搭載高速云臺的多相機空間定位系統(tǒng)研究

王寶迪 張亞軍 路宏杰 任建磊 赫海濤

摘要：目前工業(yè)近景攝影測量技術(shù)因精度高、面陣式采集數(shù)據(jù)、非接觸等特點已廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量和變形監(jiān)測中，通過對現(xiàn)有多相機空間定位系統(tǒng)進行分析，提出一種搭載高速云臺的多相機空間定位系統(tǒng)設(shè)計方案，改進同類型系統(tǒng)因位姿狀態(tài)固定所存在的缺陷，解決對觀測目標實時跟蹤測量問題，拓寬該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，為后續(xù)高精度視覺測量裝備及系統(tǒng)研發(fā)提供重要借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高速云臺? 多相機? 空間定位? 研究

Abstract： At present， industrial close range photogrammetry technology has been widely used in industrial measurement and deformation monitoring due to its high precision， area array data acquisition， non-contact and other characteristics. Through the analysis of the existing multi camera spatial positioning system， a design scheme of multi camera spatial positioning system equipped with high-speed PTZ is proposed to improve the defects of the same type of system due to the fixed position and attitude state. It can solve the problem of real-time tracking and measurement of observation targets， broaden the application scope of the system， and provide important reference for the follow-up research and development of high-precision visual measurement equipment and system.

Key Words： High speed PTZ; Multiple cameras; Spatial positioning; Research

目前工業(yè)近景攝影測量技術(shù)因精度高、面陣式采集數(shù)據(jù)、非接觸等特點已廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量和變形監(jiān)測中，并逐步從單相機測量向多相機測量轉(zhuǎn)變，以獲取更精確的信息，提高估計量，形成面陣式空間定位與測量系統(tǒng)。王旭等基于雙相機交會原理，設(shè)計并具體實現(xiàn)了同步精度高、數(shù)據(jù)存儲量大的測量系統(tǒng)[1]。王鵬等提出一種基于柔性靶標定位實現(xiàn)圖像拼接的多相機三維測量系統(tǒng)，以多相機分布式采集的方法結(jié)合柔性靶標擴展視覺三維測量系統(tǒng)的測量范圍[2]。李同彬等對多相機全局三維測量中相機分布形式研究，結(jié)果表明，基于近景攝影測量標定的多相機測量系統(tǒng)所需的成本更低，不依賴立體視覺子系統(tǒng)視場的重疊，系統(tǒng)的安裝布置更為靈活方便[3]。

現(xiàn)有多相機空間定位與測量系統(tǒng)中的各相機在完成系統(tǒng)標定后，其位置狀態(tài)必須保持固定不變才能準確獲取測量目標的空間位置信息，導(dǎo)致現(xiàn)有多相機空間定位與測量系統(tǒng)的測量范圍僅限于各相機固定的視場角范圍，且超出各相機視場角后，需要重新設(shè)置相機位置，并再次完成系統(tǒng)標定后方可進行測量，同時各相機位置固定且視場角均朝向同一側(cè)，與測量目標間的觀測角度無法調(diào)整，獲取的影像質(zhì)量難以控制，進一步影響測量目標空間位置的準確性，更無法實現(xiàn)對測量目標的實時跟蹤測量。與此同時，云臺已在攝影、監(jiān)控等行業(yè)廣泛應(yīng)用，能夠驅(qū)動相機、手機及監(jiān)控視頻攝像頭進行水平和俯仰轉(zhuǎn)動，提高了拍攝的穩(wěn)定性、范圍及畫面成像質(zhì)量，且云臺具備良好的集成性，能夠通過集成測角度盤和驅(qū)動電機實現(xiàn)精確高速轉(zhuǎn)動和實時轉(zhuǎn)動角度信息的獲取。

基于以上分析，本文提出一種搭載高速云臺多相機的空間定位系統(tǒng)設(shè)計方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對測量目標的空間定位及實時跟蹤測量，并進一步提升測量質(zhì)量。

1.多相機空間定位系統(tǒng)原理

基于多相機非平行面空間交會的原理，通過分布在空間不同位置且事先完成標定的多個相機對觀測目標進行拍攝，即可獲取被測目標的多個立體像對，進一步通過對照片中的圖像識別及計算分析后，獲取測量目標在空間中的三維坐標（如圖1所示）[4]。

平面照片圖像在像平面坐標系中是二維坐標值，可以通過相機內(nèi)參標定后的參數(shù)將像點坐標轉(zhuǎn)換成目標點的多個角度下（兩個角度以上）的觀測值，采用光束法平差技術(shù)，通過設(shè)置于不同角度的攝影相機同時對多個目標進行測量，得到多余觀測量，進而計算出不同攝影相機之間的空間三維位置關(guān)系以及被測物的相對空間X、Y、Z坐標，假設(shè)被測物目標點Pi由j個攝影相機拍攝（j 條光線相交），則共有j個共線方程，如式（1）所示。

2搭載高速云臺的多相機空間定位系統(tǒng)研究關(guān)鍵

工業(yè)相機需要借助相機參數(shù)建立三維空間物體與二維平面圖像之間的映射關(guān)系，獲取測量點位空間位置信息，而相機參數(shù)包括相機內(nèi)參和相機外參，主要通過實驗標定計算確定參數(shù)值。一般情況下，相機內(nèi)參不隨相機位置的變動發(fā)生改變，而相機位置發(fā)生改變時，相機外參必須重新標定。本文所研究的空間定位系統(tǒng)中，相機與高速云臺裝配在一起，由高速云臺驅(qū)動相機進行二維旋轉(zhuǎn)，相機的位置在不斷改變，只有實時確定相機外參才能進一步獲取測量目標的空間位置，確定高速云臺與相機的空間位姿標定是系統(tǒng)研究的關(guān)鍵。

通過分析高速云臺可以看成是集成有垂直和水平測角模塊的二維旋轉(zhuǎn)平臺，當(dāng)相機與高速云臺裝配后，相機隨高速云臺一同轉(zhuǎn)動，但相機與高速云臺的相對位置關(guān)系即保持不變，由此可得出基于高速云臺的相機旋轉(zhuǎn)模型，即包含高速云臺坐標系、相機坐標系、旋轉(zhuǎn)軸坐標系。高速云臺坐標系統(tǒng)可以由垂直角度和水平角度表示，其坐標系旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換關(guān)系可通過測角度數(shù)直接計算出來，再進一步根據(jù)相機與高速云臺固有的相對關(guān)系，確定相機坐標系及其外參數(shù)。

3搭載高速云臺的多相機空間定位系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1工業(yè)相機設(shè)計

相機是基于COMS圖像傳感器安森美Python25K的一套圖像處理系統(tǒng)，由光學(xué)系統(tǒng)（鏡頭）、圖像采集模塊、圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊WiFi模塊和電源模塊等組成，鏡頭將前方目標聚焦到圖像傳感器感光面板上，圖像傳感器在驅(qū)動時序控制下將感光面板上的光信號轉(zhuǎn)換成多路LVDS數(shù)字差分信號和一對時鐘差分信號并輸出。圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊由FPGA、DDR3存儲器、Flash、USB3.0芯片及接口等組成，其中FPGA通過LVDS接口接收來自圖像采集模塊的圖像數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)預(yù)處理; WiFi模塊將預(yù)處理圖像數(shù)據(jù)通過控制器發(fā)送至手持終端，并接收手持終端下發(fā)的控制指令;通過I2C接口控制圖像傳感器主要功能參數(shù);DDR3存儲器負責(zé)緩存圖像數(shù)據(jù);Flash負責(zé)存儲FPGA的上電配置程序及圖像傳感器的上電配置參數(shù)。

相機通過機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，將光學(xué)系統(tǒng)（鏡頭）、LED光源、圖像采集模塊、圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和電源模塊集成組裝于整體機殼內(nèi)，重量約2.5kg。相機機殼兩側(cè)為與高速云臺橫軸連接安裝接口，通過專門設(shè)計進行安裝。相機機殼由殼體與光源安裝件組成，內(nèi)部相機模組與各電路板采用堆疊設(shè)計，提高空間利用率，壓縮整體尺寸，相機后端設(shè)計有各種電接口。

3.2高速云臺設(shè)計

3.2.1高速云臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

高速云臺設(shè)計采用地平式U型跟蹤機架結(jié)構(gòu)，又稱俯仰-方位（E-A）機架，由繞水平線和垂直線旋轉(zhuǎn)的高低軸和方位軸組成，具有結(jié)構(gòu)對稱、剛度對稱的特點，且設(shè)計時垂直軸系的超聲波電機、編碼器與測量軸同軸安裝，保證其旋轉(zhuǎn)重心在測量軸上;水平軸系的托座、左右支座也采用的對稱設(shè)計，平衡性能較高，將顯著降低跟蹤機架不平衡載荷造成軸系精度降低的影響。

3.2.2高速云臺硬件選型設(shè)計

高速云臺硬件組成主要包括驅(qū)動電機、編碼器、測傾傳感器、數(shù)據(jù)處理及IO控制單位。

測傾傳感器采用SANG1000-D05FTR1-3型傾角傳感器，具有精度高、啟動快、穩(wěn)定性好、分辨率高等特點，可以提高高速云臺的整平精度，進一步提高空間定位系統(tǒng)測量精度，且能夠?qū)崟r測量任何時刻任何位置儀器的水平度，并以數(shù)字信號方式發(fā)送至數(shù)據(jù)處理及IO控制單元，不僅可以保證在儀器初始擺放時，盡量調(diào)至水平，還可以在每次測量時獲取該位置儀器的真實水平度，從而進行傾斜誤差補償。

驅(qū)動電機采用PI公司U-651.04超聲波電機，相對于傳統(tǒng)的電機，超聲波電機（又稱壓電馬達）無繞組和磁極，無需通過電磁作用產(chǎn)生運動力，具有直接驅(qū)動、精確定位、起?？刂坪玫忍攸c，能夠滿足高精度二維轉(zhuǎn)動機構(gòu)連續(xù)旋轉(zhuǎn)、精度高、響應(yīng)快、運動平穩(wěn)性好等要求，且U-651.04超聲波電機關(guān)機后平臺將自鎖、驅(qū)動器保持平臺位置的機械穩(wěn)定，可大大減少能量消耗和熱量產(chǎn)生。軸的位置通過一個編碼器和一個光學(xué)參考開關(guān)測量，從而實現(xiàn)可靠的重復(fù)運動。并且壓電電機驅(qū)動器原理及其電氣操作成本低，更方便系統(tǒng)使用。在Leica公司最新一代超高精度經(jīng)緯儀中使用的就是該公司U-164型超聲波電機，利用雙電機驅(qū)動實現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動，并達到0.5（1σ）角秒的測量精度。

編碼器作為高精度二維轉(zhuǎn)動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度的直接測量單元，是保證系統(tǒng)測量精度最重要的因素之一，按照工作原理可分為光電式、磁電式和觸點電刷式，結(jié)合高速云臺要求測量精度高、重量輕、體積小的要求，本系統(tǒng)采用雷尼紹的型號為RESA30USA075B、RESA30USA100B絕對式光柵盤，是一種一體式不銹鋼圓光柵，其單碼道、真正的絕對式位置編碼直接刻在圓光柵的外緣上，具有極強的抗污能力，如灰塵、劃痕和指紋等，這些污染可能造成其他光柵計數(shù)錯誤。RESA擁有優(yōu)異的精度，分辨率達0.00030角秒，適于精度要求極高的測量場合。 RESA體積輕薄、內(nèi)徑大，易于集成到大多數(shù)安裝設(shè)計中。同樣重要的是，其低質(zhì)量、低轉(zhuǎn)動慣量設(shè)計使得它對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響降至最低。RESA提供多種尺寸和刻線數(shù)，可與工業(yè)標準控制器兼容。

數(shù)據(jù)處理及IO控制單元是高速云臺的總控制單元，所有數(shù)據(jù)、控制、測量及人機交互部分均由此部分電路完成。因此要求數(shù)據(jù)處理及IO電路板有強大的運算能力、并行處理能力、豐富的外圍接口、成熟的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件支持。綜合多方面因素，數(shù)據(jù)處理及IO控制單元采用作為主芯片，Xilinx XC7V585T作為IO控制及硬件加速芯片，使用WES10作為主操作系統(tǒng)，采用觸摸屏與機械按鈕結(jié)合的方式作為人機交互界面[5-7]。

4結(jié)語

本文提出一種搭載高速云臺的多相機空間定位系統(tǒng)設(shè)計方案，通過事先完成相機與高速云臺相對關(guān)系標定及高速云臺驅(qū)動相機轉(zhuǎn)動時的實時高精度角度數(shù)值，確定相機實時外參，并進一步基于多相機空間交會定位原理確定目標點三維坐標，實現(xiàn)對運動目標的測量。

參考文獻

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作者簡介：王寶迪（1984—），男，本科，高級工程師，研究方向為核島安裝工程自動化裝備研究及技術(shù)管理。