CN109887041A - 一种机械臂控制数字相机摄影中心位置和姿态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂控制数字相机摄影中心位置和姿态的方法，通过摄影测量方法，实现机械臂控制数字相机参数的高精度标定和检校。本发明是数字相机检测实时动态位置姿态控制系统，该系统工作可靠、控制精度高，且满足头不同类型数字相机包括航摄仪检校实时动态位置和姿态控制需要。

Description

一种机械臂控制数字相机摄影中心位置和姿态的方法

技术领域

本发明涉及数字相机检校技术领域，更具体地说，它涉及一种机械臂控制数字相机摄影中心位置和姿态的方法，适用于不同类型数字相机(包括航摄仪)检校需求。

背景技术

近年来，数字相机作为地表地物观测、获取的主要手段，广泛应用于交通监视、电力巡检、农业保险、环境保护、应急救灾、自然资源地理信息等领域。。为保证地理信息产品的质量，对数字相机的质量进行实验室检校测试，以确定是否满足相关技术规范的要求。数字相机检校过程中，利用机械臂实现精确控制数字相机位置和姿态有着重要的应用，实现机械臂控制数字相机到达指定位置和姿态，达到数字相机检校目的。

目前，在机器人领域，针对机械臂手眼定位技术研究和应用，国内外大多利用视觉测量方法帮助机械臂精确控制数字相机的位置和姿态，其典型应用如中国专利11515810公开的一种高精度机械臂手眼相机标定方法及标定系统，利用视觉方法实现机械臂与相机之间外参的高精度标定。但是现有的方法是指机械臂标定同一类型的数字相机位置和姿态，机械臂针对不同焦距，不同类型的数字相机包括航摄仪位置和姿态标定方法一直没有得到解决。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种机械臂控制数字相机摄影中心位置和姿态的方法，工作可靠、控制精度高，且满足不同类型数字相机包括航摄仪检校实时动态位置姿态控制需要。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种机械臂控制数字相机摄影中心位置和姿态的方法，包括下列步骤：

(1)机械臂标定测量坐标系方法，采用标定板上的公共标志点坐标，解算机械臂坐标系相对测量坐标系的相对方位，标定步骤如下：

步骤一：标定板和墙面标志点建立统一测量坐标系，采用经纬仪测量系统实现对标志点高精度测量，其中经纬仪测量系统由两台电子经纬仪和长度基准尺组成，基于测角前方交会方法实现标志点的高精度测量；

步骤二：控制机械臂去测量标定板上的标志点，其运动参数可由机械臂的控制器读出，是已知参数；

步骤三：利用机械臂坐标系和测量坐标系个公共已知标志点坐标，解算机械臂坐标系相对测量坐标系之间相对方位，实现机械臂精确标定测量坐标系；

(2)数字相机摄影中心位置和姿态精确标定方法，数字相机摄影中心不是一个实际的物理点，而是一个虚拟出来的光学点，人眼无法看到摄影中心，必须由定标的方法计算，利用墙面标志点坐标，采用单像空间后方交会定位方法解算的数字相机摄影中心位置和姿态，在实际的测量中，受数字相机图像传感器和光学镜头畸变的影响，制约后方交会方法所能实现的位置和姿态测量精度，标定步骤如下：

步骤一：首先对标定的数字相机进行检校，获取数字相机内方位元素及畸变参数，消除影像畸变；

步骤二：利用机械臂控制数字相机拍摄墙上标志点，利用数字相机检校几何参数对标志点像点坐标进行改正，实现标志点像点坐标高精度量测，最终实现数字相机在测量坐标系下摄影中心位置和姿态的精确解算；

(3)通过步骤(1)和(2)，实现机械臂标定数字相机摄影中心位置和姿态方法，通过机械臂控制数字相机，以摄影中心为原点，以主光轴为旋转方向，实时动态控制数字相机在检校过程的位置和姿态。

进一步地，步骤(1)中公共标志点的数量应大于3。

进一步地，所述经纬仪测量系统的测角精度为0.5”。

本发明采用上述技术方案所获得的积极效果为：

本发明工作可靠、控制精度高，且满足不同类型数字相机或相机(包括单镜头和多镜头数字相机)检校实时动态位置和姿态控制需要，该系统能通过摄影测量方法，实现机械臂控制数字相机摄影中心位置和姿态方法。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的系统原理图；

图3为本发明的系统测量图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

参照图1-3对本发明实施例做进一步的说明。

如图1所示，本发明的数字相机检校实时动态位置姿态控制系统是由摄影测量系统、机械臂控制系统等组成。该系统结构特点是，提供一个标定板，该标定板由几个回光反射材料制作的标志点构成；标志点均匀布设在墙面上，采用钻石级回光反射材料制作标志点，它作为标准靶标，合理的增加标志点数量，可以满足不同焦距数字相机的摄影需要。标定板和标志点建立统一测量坐标系，其中标定板用于机械臂标定测量坐标系，实现机械臂在测量坐标系运行；标志点用于在测量坐标系下数字相机摄影中心位置和姿态精确标定，其中测量坐标系为参考坐标系，实现机械臂控制数字相机摄影中心位置和姿态。通过机械臂控制数字相机，以摄影中心为原点，以主光轴为旋转方向，实时动态控制数字相机在检校过程的位置和姿态。

如图2所示，本发明系统采用Cw为测量坐标系，Ce为数字相机坐标系，Cm为机械臂坐标系，则可以用摄影测量方法标定Cm与Ce的相对方位，实现机械臂控制数字相机摄影中心位置和姿态，其中两个坐标系之间的相对方位由旋转矩阵和平移向量描述。首先计算机械臂坐标系和测量坐标系相对方位，如图3所示，利用标定板上的公共标志点(数量大于3)坐标，解算机械臂坐标系相对测量坐标系之间相对方位，实现机械臂标定测量坐标系。然后计算数字相机摄影中心在测量坐标系的位置和姿态，利用墙面标志点(数量大于4)坐标，采用单像空间后方交会方法，解算数字相机摄影中心位置和姿态参数，实现数字相机检校时的位置和姿态的机械臂实时精确在线控制。

本发明系统数字相机摄影中心位置和姿态精确解算作为关键技术，采用单像后方交会方法，从影像所覆盖的标志点的已知坐标和相应的像点坐标量测值为基础，根据共线方程，解算数字相机摄影中心位置和姿态参数。由于后方交会所采用的数学模型共线方程是非线性函数，为了便于摄影中心的计算，需要对共线方程进行线性化。

共线方程表达式：

其中旋转矩阵

共线条件方程中观测值与未知数之间是非线性函数关系。为了便于迭代计算，需要把方程用泰勒级数展开，取一次项得到线型表达式：

为了求出式(3)中的各偏导数，即误差方程式中各系数的值，在式(1)中引入下列符号：

进一步提高精度和可靠性，通常需要测量4个或更多的标志点和对应的像点坐标，采用最小二乘平差方法解算。此时像点坐标(x,y)作为观测值，加入相应的偶然误差改正数v_x，v_y，可列出每个点的误差方程表达式：

用矩阵表示为：

有公式V＝AX-I，推导出数字相机在测量坐标系的摄影中心位置和姿态X＝(A^TA)^-1(A^TI)。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域或相关领域技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种机械臂控制数字相机摄影中心位置和姿态的方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)机械臂标定测量坐标系方法，采用标定板上的公共标志点坐标，解算机械臂坐标系相对测量坐标系的相对方位，标定步骤如下：

步骤一：标定板和墙面标志点建立统一测量坐标系，采用经纬仪测量系统实现对标志点高精度测量，其中经纬仪测量系统由两台电子经纬仪和长度基准尺组成，基于测角前方交会方法实现标志点的高精度测量；

步骤二：控制机械臂去测量标定板上的标志点，其运动参数可由机械臂的控制器读出，是已知参数；

步骤三：利用机械臂坐标系和测量坐标系的公共已知标志点坐标，解算机械臂坐标系相对测量坐标系之间相对方位，实现机械臂精确标定测量坐标系；

(2)数字相机摄影中心位置和姿态精确标定方法，数字相机摄影中心不是一个实际的物理点，而是一个虚拟出来的光学点，人眼无法看到摄影中心，必须由定标的方法计算，利用墙面标志点坐标，采用单像空间后方交会方法解算的数字相机摄影中心位置和姿态，在实际的测量中，受数字相机图像传感器和光学镜头畸变的影响，制约后方交会定位方法所能实现的位置和姿态测量精度，标定步骤如下：

步骤一：首先对标定的数字相机进行检校，获取数字相机内方位元素及畸变参数，消除影像畸变；

步骤二：利用机械臂控制数字相机拍摄墙上标志点，利用数字相机检校几何参数对标志点像点坐标进行改正，实现标志点像点坐标高精度量测，最终实现数字相机在测量坐标系下摄影中心位置和姿态的精确解算；

(3)通过步骤(1)和(2)，实现机械臂标定数字相机摄影中心位置和姿态，，以摄影中心为原点，以主光轴为旋转方向，实时动态控制数字相机在检校过程的位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的一种机械臂控制数字相机摄影中心位置和姿态的方法，其特征在于，步骤(1)中公共标志点的数量应大于3。

3.根据权利要求1所述的一种机械臂控制数字相机摄影中心位置和姿态的方法，其特征在于，所述经纬仪测量系统的测角精度为0.5”。