專利名稱：一種三維位姿探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種三維位姿探測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
空間三維位姿探測(cè)在現(xiàn)代化作業(yè)、空間探測(cè)和軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為了感知作業(yè)方所處的環(huán)境，我們需要采用照相機(jī)或攝像機(jī)，為了采取進(jìn)一步的操作或完成相互協(xié)調(diào)動(dòng)作，我們需要精確地知道作業(yè)方的位置和姿態(tài)，這就需要采用至少3個(gè)成像設(shè)備以確定其精確的空間位置和姿態(tài)。這樣的結(jié)果一是大大增加了三維位姿探測(cè)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，二是使得整體的控制方法變得十分繁雜，容錯(cuò)性變差。空間三維定位發(fā)展較早的是立體視覺理論，應(yīng)用較多的是雙目立體視覺，其基本原理類似于人的視力，通過頻繁的信號(hào)交替可以精確完成給定的動(dòng)作，這里的問題有兩個(gè)，一是對(duì)應(yīng)雙目需要配置兩個(gè)攝像機(jī)構(gòu)，二是雙目無法精確定位距離遠(yuǎn)近。因此，很多研究機(jī)構(gòu)致力于開發(fā)對(duì)應(yīng)的算法，如一種空間目標(biāo)三維位姿視覺測(cè)量方法(國(guó)別:中國(guó)，公開號(hào):101464134A，
公開日期:2009年6月24日)等。

實(shí)用新型內(nèi)容實(shí)用新型目的:針對(duì)上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易的探測(cè)對(duì)象空間位置和姿態(tài)的三維位姿探測(cè)裝置。技術(shù)方案:一種三維位姿探測(cè)裝置，包括二維位置敏感探測(cè)器、凸透鏡、發(fā)射板，所述發(fā)射板上的點(diǎn)光源發(fā)出光線通過所述凸透鏡在所述二維位置敏感探測(cè)器的光敏面上成像為清晰點(diǎn)，所述發(fā)射板在中心和四角共設(shè)置五個(gè)所述點(diǎn)光源，且相鄰兩個(gè)角落的所述點(diǎn)光源的距離為20mm。所述點(diǎn)光源采用發(fā)光二極管。點(diǎn)光源發(fā)出的光線作為二維位置敏感探測(cè)器檢測(cè)的信號(hào)，要求該點(diǎn)光源的選取應(yīng)直徑要盡可能小且發(fā)射角要盡量大，這樣當(dāng)不可避免的出現(xiàn)近距離檢測(cè)時(shí)以及受到二維位置敏感探測(cè)器自身檢測(cè)范圍的限制時(shí)，保證二維位置敏感探測(cè)器能夠檢測(cè)到點(diǎn)光源的位置。所述光敏面為正方形，所述二維位置敏感探測(cè)器的視角為30°。對(duì)二維位置敏感探測(cè)器的要求是視角越大，能感知到的最小距離越小，對(duì)齊精確度就會(huì)越高。但是視角不能無限增大，因?yàn)橐暯窃酱螅谧钚【嚯x時(shí)發(fā)射板上的點(diǎn)光源陣列在二維位置敏感探測(cè)器上的成像就會(huì)越小，分辨率和精確度都會(huì)受到影響，因此取視角為30°左右。同時(shí)，由于在二維位置敏感探測(cè)器上X和Y方向等價(jià)，因此盡量選擇光敏面為正方形的二維位置敏感探測(cè)器。有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是將二維位置敏感探測(cè)器添加光學(xué)裝置進(jìn)行改裝，用于三維空間的位姿檢測(cè)，并通過發(fā)射板的布置，結(jié)合測(cè)量方法協(xié)調(diào)工作，完成空間探測(cè)和精準(zhǔn)測(cè)量；探測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，測(cè)量精確度高。
圖1為本實(shí)用新型三維位姿探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為發(fā)射板上點(diǎn)光源的分布位置圖；圖3為本實(shí)用新型測(cè)量方法原理圖；圖4為單片機(jī)控制的發(fā)射板部分的流程圖；圖5為單片機(jī)控制的接收板部分的流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本實(shí)用新型，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍，在閱讀了本實(shí)用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。本實(shí)用新型三維位姿探測(cè)裝置是對(duì)二維位置敏感探測(cè)器作出改裝，運(yùn)用于三維空間進(jìn)行位姿探測(cè)。如附圖1、2所示，一種三維位姿探測(cè)裝置，包括二維位置敏感探測(cè)器1、凸透鏡2、發(fā)射板3，發(fā)射板3上的點(diǎn)光源4發(fā)出光線通過凸透鏡2在二維位置敏感探測(cè)器I的光敏面5上成像為清晰點(diǎn)。發(fā)射板3上設(shè)置有五個(gè)點(diǎn)光源4，分布在發(fā)射板3的中心和四角，這樣的布置是為了安排時(shí)序以實(shí)現(xiàn)位姿感知的控制測(cè)量，其中相鄰兩個(gè)角落的點(diǎn)光源4的距離為20mm。點(diǎn)光源4采用發(fā)光二極管，點(diǎn)光源4的選取原則是應(yīng)直徑要盡可能小且發(fā)射角要盡量大，這樣當(dāng)不可避免的出現(xiàn)近距離檢測(cè)時(shí)以及受到二維位置敏感探測(cè)器I自身檢測(cè)范圍的限制時(shí)，保證二維位置敏感探測(cè)器I能夠檢測(cè)到點(diǎn)光源4的位置。由于二維位置敏感探測(cè)器I檢測(cè)的信號(hào)是來自點(diǎn)光源4發(fā)出的光線，盡管已經(jīng)選取了直徑比較小的發(fā)光二極管來模擬點(diǎn)光源，但是當(dāng)二維位置敏感探測(cè)器I跟發(fā)光二極管距離較近時(shí)，發(fā)光二極管的發(fā)光狀況仍然跟點(diǎn)光源相差甚遠(yuǎn)。為了使來自發(fā)光二極管的光線接近于點(diǎn)光源，同時(shí)也為了使光強(qiáng)對(duì)二維位置敏感探測(cè)器I的影響減到最小和擴(kuò)大二維位置敏感探測(cè)器I的檢測(cè)距離，采取與照相機(jī)鏡頭的工作原理相同的光學(xué)裝置改裝二維位置敏感探測(cè)器1，二維位置敏感探測(cè)器I和凸透鏡2構(gòu)成新型的三維位姿探測(cè)器，能將來自發(fā)光二極管的部分光線會(huì)聚成二維位置敏感探測(cè)器I的光敏面5上的一點(diǎn)，也就是說，能使每個(gè)發(fā)光二極管都在光敏面5上有一個(gè)清晰的像點(diǎn)。對(duì)二維位置敏感探測(cè)器I和凸透鏡2的裝配可以使用固定支架6連接。對(duì)二維位置敏感探測(cè)器I的要求是視角越大，能感知到的最小距離越小，對(duì)齊精確度就會(huì)越高。但是視角不能無限增大，因?yàn)橐暯窃酱?，在最小距離時(shí)發(fā)射板3上的點(diǎn)光源4陣列在二維位置敏感探測(cè)器I上的成像就會(huì)越小，分辨率和精確度都會(huì)受到影響，因此取視角為30°左右。同時(shí)，由于在二維位置敏感探測(cè)器I上X和Y方向等價(jià)，因此盡量選擇光敏面為正方形的二維位置敏感探測(cè)器。附圖3所示為使用本實(shí)用新型三維位姿探測(cè)裝置進(jìn)行探測(cè)的測(cè)量方法原理圖，具體的測(cè)量方法包括以下步驟:步驟(I):測(cè)量空間距離:將二維位置敏感探測(cè)器I的光敏面5放置于凸透鏡2的焦平面上，且光敏面5的中心與凸透鏡2的焦點(diǎn)重合，凸透鏡2的位置為F，凸透鏡2和二維位置敏感探測(cè)器I構(gòu)成接收板；所述發(fā)射板3四角的點(diǎn)光源4分別標(biāo)為A’、B’、C’、D’，中心的點(diǎn)光源4標(biāo)為O’，使O’ A’ = O’ B’ = O’ C’ = O’ D’，且A’ C’與發(fā)射板3的Y’軸重合，B’ D’與發(fā)射板3的X’軸重合;A、B、C、D為A’、B’、C’、D’發(fā)出的光線經(jīng)凸透鏡2聚焦后在光敏面5上對(duì)應(yīng)的成像點(diǎn)。經(jīng)空間幾何投影關(guān)系可知，如果發(fā)射板3的Z’軸與接收板的Z軸對(duì)正時(shí)，可以得到(A’ O’ /0’ F) = (A0/0F),即O’ F = CA' O’.0F/AO)，得到接收板與發(fā)射板3之間的距離O’ F。因此，要測(cè)量接收板與發(fā)射板3之間的距離，關(guān)鍵問題是要調(diào)整接收板的Z軸與發(fā)射板3的Z’軸，使其精確對(duì)準(zhǔn)。步驟(2):對(duì)齊接收板與發(fā)射板:信號(hào)捕捉:發(fā)射板3在其工作空間內(nèi)沿其X軸、Y軸、Z軸分別移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，直到接收到發(fā)射板3的點(diǎn)光源4的成像，完成信號(hào)捕捉過程；接收板與發(fā)射板的對(duì)齊:按給定的步長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)次序移動(dòng)接收板至其與發(fā)射板3正好對(duì)齊，對(duì)齊判據(jù)為:AC 丄 BD，0.5 (xA + xc) ( 0.lmm、0.5 (yA + yc) ( 0.1mm，0.5 (xB +Xd) ( 0.lmm、0.5 (yB + yD)彡0.1mm,其中0.1mm為要求的誤差精度。此時(shí)接收板與發(fā)射板3姿態(tài)一致，由接收板自身姿態(tài)可知發(fā)射板3的姿態(tài)，由空間距離的感知可以測(cè)得空間相對(duì)位置，從而得到發(fā)射板3的空間位姿。因此，可以在被感知物上放置發(fā)射板3來實(shí)現(xiàn)被感知。以上探測(cè)的測(cè)量過程通過單片機(jī)來自動(dòng)控制。發(fā)射板和接收板通過發(fā)光二極管陣列和接收板的二維位置敏感探測(cè)器之間的光電感應(yīng)信號(hào)形成閉環(huán)回路，由接收板的處理器對(duì)位置偏差進(jìn)行處理，從而控制接收板按照處理的結(jié)果運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的結(jié)果會(huì)減小位置偏差。發(fā)射板的工作過程如附圖4所示:由發(fā)射板的主處理器發(fā)出指令給其控制模塊，該指令包括給定的A/D脈沖頻率、各個(gè)發(fā)光二極管的發(fā)光頻率和發(fā)光順序、每個(gè)發(fā)光二極管的發(fā)光持續(xù)時(shí)間、相鄰發(fā)光二極管 的發(fā)光間隔時(shí)間；經(jīng)控制模塊處理過的指令直接發(fā)送給發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電路，則發(fā)光二極管按驅(qū)動(dòng)電路所給的信號(hào)不斷閃光。接收板的工作過程如附圖5所示:接收板首先按照測(cè)量空間距離的算法在其空間中搜尋發(fā)光二極管的光線信號(hào)，當(dāng)找到目標(biāo)信息時(shí)，接收板的二維位置敏感探測(cè)器的四個(gè)輸出端輸出電平信號(hào)到自身的信號(hào)處理電路中，經(jīng)過信號(hào)處理電路處理過的信號(hào)表示處于發(fā)射板上一個(gè)發(fā)光二極管在二維位置敏感探測(cè)器上對(duì)應(yīng)的一組X、Y值，該值可以確定該發(fā)光二極管對(duì)應(yīng)的成像點(diǎn)在二維位置敏感探測(cè)器平面上的位置。發(fā)射板上不同發(fā)光二極管的位置依靠時(shí)序來區(qū)分。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程主要如下:( I)根據(jù)設(shè)定的要求，完成發(fā)射板的組裝；(2)為選定的二維位置敏感探測(cè)器安裝光學(xué)裝置，使光學(xué)裝置的焦平面正好位于二維位置敏感探測(cè)器的光敏面上；(3)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)射板上點(diǎn)光源的時(shí)序控制；(4)被探測(cè)物上安裝由點(diǎn)光源陣列和控制器組成的發(fā)射板，并在被探測(cè)物上安裝由二維位置敏感探測(cè)器和光學(xué)裝置構(gòu)成新型的三維位姿探測(cè)器；(5)搭建控制系統(tǒng)，由主處理器和底層控制模塊組成，如圖4所示，二維位置敏感探測(cè)器信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路和A/D轉(zhuǎn)換器，把二維坐標(biāo)以數(shù)值形式發(fā)送給主處理器；主處理器根據(jù)接收到的信號(hào)值和程序執(zhí)行過程，進(jìn)一步控制接收板的運(yùn)動(dòng)和發(fā)射板的子控制器； (6)進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試。
權(quán)利要求1.一種三維位姿探測(cè)裝置，其特征在于:包括二維位置敏感探測(cè)器(I)、凸透鏡(2)、發(fā)射板(3)，所述發(fā)射板(3)上的點(diǎn)光源(4)發(fā)出光線通過所述凸透鏡(2)在所述二維位置敏感探測(cè)器(I)的光敏面(5)上成像為清晰點(diǎn)，所述發(fā)射板(3)在中心和四角共設(shè)置五個(gè)所述點(diǎn)光源(4)，且相鄰兩個(gè)角落的所述點(diǎn)光源(4)的距離為20mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維位姿探測(cè)裝置，其特征在于:所述點(diǎn)光源(4)采用發(fā)光二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維位姿探測(cè)裝置，其特征在于:所述光敏面(5)為正方形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維位姿探測(cè)裝置，其特征在于:所述二維位置敏感探測(cè)器(I)的視角為30°。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種三維位姿探測(cè)裝置，包括二維位置敏感探測(cè)器、凸透鏡、發(fā)射板，所述發(fā)射板上的點(diǎn)光源發(fā)出光線通過所述凸透鏡在所述二維位置敏感探測(cè)器的光敏面上成像為清晰點(diǎn)，所述發(fā)射板在中心和四角共設(shè)置五個(gè)所述點(diǎn)光源，且相鄰兩個(gè)角落的所述點(diǎn)光源的距離為20mm。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是將二維位置敏感探測(cè)器添加光學(xué)裝置進(jìn)行改裝，用于三維空間的位姿檢測(cè)，并通過發(fā)射板的布置，結(jié)合測(cè)量方法協(xié)調(diào)工作，完成空間探測(cè)和精準(zhǔn)測(cè)量；探測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，測(cè)量精確度高。
文檔編號(hào)G01C11/00GK203024778SQ20122070794
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者張力平, 孫安, 劉克, 薛培培 申請(qǐng)人:長(zhǎng)安大學(xué), 江蘇德佐電子科技有限公司, 江蘇安德信超導(dǎo)加速器科技有限公司, 南京大學(xué)