（控制理论与控制工程专业论文）基于多线阵相机的定位算法与误差补偿.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 精确、可靠、高效的位姿检测技术与基于环境信息的空间定位系统是提高智能、自 主作业系统适应能力的关键技术，目前采用的双目或单目立体视觉因信息处理复杂，可 靠性和实时性差，在实际作业中都无法满足要求。使用线阵p s d 构成的空间定位系统 其实时眭和相对分辨率较高，线阵光电器件采样速度足够快，可以满足动态条件下实时 定位要求。另外，加上调制信号，使其具有非常好的全天候使用性能。本文针对基于多 线阵相机的空间定位系统这一课题开展研究，主要工作可概述如下： 首先提出了p s d 光电定位系统的数学模型，研究了p s d 的定位机理，在线性模型 的基础上提出补偿算法，另外又应用人工神经网络方法对定位系统建模，实现了对窄间 目标点的定位。 其次根据定位原理对系统进行设计。本定位系统由信号源、测量头、信号预处 理、多路信号采集板、数据处理与定位计算、电源等功能模块构成。采用红外调制 光源，通过信号处理等一系列技术手段实现了该定位系统对有效的位置信号的提 取，提高了系统的环境适应性和观测系统的鲁棒性，保证了测量系统的3 d 位置测 量精度。 最后分析了系统误差产生的原因，通过一系列技术手段进行补偿和抑制，从而 提高系统的定位精度。 总之，用多线p s d 相机对目标点进行空间位置测量是可行的。采样速度快、分辨 率高，系统的位置测量精度能够满足许多应用领域的位置检测要求，可以完成空间目标 物体的高精度位姿测量和轨迹跟踪。 关键词：p s d ，补偿算法，人工神经网络，调制光源，信号处理。 。 鲨堕兰些盔堂堡主鲨鲨塞 3 dl o c a t i o nm e t h o da n de r r o rc o r r e c t i o nb a s e d o nm u l t i - l i n e a r p s dc a m e r a s a b s t r a c t t h ep r e c i s e ，r e l i a b l e ，a n dh i g he f f e c t i v e p o s i t i o nm e a s u r e m e n t a n d s p a c el o c a t i o ns y s t e m b a s e d0 0e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o ni s 出e k e yt e c h n i q u ea p p l i e dt oi m p r o v e t h e a d a p t i n ga b i l i t y o f t h ea u t o n o m o u sm o b i l ev e h i c l e a t p r e s e n t ，b e c a u s eo f t h ec o m p l i c a t e di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ，3 dv i s i o n h a sb a d r e l i a b i l i t ya n ds p e e d i n e s sa n d c a n tm e e tt h e r e q u i r e m e n t i nr e a l w o r k t h es p a c el o c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h eo n e d i m e n s i o n a lp s dh a st h e h i 曲s p e e d i n e s s a n d p r e c i s i o n w i t h t h ef a s ts a m p l i n g v e l o c i t y ，i tc a n r e a l i z er e a lt i m el o c a t i o ni n d y n a m i c e n v i r o n m e n t w h e nm o d u l a t e d s i g n a li su s e d ，i th a st h eg o o d f e a t u r eo f w o r k i n gi na l lw e a t h e r t h i s p a p e r r e s e a r c h e st h el o c a t i o n s y s t e m w i t hp s d t h em a i nw o r ka sf o l l o w s ： a tf i r s t ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es p a c el o c a t i o ns y s t e m ，t h e l o c a t i o np r i n c i p l eo f p s da n dt h ec o r r e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h e p i n - h o l em o d e l i na d d i t i o n ， a r t i f i c i a ln e u t r a ln e t w o r ki sa p p l i e db u i l dt h em o d e lo ft h es y s t e mt or e a l i z et h el o c a t i o no ft h e s p a c eo b j e c tp o i n t t h e n ，t h es y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h el o c a t i o np r i n c i p l e t h es y s t e mi s c o m p o s e do fs o m ef u n c t i o n a lm o d u l e si n c l u d i n gt h es i g n a ls o u r c e ，t h ep s dc a m e r a s ，t h e s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，t h em u l t i p l e x e rb o a r d ，d a t a p r o c e s s i n g a n dt h e l o c a t i o n c o m p u t a t i o n ，p o w e re t c t h em o d u l a t e di n f r a r e ds o u r c ea n das e r i e so fm e t h o do fs i g n a l p r o c e s s i n gi sa p p l i e dt or e a l i z et h ea c q u i s i t i o no f t h ea v a i l a b l es i g n a l t h ea d a p t i n g a b i l i t y a n dt h er o b u s t n e s so f t h el o c a t i o ns y s t e mi si m p r o v e da n dt h e3 dm e a s u r e m e n t p r e c i s i o n i s g u a r a n t e e d f i n a l l y , t h ee r r o rp r o d u c e db y t h es y s t e mi sa n a l y s e da n dm a n ym e t h o d sa r e a p p l i e dt o c o u n t e r a c tt h ei n f l u e n c eo ft h ee r r o r t h e s y s t e mm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n i s i m p r o v e d e v i d e n t l y i ng e n e r a l ，w 油t h e r a p i ds a m p l i n gv e l o c i t ya n dh i 曲r e s o l u t i o n ，t h es p a c el o c a t i o ns y s t e m 谢mp s dd e v i c ec a nr e a l i z et h eh i 曲p r e c i s i o n3 dm e a s u r e m e n t t h e t e c h n i q u e i sf e a s i b l ea n d e f f e c t i v e t h ep r e c i s i o nm e e t st h e r e q u i r e m e n t i nm a n yf i e l d s 2 沈刖丁业大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：p s d ，t h e c o r r e c t i o na l g o r i t h m ，a r t i f i c i a ln e u t r a ln e t w o r k , t h em o d u l a t e d i n f r a r e ds o u r c e ，s i g n a lp r o c e s s i n g 3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：妻又才、日期： 幻。午3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：妻j 久奇、导师签名：凇日期：丝皇兰：呈么 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 高精度空间定位的意义和发展 高精度空间物体的位姿检测是近年来在航天、空间、工业自动化、军事、医疗、科 研等领域迅速发展的前言技术。随着技术的发展，具有自主位姿检测功能已成为自主、 智能化移动和作业型系统的发展和实现的关键技术。在多a g e n t 系统、机器人遥操作系 统、移动机器人( 如a g v ) 系统、虚拟人机系统、医疗导航系统以及其它多目标精密监 控系统中的重要应用价值。应用同类技术的自主式医疗导航系统为先进自动外科探查和 手术( 包括遥操作) 作业和辅助作业提供了必要的技术支持，因而具有巨大的发展的 景。a 主定位技术在j i ：业制造业领域同类技术的应用6 口景更是广一泛。这类定位系统具有 以下特点： 1 实时性。为适应动态位姿闭环控制，要求定位系统能够实时提供目标物体的基于 环境或参考系的位姿信息数据。 2 大范围。在大多数作业场合( 移动机器人、水下空间无人遥操作系统、大型精密设 备等) 中，要求空间定位系统能够提供较大的位姿检测范围，以满足某些动态监 控物体的大范围作业要求。 3 高精度。位姿监控或反馈控制通常要求具有相应的测控精度，尤其应用于遥操作 系统时( 典型如机器人虚拟示教、监控作业等) ，执行机构与作业对象( 或作业 环境) 阳j 的位姿关系要求是十分准确的。 这些特性，对自动或自主系统的研究和实践具有特别重要的意义。 鉴于全局空间精确定位的广泛应用价值和技术的先进性，国际上在研究空间( 空间 机器人系统和遥操作系统) 和军事以及其它特种用途的精确自主定位位姿控制系统与技 术方兴未艾，美国和欧洲在各种尖端科学研究和系统工程上( 空间、军事、和水下医疗 等领域的机器人和自主系统) 都在开展以空间定位位姿控制作为支撑技术的自主系统研 究计划。 我国在空间感知与定位技术还相对落后，尤其在方法上和系统技术上还处于刚刚起 步的阶段。随着我国固力的增强，作为关键技术，国家重大科研项目的实施都要求这类 沈阳工业大学硕士学位论文 自主定位系统技术以提高整体装备和性能的技术水平，提高使用能力，适用现代和将来 的需要。作为关键技术，自主空间定位系统在其它行业也存在的巨大市场需求，用以发 展高新技术设备以适应市场竞争。典型的如机器人遥操作系统的运动与作业位姿闭环控 制和模型监控模式，目前采用的双目或立体视觉因信息处理复杂，可靠性和实时 生差， 在实际作业都无法满足要求。因此，精确、可靠、高效的位姿检测技术与基于环境信息 的空间定位系统是提高自主作业系统适应能力的关键技术。有必要对其关键技术和系统 技术开展前期研究。 基于多线阵相机的空间定位技术是计算机视觉技术的一种应用技术，它采用计算机 视觉的基本原理与实现方法。我们研究p s d 光电器件在空间定位系统中的应用，主要目 的是研究这样一种技术，开发基于p s d 的空间定位系统，使其能够对目标进行实时、高 精度、大范围的位姿检测。 1 2 计算机视觉技术 计算机视觉是指用计算机来实现人类的视觉功能，也就是用计算机来实现对客观三 维世界的识别。即实现人类视觉系统的某些功能，其目标是实现对三维世界的理解。 计算机视觉技术近年来已经成为人工智能领域研究的热点技术之，在机器人视觉系 统、机器人手眼标定、人机对话、产品质量控制与工件位姿控制、医学临床仿真等许多 领域有着广泛的应用，创造出巨大的经济价值和实用价值2 ，3 ，4 ，5 ，6 1 。 计算机视觉研究出现于6 0 年代初期，电视摄像技术的成熟与计算机技术的发展使得 计算机视觉研究成为可能，它作为早期人工智能研究的一部分，由【于技术条件的限制， 进展缓慢。8 0 年代初，在d m a r c 提出的计算视觉理论指导下【l 】，计算机视觉研究得到 了迅速发展，成为现代高科技研究的一个热点。9 0 年代，随着计算机技术的高速发展， 计算机视觉在工业中得以应用，如印刷电路板的检验、高精度导弹的制导、机器人装配 线、汽车流量检测等方面都有机器视觉系统的应用。计算机视觉是研究使机器具有类似 于人类视觉的部分功能的一门新兴学科。它的研究范畴包括物体识别、景物分析、立体 重构、运动检测与跟踪、自主导航等方面1 7 j 。 计算机视觉系统由摄像输入设备、计算机及图像处理设备、执行机构( 如机器人) 等组 成。摄像输入设备提供环境的图像，依具体设备的不同可以是黑白灰度图像、彩色图像 2 沈阳工业大学硕十学位论文 或者距离图像等。而图像本身可以是普通的视频图像、遥感图像，也可以是显微图像、 超声波医学图像、x 光断面扫描层分析图像等。计算机可以是普通的p c 机或工作站，也 呵以是专用的图像处理机。 从应用的方面看，计算视觉研究包括工件的自动检测与识别、产品质量的自动检 验、食品的自动分类、智能车的自主导航与辅助驾驶、签字的自动验证、f 1 标跟踪与制 导、交通流的监测、关键地域的保安监视等等。从处理过程看，计算机视觉分为低层视 觉和高层视觉两阶段。低层视觉包括边缘检测、特征提取、图像分割等，高层视觉包括 特征匹配、三维建模、形状分析与识别、景物分析与理解等。从方法方面看，有被动视 觉与主动视觉之分，又有基于特征的方法与基于模型的方法之分。 机器人视觉是计算机视觉研究的一个重要方向，它的任务是为机器人建立视觉系 统，使得机器人能更灵活、更自主地适应所处的环境，以满足诸如航天、军事、工业生 产中同益增长的需要( 例如，在航天及军事领域对于局部自主性的需要，在柔性生产方式 中对于自动定位与装配的需要，在微电子工业中对于显微结构的检测及精密加工的需要 等1 。 计算机视觉是一个涉及电子工程、机器人、图像处理、模式识别等众多高技术领 域，经过3 0 多年的发展，现在已逐步成长为一门枝繁时茂的独立学科。它的应用前景十 分明显，发展高潮正在到来。 1 3p s d 位置传感器 p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e v i c e ) 是一种先进的光电位置传感器，由于有很好的 时间响应性较高的位置分辨率而得到广泛的应用。p s d 是一种基于横向光电效应的光电敏 感位置器件8 ，9 ，1 0 , 1 1 】，它实际是一块大面积的p - n 结，只不过一维p s d 敏感面的两边设 有电极，而二维p s d 的四边设有电极，当p s d 的敏感面受到光斑局部非均匀照射时，在 其敏感面上将建立与光斑位置相关的平行于敏感面的横向电压，如果光斑持续照射，并 在p s d 的电极上接有外电路，而将形成向两极流动的电流，两极电流的大小与光斑的位 置有关，从而根据电流的大小计算出光斑的位置来。这是p s d 光斑定位机理的简单介 绍。 p s d 光斑定位技术是通过光学方法实现的，故它具有光学方法的一些共性即： 3 沈队l ：业人学硕十学位论文 1 因为光信号可以调制到很高的频率。故光信号可以携带丰富的信息。 2 光信号不受电磁场影响。故可应用于电磁干扰的恶劣环境。 3 光信号可以轻而易举地用反射镜或透镜处理。另外，它还具有自身独特的优 点，即位置分辨率高( 2 m 级) 、光谱响应范围宽( 3 2 0 一1 1 0 0 n m ) 、响应速度 快( 几十2s ) 等。 当然p s d 并非唯一的光斑定位器件，事实上有两类器件可实现光斑定位，一类是图 像阵列器件如c c d ，光照射到编址单元，再经过扫描电路找出被照射单元地址从而确定 光斑位置，不可避免的扫描过程决定了该类器件响应速度不可能很高；另一类则是权重 定心型如四象限探测器、p s d 等，该类器件只对光斑的积分强度和权重心敏感，放处理 相对简单，响应速度自然较高。而作为位置探测器件，p s d 相对于上述器件有更为显著 的优点： 1 运算量：p s d 得到的位置信号本身即光斑的重心位置，无须计算，而四象限探测 器则需经过一定的计算方可得到光斑的位置。图像型器件的运算量更大。 2 背景消除难易程度：由于待测位置一般只限于有限的光斑，其它本底和背景均不 是我们所期望的，故应予以消除。对于图像型器件，要消除背景则需要复杂的图 像相减，从而影响了系统的速度，而对p s d 而言只需要简单的处理便可消除背景 及本底的影响。 3 位置分辨率：由于p s d 为连续型器件，其位置分辨率只取决于器件自身的噪声限 和a d 的转换精度。一般情况下可达到f m 量级，而图像型器件则由于阵列离散 型结构，故其位置分辨率取决于单元间距，一般为十几m 量级。 4 测量范围：四象限探测器最大只能测量光斑本身尺度范围内的位置信息，而p s d 的测量范围只取决于敏感面的大小。 p s d 总的来可以分为两类： 1 太阳能电池p s d ( 零偏p s d ) ，这种p s i ) 有时也称w a l l m a r k 型p s d ，工作时不加 反偏电压或略加正偏电压。 2 二极管型p s d ( 非零偏p s d ) ，这种类型p s d 在工作时施加零偏或反偏电压。 4 沈g t x _ 业大学硕士学位论文 太阳能电池型p s d 的优点：白激，工作时位置响应线性度差、灵敏度低、光强影响 大，灵敏度会随着背景光的增加显著降低、响应速度慢。光电：极管型p s d 的优点是高 的位置灵敏度、好的线性位置，但技术比较复杂。总之，对非接触式位置检测，p s d 是 一种很有前途的器件。 1 4p s i ) 的研究现状与发展 p s d 是一种基于横向光电效应的光电位置敏感传感器，p s d 的理论模型诞生于3 0 年 代，由于具有很高的灵敏度、良好的瞬态响应特性、紧密的结构以及简单的处理电路而倍 受工程界的青睐，因而在许多领域获得了广泛的应用。自从1 9 3 0 年s o h o t t k e y 发现了横 向光电效应后，许多作者对这种效应及其应用潜力作了深入的探讨，其中要由数 w a l _ m a r k 和l u c k o v s k e y 的贡献突出。w a l l f f i a r k 利用内部载流子理论基本解释了横向光 电效应，随后l u c k o v s k e yg ，c o n n o t swp 以及n a r u s t 等人对它做了进一步的研究。6 0 年代迅速发展并逐渐趋于成熟：7 0 年代发展了表面分割型和两面分割型器什；为了改善 器件的性能参数，8 0 年代发展了改进分割型器件；9 0 年代改进表面分割型器件又得到进 一步发展，使得结构更加完善，性能参数进一步提高。 如今，美国，日本，英国等发达国家在p s d 研究和制造方面已具有相当高的水平，其产 品性能日臻完善。5 0 年代至8 0 年代主要是注重p s d 特性研究及其从实验研究转化为产品 开发的阶段，关于位置敏感器件的专利申请在日本还只是9 0 年代初的事情。所以，过去在 应用上不如c c d 器件那样广泛。在国内，有关p s d 报道出现在7 0 年代，当时也只是一些有 关p s d 原理及特性方面的报道，p s d 本身及其应用方面的研究发展比较缓慢，只是近年来才 引起重视，9 0 年代在应用方面的报道就比较多了，总的来说，目前国内的p s d 还处于研究和 丌发阶段。在应用方面偶见报道的有：枪管振动，箭弹扰动，距离探测，车船碰撞，航空对接 光学定位跟踪，角度测量，地震监测，激光束校准，平面度测量，自动检焦，医疗仪器，机器人 视觉，天文观测，高能物理，分析化学，长直导轨检测，身管弯曲度测旦【1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 这些应用 大都处于原理性摸索阶段，还没真正将p s d 应用到备有数据采集，数据处理，结果输出等的 实时检测系统。 1 5 主要工作内容 本文研究的课题结合国际科学团体支持的准备在我国建设的大射电望远镜f a s t 5 沈阳工业大学硕十学位论文 ( f i v eh u n d r e dm e t e ra p e r t u r es p h e r i c a lr a d i ot e l e s c o p e ) 建设项目中的馈元仓( 天 体无线信号接收天线的安装载体) 。位姿定位系统是该项目的关键技术。该定位系统 要求检测范围大、精度高( 毫米级) 、实时连续工作。目前已有的技术方案均无法满 足要求。我们提出的基于多线阵p s d 的空间定位技术更为实际，以构成的空间动态 目标高精度、大范围、实时定位检测系统技术和关键技术为研究内容，本文的工作丰 要有以下几个方面： l线阵p s d 空间定位系统数学建模，分别采用基于线性模型的补偿算法以及人_ 神经网络的方法对系统的映射关系建模，进行标定和定位计算。 2线阵p s d 的空间定位系统的组成，功能模块的设计以及采取相应的信号处理技 术提取有效的位置信号，提高系统的环境适应性和观测系统的鲁棒性。 3 分析了系统误差产生原因，通一系列技术手段进行补偿和抑制，保证了测量系统的 3 d 位置测量精度。 6 沈卧l ：业人学硕十学位论文 2p s d 光电系统的定位机理 2 1 技术要求 采用非接触式的测量方式对空间目标点进行快速、高精度的测量，并将采集到的数 据实时处理、显示。 技术要求： ( 1 ) 快速，能实时检测。 ( 2 )实现高精度测量，点定位精度l m m ( 最大5 m e ) 。 ( 3 )在室外环境下全天候作业。 2 2 设计思想 传统光电式定位测量有三角法( 利用激光或结构光与c c d 摄像机构成3 d 测量机 构) 、双目式( 利用双相机构成立体视觉) 、测距法( 激光测距结合经纬仪) 、视觉法 ( 通过观测多合作目标进行定位) 等。三角法只适用于近距离物体表面的3 d 数字化；双 目立体视觉受视场与摄像机参数和环境影响较大，系统的精度和稳定性不好，而且信息 处理复杂，实时性差；测距法要求目标相对固定，当目标移动时，激光跟踪是个问题， 定位精度仍受测距精度的限制；视角法采用摄像机观测周围环境中的合作目标，一般只 适用于2 d 定位，3 d 定位计算方法复杂，精度低。使用上述技术的最大问题是实时性和 可靠性，无法保证基于环境信息的空间位姿闭环控制。相对而言，使用线阵p s d 构成的 位姿测量系统其实时性和相对分辨率较高，而且线阵光电器件采样速度足够快，可以满 足动态条件下实时定位要求。另外，可以加上调制信号，使其具有非常好的全天候使用性 能。 这种空间定位计算原理参考目前的外科医疗导航设备的空间定位技术，为观测面交 汇方法。即使用线阵p s i ) 观测时，任一空间平面的点的投影都落在柱面镜头焦平面的一 点上。反之，焦平面上任一点构成的投影都可以用该点与视轴的夹角作为方向矢量描述 出。当使用三个正交分布线阵p s i ) 观测同一空间点时，其投影点就构成三个相交的空间 平面，其交点就是该空阳j 点。如果这三个平面方程可以确定，则该空涮点的位氍可以计 7 沈阳工业大学硕士学位论文 算出来。构成这种动态空间定位系统的核心技术是定位计算数学模型建市和系统标定与 跟踪技术。 2 3p s d 工作原理 p s d 是一种具有特殊结构的光敏器件，又称为p - n 结光电传感器i1 6 】。是一种半导体位 置信息连续输出探测器。当入射光照射在感光面的不同位置时所得到的电信号也不 同，从输出的电信号中我们就可以确定入射光点在器件感光面上的位置。图2 1 是一维 p s d 的位置感应原理图。 bfm r 上二 工j p n p a 图2 1 一维p s d 感应原理图 它的工作原理是基于横向光电效应，即一光束入射到p n 结上的m 点时，除了产生结 光生电动势以外，还将在与结平行的方向上( 横向) 产生光生电动势，产生的电荷量与入 射光强成正比。在p - n 结两头配置两个电极，就可以得到与光电压对应的光电流。图中m 点决定了均匀扩散层( p s i ) 中a m 段和b m 断电阻的比例。当有光照时，在无外加偏压时， 面电极a 、b 与衬底公共电极相当于短路，可检测出短路电流。设a m 段电阻值为r ，b m 段 电阻值为r 。r 为r 和r ：的并联电阻值。光电流i 。分别经过r 和r z 并由a 和b 流出。其 值分别为： ( 2 1 ) 假如p s d 光敏面的表面电阻层具有理想的均匀特性，则表面电阻层的阻值和长度成i e 比，有 8 婆里王些丕堂鉴主堂垡堡壅 i 。i 。= r r 。= x 1 2 l x k l ( 卜( i 广1 0 ( i 。+ i ：) ) 一般以a b 的中点0 为坐标原点，则入射光点m 的坐标为： x = l ( i 一i ：) ( i + i ：) 式中i 一i ：与i 。+ i ：的比值线性地表达了与光点的位置关系。也可写为 x = k ( l - i ：) ( i 。+ l 。) 其中k 为与p s i ) 有关的常数。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 25 ) ( 2 6 ) 当点光源照射在感光面时，由于平行截面的横向电场作用，使光生载流子形成的向两 端流动的电流，当指示光源之光点在两极间移动时，两端输出极的输出电流信号也随之 发生变化，由此经换算可得出指示光源之光点在p s d 面上的位置坐标。 在定位系统中，设定p s d 的两路输出模拟信号z 1 、z 2 ，则入射光点在器件感光面上的 位置量“如图2 2 所示， 电信号输出x 1 光信号输入电信号输出也 图2 2p s d 结构图 “= ! 兰! 二兰! ! ( x l + x 2 ) 一9 - ( 2 7 ) 沈阳工业人学硕士学位论文 式( 2 7 ) 中，u 为目标点光源在线阵光电器件p s d 上的成像点p 的雌半标( 定义在 图像坐标系) 。 由于p s d 器件的输出是连续的模拟量信号，有很高的分辨率，输出单一，响应速度 快，可以满足动态条件下实时定位要求。而且可对目标光信号进行调制，使系统具有很 强的抗干扰能力和环境适应性，使其具有非常好的全天候使用性能。 基于上述特点，本系统采用线阵p s d 作为视觉传感器的空间定位系统。线阵p s d 接 收信号光源的波长范围在3 2 0 l l o o n m ，当波长为9 2 0 h m 时，响应达到峰值。 2 4 定位机理 基于线阵光电器件p s d 的空间定位采用非平行观测面交汇定位原理，如图2 3 所示， 幽23 成像点与投影面在梓面镜头作刚f 的成像关系 系统采用线阵光电器件p s d 并配有柱面镜头，那么空间点目标光源与其在光电器件上 的成像点u 沿柱面母线横截面方向构成一个投影面图2 3 中，s 表示一空间平 面，其位置由s 的法向和点“决定。同理，平面s7 由法向n7 和点u7 决定。在 平面s 上的任一点，其在p s d 上的投影点都落在“上。而在平面s7 上的任一点，其 在p s d 上的投影点都落在“7 。s 的平面方程可写为： a x + b y + c 2 + 胪0 1 0 ( 2 8 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 其中，a 、鼠c 为平面s 的法向n 的三个分量，0 a 定义在参考举标系w 上。理论j _ ： p s d 上任一成像点u 都唯一确定一个空间平面s 而且目标点光源必定在这个平呵上。反 之，目标点光源位于投影面s 上的任意位置时，其在光电器件上的成像点部落在同“点“ 上。因此，有了成像点“，就定义了一个相应的空间投影面当n 个( 3 ) p s d 测量装 置同时观测一个目标点时，则该目标在各个测量装置上的成像点u 即可确定n 个空间平 面，如果这1 1 个平面非平行，必定交于空间一个点，而满足这n 个平面方程的唯一解就 是这个目标点。当存在这n 个平面方程时，其系数矩阵( 设为m ) 是由各装置上的投影点 驰( i = 1 - 1 1 ) 唯一确定的。因而当投影点“可检测时，就可以由系统标定参数和检测值构成 观测矩阵m ，进而解出定义在参考系上的目标点空间位置0 力。为达到最佳交汇精 度，各观测投影面宜相互正交构成，当采用3 个p s d 测量装置时，结构如图2 4 所示， 图2 4 定位原理图 三个平面方程组成如下方程组： a 1 x + b i y + c l z + d i = 0 a 2 x + b 2 y + c 2 z + d 2 = 0 a3 x + b 3 y + c3 z + d 3 = 0 可简写为： n x - d ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 沈刚t 业大学硕十学位论文 若想确定任一空间点的位置，必须先确定这三个平面方程的参数，即f 和d i ( i = 1 2 3 ) 其中n i 坼1 b l ，c a 。 x = ( n v n ) 1 n v d 其中= 雾! ，。= f ：参 ，= i 。 ( 2 1 1 1 由式( 2 ，1 1 ) ，即可确定空问点的位置 奶刁。为确定m 和历，需要对该测量系统进行标 定。既在某一参考坐标系w 定义下计算或检测出各测量装置在观测某一目标点时的 相对观测参数。 2 5 系统标定 2 5 1 线性摄像机模型标定 在计算机视觉中，再对物体进行精确定位时，都需要进行摄像机标定。计算机视 觉系统应能从摄像机获取的图像信息出发，计算三维环境物体的位置、形状等几何信 息，并由此识别环境中的物体。图像上每一点的位置则与空涮物体表面相应点的几何 位置有关。这些位置的相互关系，由摄像机的成像几何模型所决定。摄像机标定就是 获得摄像机内部几何和光学特性即内部参数，以及摄像机在世赛坐标系中的位置和方 向，即外部参数。建立适当的数学模型，得到三维世界坐标与二维计算机坐标之问的 关系，可以快速计算摄像机的内外部参数的精确值【1 。 目前的摄像机标定技术大致可归结为传统的摄像机定方法和摄像机自标定方法 1 7 1 。前者在一定的摄像机模型下，基于特定的实验条件，如形状、尺寸已知的标定 参照物，经过对其图像进行处理，并利用数学变换和计算方法，计算摄像机的内部参 数和外部参数。后者不依赖于标定参照物 的图像与图像之间的对应关系进行标定， 只利用摄像机在运动过程中，其周围环境 股用于机器人手眼系统或主动视觉系统。 1 2 沈眦叫k 大学硕+ 学位论文 标定计算的复杂度与摄像机成像几何模型的复杂性有关。小孔摄像机成像模型满足 严格的透视变换关系，其基本变换计算式是线性关系，可以直接采用解线性方程组的方 法来求解 1 8 】。 空间上任何一点p 在图像上的成像位置可由针孔模型近似表示，即任何点p 在图 像上的投影位置，为光心与p 点的连线与图像平面的交点。这种关系也称为中心投影 或透视投影。本定位系统的标定过程中，即是采用了针孔映射原理，在忽略了摄像机的 畸变的前提下，使用线阵光电器件p s d 构成空间任意点位置测量系统，通过一系列的投 影等数学方程的转换后计算出投影矩阵m ，从而达到对该测量系统进行标定的目的。 如图2 5 所示，设摄像机坐标系为c ，图像坐标系为i ，为图像坐标系原点，w 为参考坐标系。 幽2 5 空间点在各坐标中的位置关系 根据针孔映射原理，由投影关系，点p 与其在成像面上的投影点“的关系为 ?=：m聊l。2mml3m肌l：4f t 为比例因子。令i 2 4 = 1 ，则有 ( 2 1 2 ) 。：堡：! ! ! ! ! ：! ! ! 兰竺! ! ! 竺! !( 2 1 3 ) t m 2 j x + ，”2 2 y + ，咒2 3 z + 1 1 3 il阱rilijl 一 乙 一 沈阳工业大学硕士学位论文 展开得并移项整理得： m 1 1 x + m 12 y + 棚13 z + m 1 4 一m 2 1 似一m 2 2 u y m 2 3 “z = “ ( 2 1 4 ) 矩阵形式为 ( 2 1 5 ) 其简写形式可为a m = u 。当采样点足够时，转移矩阵m 就可以用下式求出： 当m 确定后，就可以用式( 2 1 4 ) 式计算由投影点u 定义出的平面方程。即 m i i x + m 1 2 y + m 1 3 z + m 1 4 一m 2 l u x 一卅2 2 砂一m 2 3 比= “ ( 2 1 7 ) t m 。一m ：，“加，：一m 2 2 “m ，一朋2 3 “，f i = “一m c2 8 ， 其中a j = m ，2 ，“ ，b = m 1 2 一m 2 2 u ， c i 。 m j 3 。m 2 3 b 1 ，d j 2 m 1 4 。州。 当由三个测量装置给出这样的三个平面方程建立后，可简写为： n x = d ( 2 2 0 ) 其中 7 产m ，b ，c f 一= ，z 3 ) 。空间点p 在w 下的坐标就可以解出了。 一1 4 沈阳= i 业大学硕士学位论文 x = ( n t n ) 。1 妒df 2 2 1 1 由式( 2 2 1 ) ，即可确定空间点的位置 力。 线性模型标定过程是在线性条件下完成的，所以在计算m 矩阵的过程中涉及到的约 束或方程都是线性的，使计算简单、快速。但是因摄像机制造和工艺等原因，光学系统存 在非线性几何失真，使得目标像点存在着多种类型的几何畸变。其中径向畸变、偏心畸 变、薄棱镜畸变等”l 。所有这些畸变导致图像存在较大的畸变误差，必须进行校正才能 消除【2 0 ，2 1 ，矧。为此，许多研究者设计了各种摄像机畸变模型2 3 , 2 4 , 2 52 6 ，2 “。考虑了更多的 畸变影响，但同时也导致了更为复杂的数学方程，使计算费时费力。一般的基于精确的 数学模型的标定方法，就是给定足够多的标定点的空间坐标点和相应的图像点，来确定 某种摄像机的内部参数和外部参数，然后利用这些参数，恢复空间景物点的三维信息。 这种方法很显然不能囊括的所有非线性因素，只能选择几种主要的畸变，而忽略其它不 确定因素。 对于本定位系统，当采用线性模型时，忽略了影响成像几何关系的各种光学和电子学等 因素，精度不是很高。若想提高定位精度，必需对畸变校正。在第4 节，我们针对影响 p s d 器件成像的各种因素进行了分析，采用线性化的方法予以补偿，找出目标光源移动 时，线性化曲线在空间分布的规律，然后对每- - n 量点均进行补偿，可以显著的提高定 位精度。 一1 5 沈刚工业大学硕士学位论文 3 定位系统设计 3 1 系统构成 根据如上定位原理，p s d 光电定位系统由信号源、测量头、信号预处理、多路信号 采集板、数据处理与定位计算、时序控制与通讯、电源等功能模块构成。如图3 1 ， 幽31 定能系统结构框图 工作过程：定位系统启动后，控制驱动器接收系统时序控制命令，将选通的信号光源 开启或关闭，信号光源向外发射红外调制光源，经柱面镜头投射到3 个光电传感器件 p s d 的感光面上，被光电转换电路接收。经光电转换，在p s d 上的输出模拟信号，幅度 为亚毫伏级，经多级放大和窄带滤波后，进行全波检波和积分，使接收信号的幅度变化 在1 0 v 蛰j + 1 0 v 之间，送到多路信号采集板进行a d 转换，再传递到计算机进行数据处 理，并根据系统标定参数进行位置计算。 ，1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 功能模块设计 l 信号源 信号源设计由两部分组成。一是由单个或多个红外l e d 构成的信号光源，该信号光 源受测量系统控制。二是由多路开关、调制信号源和驱动电路构成的控制器，该控制器 接收系统时序控制命令，将选通的信号光源丌启或关闭。驱动电路设计如图32 ， a 、b 、c 、 g 1 四路控制 信号 图3 2 驱动电路原理图 7 4 l s l 3 8 为3 8 译码器，接收计算机发出的选通信号，选通所要驱动的信号源。分频电路 对5 m 的晶振进行分频，得到所需的频率为1 9 5 3 1 k h z 的调制信号。将3 - 8 译码器的输 出信号和调制信号经过逻辑运算来控制驱动电路，对发射红外光调制，得到频率为 1 9 5 3 1 k h z 的红外光调制信号。 每个信号源设计选用单l e d ，功率 一2 0 m w ，l e d 安装在一钢套上，后端带螺丝扣。 如图3 3 所示， 1 7 沈i j l j x 业大学硕士学位论文 选通信号电源 图3 , 3 红外调制信号源结构原理 2 测量头 测量头是由线阵p s d 、柱面镜头、前置放大器和机壳构成的红外光学相机，结构如 图3 4 所示，安装在可运动的三维云台上。云台用来调整相机视场空间的位置。相机接 收的光信号经p s d 转换成模拟电信号并通过前置放大送至信号处理模块。本系统需要设 计三套结构相同的光学相机，通过目标点在各个相机上的投影形成三个非平行的空间平 面，用来进行定位计算。其中镜头为柱面镜头，信号接收为线阵p s d ，接收信号经前置放 大器放大后通过信号电缆送到信号预处理模块处理。 图3 4p s d 相机结构示意图 1 8 沈| i | _ 1i + 业人学硕十学位论文 3 信号处理电路板 信号处理过程直接决定着定位系统的工作的可靠性、抗干扰性和能够保汪设计的扫 描范围及定位精度。为使定位系统具有良好的稳定性，必须采驳一系列技术措施保证有 效信号的正确提取，从而进行准确定位计算。线阵p s d 有两路输出，则位置输出为 l f ( x l x 2 ) ( x l + x 2 ) 。位置信号u 的计算可有两种方案，一是构成计算电路直接输出后 处理。二是分路处理，再进行位置计算。为了提高位置信号“的信噪比和幅度，我们采 用信号处理模块对p s d 各路输出信号分别进行放大、滤波、调制和整型等处理，使其产 牛稳定和足够幅度的模拟信号供位置检测。由于p s d 输出是模拟量，电噪声的影响必须 考虑，这主要反映在系统调制信号的交直流变换、系统器件温漂噪声抑制处理上。本实 验系统设计的信号处理模块的结构如图3 5 所示， 图3 5 信号采集与处理流程图 调制的红外光信号，经柱面镜头入射在p s i ) 的光敏感面上，产生两路模拟输出信号， x 1 、x 2 ，为亚毫伏级，全部淹没在噪声中。微弱信号处理是个非常复杂的技术问题，有效 信号的提取是保证定位精度关键的因素。我们采取这样的处理方案，利用前置放大电路 将有效信号和噪声一起放大，再由后续的信号处理电路进行窄带滤波，提取有效的位置 信号。因为有两路输出信号，前置放大电路设计由高信噪比、低温漂的运放构成。电路设 计时必须使两路信号放大倍数相同并保持同相位，保证位置计算准确性。放大后的信号 ( 混有干扰) 如图3 6 所示， 1 9 沈阳1 二业大学硕士学位论文 图3 , 6 混有干扰的线阵p s d 两路输出模拟信号 从图3 6 可以看出在信号输出中含有大量的干扰信号，必须进行信号处理滤除干 扰。为了滤除干扰信号，我们运用贝塞尔带通滤波器的设计原理使用运算放大器等电子 器件构成特定频率的带通滤波器。滤波中心频率为1 9 5 3 1 k h z ，通过带宽为1 k h z ，截 止带宽4k h z ，该滤波器为1 0 阶。滤波后的电路如图3 7 所示， 图3 ，7 滤波后两路输出模拟信号 一2 0 墓、 乒 夕 一鲨型三些查堂堡主堂垡笙奎 滤波后的信号幅值在1 v 之间，经过两级放大使其幅值为6 vz f j ，再经过整流，积 分环节，变为1 0 v 之间变化的直流信号，如图3 8 十1 0 v 0 v 1 0 v ， x 2 图3 8 经整流、积分环节的信号输出 整型后的信号进入多路信号采集板，进行a d 转换。 4 多路信号采集板 p c l 一8 1 8 l 是一种高性能多功能的数据采集卡，可用于i b mp c e k t a t 或兼容计算机 中。它可为用户提供五种最常用的检测和控制功能：1 2 位a d 转换，d a 转换，数字输 入，数字输出和定时器计数