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(cè)量技術(shù)因精度高、面陣式采集數(shù)據(jù)、非接觸等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量和變形監(jiān)測(cè)中，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有多相機(jī)空間定位系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出一種搭載高速云臺(tái)的多相機(jī)空間定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)同類型系統(tǒng)因位姿狀態(tài)固定所存在的缺陷，解決對(duì)觀測(cè)目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量問(wèn)題，拓寬該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，為后續(xù)高精度視覺(jué)測(cè)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(tái)? 多相機(jī)? 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(cè)量技術(shù)因精度高、面陣式采集數(shù)據(jù)、非接觸等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量和變形監(jiān)測(cè)中，并逐步從單相機(jī)測(cè)量向多相機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)變，以獲取更精確的信息，提高估計(jì)量，形成面陣式空間定位與測(cè)量系統(tǒng)。王旭等基于雙相機(jī)交會(huì)原理，設(shè)計(jì)并具體實(shí)現(xiàn)了同步精度高、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大的測(cè)量系統(tǒng)[1]。王鵬等提出一種基于柔性靶標(biāo)定位實(shí)現(xiàn)圖像拼接的多相機(jī)三維測(cè)量系統(tǒng)，以多相機(jī)分布式采集的方法結(jié)合柔性靶標(biāo)擴(kuò)展視覺(jué)三維測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍[2]。李同彬等對(duì)多相機(jī)全局三維測(cè)量中相機(jī)分布形式研究，結(jié)果表明，基于近景攝影測(cè)量標(biāo)定的多相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)所需的成本更低，不依賴立體視覺(jué)子系統(tǒng)視場(chǎng)的重疊，系統(tǒng)的安裝布置更為靈活方便[3]。

現(xiàn)有多相機(jī)空間定位與測(cè)量系統(tǒng)中的各相機(jī)在完成系統(tǒng)標(biāo)定后，其位置狀態(tài)必須保持固定不變才能準(zhǔn)確獲取測(cè)量目標(biāo)的空間位置信息，導(dǎo)致現(xiàn)有多相機(jī)空間定位與測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍僅限于各相機(jī)固定的視場(chǎng)角范圍，且超出各相機(jī)視場(chǎng)角后，需要重新設(shè)置相機(jī)位置，并再次完成系統(tǒng)標(biāo)定后方可進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)各相機(jī)位置固定且視場(chǎng)角均朝向同一側(cè)，與測(cè)量目標(biāo)間的觀測(cè)角度無(wú)法調(diào)整，獲取的影像質(zhì)量難以控制，進(jìn)一步影響測(cè)量目標(biāo)空間位置的準(zhǔn)確性，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量。與此同時(shí)，云臺(tái)已在攝影、監(jiān)控等行業(yè)廣泛應(yīng)用，能夠驅(qū)動(dòng)相機(jī)、手機(jī)及監(jiān)控視頻攝像頭進(jìn)行水平和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了拍攝的穩(wěn)定性、范圍及畫面成像質(zhì)量，且云臺(tái)具備良好的集成性，能夠通過(guò)集成測(cè)角度盤和驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確高速轉(zhuǎn)動(dòng)和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)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(tái)多相機(jī)的空間定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量目標(biāo)的空間定位及實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，并進(jìn)一步提升測(cè)量質(zhì)量。

1.多相機(jī)空間定位系統(tǒng)原理

基于多相機(jī)非平行面空間交會(huì)的原理，通過(guò)分布在空間不同位置且事先完成標(biāo)定的多個(gè)相機(jī)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行拍攝，即可獲取被測(cè)目標(biāo)的多個(gè)立體像對(duì)，進(jìn)一步通過(guò)對(duì)照片中的圖像識(shí)別及計(jì)算分析后，獲取測(cè)量目標(biāo)在空間中的三維坐標(biāo)（如圖1所示）[4]。

平面照片圖像在像平面坐標(biāo)系中是二維坐標(biāo)值，可以通過(guò)相機(jī)內(nèi)參標(biāo)定后的參數(shù)將像點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成目標(biāo)點(diǎn)的多個(gè)角度下（兩個(gè)角度以上）的觀測(cè)值，采用光束法平差技術(shù)，通過(guò)設(shè)置于不同角度的攝影相機(jī)同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，得到多余觀測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算出不同攝影相機(jī)之間的空間三維位置關(guān)系以及被測(cè)物的相對(duì)空間X、Y、Z坐標(biāo)，假設(shè)被測(cè)物目標(biāo)點(diǎn)Pi由j個(gè)攝影相機(jī)拍攝（j 條光線相交），則共有j個(gè)共線方程，如式（1）所示。

2搭載高速云臺(tái)的多相機(jī)空間定位系統(tǒng)研究關(guān)鍵

工業(yè)相機(jī)需要借助相機(jī)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(cè)量點(diǎn)位空間位置信息，而相機(jī)參數(shù)包括相機(jī)內(nèi)參和相機(jī)外參，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定計(jì)算確定參數(shù)值。一般情況下，相機(jī)內(nèi)參不隨相機(jī)位置的變動(dòng)發(fā)生改變，而相機(jī)位置發(fā)生改變時(shí)，相機(jī)外參必須重新標(biāo)定。本文所研究的空間定位系統(tǒng)中，相機(jī)與高速云臺(tái)裝配在一起，由高速云臺(tái)驅(qū)動(dòng)相機(jī)進(jìn)行二維旋轉(zhuǎn)，相機(jī)的位置在不斷改變，只有實(shí)時(shí)確定相機(jī)外參才能進(jìn)一步獲取測(cè)量目標(biāo)的空間位置，確定高速云臺(tái)與相機(jī)的空間位姿標(biāo)定是系統(tǒng)研究的關(guān)鍵。

通過(guò)分析高速云臺(tái)可以看成是集成有垂直和水平測(cè)角模塊的二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，當(dāng)相機(jī)與高速云臺(tái)裝配后，相機(jī)隨高速云臺(tái)一同轉(zhuǎn)動(dòng)，但相機(jī)與高速云臺(tái)的相對(duì)位置關(guān)系即保持不變，由此可得出基于高速云臺(tái)的相機(jī)旋轉(zhuǎn)模型，即包含高速云臺(tái)坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系。高速云臺(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)可以由垂直角度和水平角度表示，其坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換關(guān)系可通過(guò)測(cè)角度數(shù)直接計(jì)算出來(lái)，再進(jìn)一步根據(jù)相機(jī)與高速云臺(tái)固有的相對(duì)關(guān)系，確定相機(jī)坐標(biāo)系及其外參數(shù)。

3搭載高速云臺(tái)的多相機(jī)空間定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1工業(yè)相機(jī)設(shè)計(jì)

相機(jī)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(biāo)聚焦到圖像傳感器感光面板上，圖像傳感器在驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制下將感光面板上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成多路LVDS數(shù)字差分信號(hào)和一對(duì)時(shí)鐘差分信號(hào)并輸出。圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊由FPGA、DDR3存儲(chǔ)器、Flash、USB3.0芯片及接口等組成，其中FPGA通過(guò)LVDS接口接收來(lái)自圖像采集模塊的圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)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(guò)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(guò)I2C接口控制圖像傳感器主要功能參數(shù);DDR3存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)緩存圖像數(shù)據(jù);Flash負(fù)責(zé)存儲(chǔ)FPGA的上電配置程序及圖像傳感器的上電配置參數(shù)。

相機(jī)通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jī)殼內(nèi)，重量約2.5kg。相機(jī)機(jī)殼兩側(cè)為與高速云臺(tái)橫軸連接安裝接口，通過(guò)專門設(shè)計(jì)進(jìn)行安裝。相機(jī)機(jī)殼由殼體與光源安裝件組成，內(nèi)部相機(jī)模組與各電路板采用堆疊設(shè)計(jì)，提高空間利用率，壓縮整體尺寸，相機(jī)后端設(shè)計(jì)有各種電接口。

3.2高速云臺(tái)設(shè)計(jì)

3.2.1高速云臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速云臺(tái)設(shè)計(jì)采用地平式U型跟蹤機(jī)架結(jié)構(gòu)，又稱俯仰-方位（E-A）機(jī)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(duì)稱、剛度對(duì)稱的特點(diǎn)，且設(shè)計(jì)時(shí)垂直軸系的超聲波電機(jī)、編碼器與測(cè)量軸同軸安裝，保證其旋轉(zhuǎn)重心在測(cè)量軸上;水平軸系的托座、左右支座也采用的對(duì)稱設(shè)計(jì)，平衡性能較高，將顯著降低跟蹤機(jī)架不平衡載荷造成軸系精度降低的影響。

3.2.2高速云臺(tái)硬件選型設(shè)計(jì)

高速云臺(tái)硬件組成主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、編碼器、測(cè)傾傳感器、數(shù)據(jù)處理及IO控制單位。

測(cè)傾傳感器采用SANG1000-D05FTR1-3型傾角傳感器，具有精度高、啟動(dòng)快、穩(wěn)定性好、分辨率高等特點(diǎn)，可以提高高速云臺(tái)的整平精度，進(jìn)一步提高空間定位系統(tǒng)測(cè)量精度，且能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量任何時(shí)刻任何位置儀器的水平度，并以數(shù)字信號(hào)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(shí)，盡量調(diào)至水平，還可以在每次測(cè)量時(shí)獲取該位置儀器的真實(shí)水平度，從而進(jìn)行傾斜誤差補(bǔ)償。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用PI公司U-651.04超聲波電機(jī)，相對(duì)于傳統(tǒng)的電機(jī)，超聲波電機(jī)（又稱壓電馬達(dá)）無(wú)繞組和磁極，無(wú)需通過(guò)電磁作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)力，具有直接驅(qū)動(dòng)、精確定位、起?？刂坪玫忍攸c(diǎn)，能夠滿足高精度二維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連續(xù)旋轉(zhuǎn)、精度高、響應(yīng)快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好等要求，且U-651.04超聲波電機(jī)關(guān)機(jī)后平臺(tái)將自鎖、驅(qū)動(dòng)器保持平臺(tái)位置的機(jī)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(guò)一個(gè)編碼器和一個(gè)光學(xué)參考開關(guān)測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)可靠的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。并且壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)，利用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，并達(dá)到0.5（1σ）角秒的測(cè)量精度。

編碼器作為高精度二維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度的直接測(cè)量單元，是保證系統(tǒng)測(cè)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(diǎn)電刷式，結(jié)合高速云臺(tái)要求測(cè)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(hào)為RESA30USA075B、RESA30USA100B絕對(duì)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(duì)式位置編碼直接刻在圓光柵的外緣上，具有極強(qiáng)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(jì)數(shù)錯(cuò)誤。RESA擁有優(yōu)異的精度，分辨率達(dá)0.00030角秒，適于精度要求極高的測(cè)量場(chǎng)合。 RESA體積輕薄、內(nèi)徑大，易于集成到大多數(shù)安裝設(shè)計(jì)中。同樣重要的是，其低質(zhì)量、低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)計(jì)使得它對(duì)系統(tǒng)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)控制器兼容。

數(shù)據(jù)處理及IO控制單元是高速云臺(tái)的總控制單元，所有數(shù)據(jù)、控制、測(cè)量及人機(jī)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(qiáng)大的運(yùn)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(jī)械按鈕結(jié)合的方式作為人機(jī)交互界面[5-7]。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出一種搭載高速云臺(tái)的多相機(jī)空間定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)事先完成相機(jī)與高速云臺(tái)相對(duì)關(guān)系標(biāo)定及高速云臺(tái)驅(qū)動(dòng)相機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的實(shí)時(shí)高精度角度數(shù)值，確定相機(jī)實(shí)時(shí)外參，并進(jìn)一步基于多相機(jī)空間交會(huì)定位原理確定目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)量。

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作者簡(jiǎn)介：王寶迪（1984—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹藣u安裝工程自動(dòng)化裝備研究及技術(shù)管理。