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新型复眼定位装置设计及关键技术研究

郭方  
【摘要】:视觉定位,作为目标定位技术领域中的重要手段之一,在工业测量、安防监控、导航、军事目标定位与跟踪等场合有着广泛的应用。自然界中的复眼由于具有特有的曲面结构、多通道成像系统以及对神经信息的高度集中处理单元,拥有大视场范围内的目标定位和对运动目标高灵敏的捕捉及处理等能力,因此非常适合于市场对定位装置的重量轻、体积小、功耗低及可靠性高等方面日益增长的需求。本论文提出一种用于大视场目标定位的新型复眼定位系统,并讨论了为获取大视场而采用的技术和成像过程中曲面透镜阵列到平面图像传感器成像的解决办法。介绍了透镜安装的要求,搭建起透镜安装平台并完成透镜的安装工作。通过对双目视觉定位技术的调研,建立了适用本复眼系统目标定位的数学模型。从理论和实验两方面研究了该系统多透镜成像畸变的标定任务以及目标像点的识别方法,并分析了目标像点中心的提取技术。基于簇眼单元的划分,提出“搜索三维坐标波动误差”的方法对像点通道进行匹配,进一步完成目标定位任务,最后对复眼系统的标定性能进行了评价并初步研究了复眼定位系统的应用。 本论文的研究工作主要有以下几个方面: 1.设计一套进行大视场目标定位的新型复眼装置。以曲面分布的透镜阵列方式获取大视场范围内的目标,研究各透镜相互之间既满足高填充比又最大限度消除成像盲区的排布方式。对透镜阵列的安装方案进行了简要设计并完成各子透镜的安装工作。研究了曲面分布的透镜阵列到图像传感器有限成像面的映射问题和边缘视场接收透镜成像质量差的问题,采用了在透镜阵列与图像传感器之间加入折转透镜的解决办法。选择了大面阵图像传感器,并编写了图像传感器的驱动程序,实现了基于FPGA的图像传感器像素的采集并通过USB2.0高速总线上传到PC机,完成复眼接收通道图像的显示及后续处理。 2.调研总结双目视觉定位技术,建立复眼各子眼透镜坐标系和世界坐标系,确立复眼定位数学模型和标定内容。为利于模型的表达和问题的解决,把目标点入射光线经接收透镜-折转透镜两层变化后最终成像在图像传感器上的轨迹光线分为两部分。其中一部分是目标到各子透镜中心的线性部分,而另外一部分是各子透镜中心经过折转透镜到图像传感器上像点的部分。根据已有的机器视觉标定模型,通过分析,提出根据三维坐标已知的目标点标定每个透镜入射光线向量角度与其成像点之间对应关系的标定方式。 3.根据标定原理,设计标定方案,完成复眼成像系统的标定任务。选择了等离子电视机、分光镜、半导体激光器、水平仪以及水平移动导轨等实验设备和仪器。使用等离子电视机作为目标平面,利用分光镜调整了复眼平面和目标平面之间的平行性,采用激光与目标平面上一个固定点重合的方式调节了水平移动轴与目标平面的垂直性,根据水平仪调整了目标平面的行列和复眼坐标系一致。在以上基础上,根据消失点找出复眼中心透镜光轴与目标平面之间的交点在目标平面上的位置,并由不同目标共像点的方法求出复眼中心透镜与垂足之间的距离,进而求出目标平面上各点的三维世界坐标。最后算出各点与接收透镜之间的向量角度和对应像点的中心坐标后,对每一个透镜都建立起一种它与所有接收到目标之间的向量角度和对应目标像点坐标之间的关系,完成系统的标定工作。标定过程中还介绍了提取目标像点的图像处理方法并分析了提取目标光斑像点中心的算法和图像降噪方法。 4.研究使用复眼定位系统进行目标三维定位的关键问题和简单应用。分析了基于Delaunay三角剖分的数据插值、神经网络插值、双调和样条插值等常用散乱点数据插值方法以及插值精度特点。根据采集到的目标像点中心坐标,插值标定结果得到对应通道的向量角度。提出把复眼透镜分成169个簇眼单元,对接收到一个目标的一组像点首先识别出属于一个簇眼单元的若干通道,然后通过归一化三维坐标差异定义了每一次匹配所求出不同三维坐标之间的的波动误差,实现了目标像点与对应通道的有效识别,解决了复眼三维定位中的像点对应通道识别的关键问题。通过移动不同目标平面并定位目标点,评估了复眼系统的标定效果,根据计算指出透镜向量角度标定均方误差在0.02°左右,X、Y、Z三维坐标相对误差在2%左右。在对目标定位的研究过程中,分析了插值点与周边基准点分布关系对插值精度的影响,只对位于4个基准点构成的四边形内的插值点进行了插值。设计了物体轮廓测量的实验方案并搭建实验平台,使用所设计的复眼定位系统进行了相关的测量并重构了不同视场内的零件轮廓。


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