交點就是該空間點P；在這些平面方程可以確定的條件下，則該空間點P的位置可以由所述平面定義的坐標(biāo)系下計算出來；為實現(xiàn)上述三維定位，要先對所使用PSD相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲得參考坐標(biāo)系與PSD投影點u的位置關(guān)系，當(dāng)相機(jī)標(biāo)定完成之后，再進(jìn)行三維定位計算。
2.按照權(quán)利要求1所述基于PSD的三維測量方法，其特征在于所述3D測量系統(tǒng)標(biāo)定采用如下方法設(shè)PSD相機(jī)坐標(biāo)系為C，PSD成像面為I，u0定義為成像面I的原點，成像面I的方向與PSD相機(jī)坐標(biāo)系C的Z軸平行，W為參考坐標(biāo)系，于是空間點P與其在PSD成像面I上的投影點u的關(guān)系為z/(u-u0)du＝y(tǒng)/f；其中，f焦距，du單位像素長度；由PSD相機(jī)坐標(biāo)系C、成像面I和參考坐標(biāo)系W這三個坐標(biāo)系之間的關(guān)系矩陣為utt=0u0du00100R11R12R13T14R31R22R23T24R31R32R33T340001xwywzw1---1);]]>其中，du＝f/du；設(shè)投影點u為與空間P的一般關(guān)系表達(dá)式可由公式1)展開如下；m11xw+m12yw+m13zw+m14-m21uxw-m22uyw-m23uzw＝u3)；所述公式(3)的矩陣形式為AM＝U，具體展開式是xwywzw1-uxw-uyw-uzwm11m12m13m14m21m22m23=u---4);]]>當(dāng)有足夠的采樣點時，所述關(guān)系矩陣M就可以用下式求出M＝(ATA)-1ATAU 5)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述基于PSD的三維測量方法，其特征在于3D定位計算方法為由所述公式3)可該成平面方程m11-m21um12-m22um13-m23uxwywzw=u-m14---6);]]>當(dāng)多個PSD相機(jī)給出多個相應(yīng)的平面方程后，在M確定情況下，即可得空間點P在W下的坐標(biāo)；可將所述公式6)可寫成矩陣形式BX＝D，其中X＝[xw，yw，zw]T，B=B1B2B3,]]>D=D1D2D3;]]>Bi，Di，i＝1，2，3為多個測量裝置的標(biāo)定參數(shù)和測量數(shù)據(jù)構(gòu)成；解的表達(dá)式為X＝(BTB)-1BTBD 7)。
4.按照權(quán)利要求2所述基于PSD的三維測量方法，其特征在于所述標(biāo)定方法中已知空間點P的個數(shù)要滿足解M矩陣≥7，即具有足夠的采樣點，并均勻分布在所定義的測量空間。
5.按照權(quán)利要求3所述基于PSD的三維測量方法，其特征在于當(dāng)多個PSD相機(jī)測量結(jié)構(gòu)時，可以按所述公式6)和7)計算空間點P的空間3D位置，將所述公式6)可寫成矩陣形式BX＝D，其中X＝[xw，yw，zw]T，B=B1B2B3,]]>D=D1D2D3;]]>Bi，Di，i＝1，2，3......為多個PSD相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)和測量數(shù)據(jù)。
6.按照權(quán)利要求1所述基于PSD的三維測量方法，其特征在于所述PSD相機(jī)由PSD器件與柱面鏡頭構(gòu)成。
7.按照權(quán)利要求1所述基于PSD的三維測量方法，其特征在于要測量所述空間點P，采用多個PSD相機(jī)，可采用如下設(shè)置方式中間PSD相機(jī)鏡頭母線與兩側(cè)PSD鏡頭母線呈相互垂直狀態(tài)，以保證多個PSD投影點u象點所產(chǎn)生的測量面相互垂直。
8.按照權(quán)利要求7所述基于PSD的三維測量方法，其特征在于所述多個PSD相機(jī)數(shù)量至少為3個，其視角以等間距分布為佳。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于PSD的三維測量方法。使用由線陣PSD配合柱面鏡頭構(gòu)成相機(jī)裝置觀測空間目標(biāo)點P，得到空間點P在PSD相機(jī)的投影點u的位置信號。該位置信號可以唯一定義一個空間測量平面；當(dāng)多個PSD相機(jī)同時使用時，由單一空間點P所獲得的多個投影點u可以定義同樣多個測量面；這些面非平行，其交點就是該空間點P；在這些平面方程可以確定的條件下，則該空間點P的位置可以由所述平面定義的坐標(biāo)系下計算出來；為實現(xiàn)上述三維定位，要先對所使用PSD相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲得參考坐標(biāo)系與PSD投影點u的位置關(guān)系，當(dāng)相機(jī)標(biāo)定完成之后，再進(jìn)行三維定位計算。本發(fā)明能實現(xiàn)基于PSD器件的空間點目標(biāo)的3D實時測量。
文檔編號G06T15/00GK1641312SQ20041002102
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月9日
發(fā)明者董再勵, 朱楓, 王俊, 郝穎明, 歐錦軍, 劉惠, 彭文東 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所