追蹤可移動(dòng)目標(biāo)物體的方位的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開總體涉及用于追蹤可移動(dòng)目標(biāo)物體(如，由計(jì)算機(jī)程序引導(dǎo)的履帶交通工 具或其他電動(dòng)機(jī)械機(jī)器)相對(duì)于工件或零件移動(dòng)時(shí)的方位的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 涉及使用履帶交通工具或其他計(jì)算機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)械機(jī)器的制造處理的應(yīng)用經(jīng) 常運(yùn)用參考坐標(biāo)系內(nèi)的方位追蹤。現(xiàn)有的方位追蹤解決方案可以分為兩類:絕對(duì)運(yùn)動(dòng)追蹤 和增量運(yùn)動(dòng)追蹤。絕對(duì)運(yùn)動(dòng)追蹤涉及到追蹤被限定在參考坐標(biāo)系(如飛機(jī)坐標(biāo)系）內(nèi)的位置 和/或取向。用于絕對(duì)運(yùn)動(dòng)追蹤的已知技術(shù)包含光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉、激光追蹤、深度攝像機(jī)、磁性 追蹤以及基于聲波的追蹤。
[0003] 增量運(yùn)動(dòng)追蹤測(cè)量相對(duì)于在前坐標(biāo)測(cè)量值的位移。一種用于增量運(yùn)動(dòng)追蹤的已知 技術(shù)運(yùn)用編碼器，編碼器響應(yīng)于增量移動(dòng)輸出脈沖。在使用增量運(yùn)動(dòng)測(cè)量的應(yīng)用中，誤差可 以隨著時(shí)間累積。在要求相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系有限的誤差的實(shí)際情況中，這種誤差累積是不 可取的。因此，需要實(shí)現(xiàn)一種處理，其可以以較低的更新速率提供準(zhǔn)確的絕對(duì)測(cè)量值，而該 測(cè)量值可以被整合到以較高更新速率運(yùn)行的增量運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)。
[0004] 盡管存在其他的絕對(duì)測(cè)量系統(tǒng)以使用基于光學(xué)或圖像的技術(shù)測(cè)量位置和取向，但 是它們通常要求將多個(gè)攝像機(jī)放置在目標(biāo)物體周圍。使用單個(gè)"深度"攝像機(jī)的一種已知絕 對(duì)測(cè)量系統(tǒng)具有受限的范圍和區(qū)別具體特征的受限的能力。有利的是，能夠使用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 視頻攝像機(jī)來追蹤位置和取向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本文公開的自動(dòng)測(cè)量處理提供了生成相對(duì)(增量)追蹤數(shù)據(jù)的系統(tǒng)內(nèi)的絕對(duì)測(cè)量。 本申請(qǐng)還使用由于采用單個(gè)攝像機(jī)配置而易于安裝的便攜低成本設(shè)備解決了自動(dòng)運(yùn)動(dòng)追 蹤并控制如表面爬行交通工具等交通工具。當(dāng)與測(cè)程法(或其他相對(duì)坐標(biāo)測(cè)量)一起使用 時(shí)，這種追蹤系統(tǒng)可以為運(yùn)動(dòng)受控的交通工具提供絕對(duì)坐標(biāo)校正方法。當(dāng)沒有與運(yùn)動(dòng)控制 一起使用時(shí)，這種追蹤系統(tǒng)仍可以提供追蹤一個(gè)或多個(gè)物體在大體積內(nèi)的方位的自動(dòng)方 法。
[0006] 當(dāng)可移動(dòng)目標(biāo)物體至少暫時(shí)靜止（即，靜止的時(shí)間足夠長(zhǎng)，使得可以完成該處理的 測(cè)量部分)時(shí)，所述自動(dòng)處理使用本地定位系統(tǒng)(LPS)獲取一個(gè)或多個(gè)可移動(dòng)目標(biāo)物體的方 位(即，位置和取向）數(shù)據(jù)。在目標(biāo)物體能夠在計(jì)算機(jī)控制下移動(dòng)的情況下，這種自動(dòng)處理可 以使用測(cè)量的方位數(shù)據(jù)以校正該目標(biāo)物體的位置和取向。該系統(tǒng)利用本地定位系統(tǒng)的測(cè)量 和圖像捕捉能力，并且將可控的標(biāo)記燈、圖像處理以及坐標(biāo)變換計(jì)算整合以便為交通工具 方位控制提供追蹤信息。所產(chǎn)生的系統(tǒng)能夠追蹤物體在參考坐標(biāo)系內(nèi)的方位和取向，例如 追蹤飛機(jī)機(jī)翼表面上的履帶交通工具。該系統(tǒng)提供了對(duì)其他類型的場(chǎng)外(off-board)追蹤 系統(tǒng)低成本的可替換物，其是便攜的、易于安裝并且能夠由單個(gè)用戶操作。
[0007] 下文具體公開的主題的一個(gè)方面是當(dāng)目標(biāo)物體裝備有被布置成已知圖案的至少 三個(gè)激活目標(biāo)標(biāo)記時(shí)用于確定三維參考坐標(biāo)系內(nèi)目標(biāo)物體的當(dāng)前方位的方法。該方法包括 以下步驟：（a)定義攝像機(jī)相對(duì)于參考坐標(biāo)系的方位；（b)當(dāng)攝像機(jī)被定位在目標(biāo)物體的中 心上并且所有激活目標(biāo)標(biāo)記沒有開啟時(shí)捕捉圖像；（c)當(dāng)攝像機(jī)被定位在目標(biāo)物體的中心 上并且激活目標(biāo)標(biāo)記中的一個(gè)或多個(gè)開啟時(shí)捕捉一個(gè)或多個(gè)圖像；（d)處理圖像以計(jì)算出 表示所有激活目標(biāo)標(biāo)記沒有開啟時(shí)所捕捉的圖像和激活目標(biāo)標(biāo)記中的一個(gè)或多個(gè)開啟時(shí) 所捕捉的每個(gè)圖像之間的差異的差分圖像；（e)針對(duì)與相應(yīng)激活目標(biāo)標(biāo)記對(duì)應(yīng)的差分圖像 內(nèi)的不同區(qū)域，計(jì)算相應(yīng)的平均像素坐標(biāo)；（f)針對(duì)相應(yīng)的激活目標(biāo)標(biāo)記，瞄準(zhǔn)激光范圍探 測(cè)器并且在由相應(yīng)的平移和傾斜角限定的方向上發(fā)射激光束，所述平移和傾斜角是至少所 述目標(biāo)物體被定位在所述攝像機(jī)的圖像視場(chǎng)的中心內(nèi)時(shí)的平移和傾斜角以及相應(yīng)平均像 素坐標(biāo)和圖像中心的像素坐標(biāo)之間的差異的函數(shù)；（g)針對(duì)相應(yīng)的激活目標(biāo)標(biāo)記，在發(fā)射相 應(yīng)激光束之后，獲取相應(yīng)的范圍、平移以及傾斜數(shù)據(jù)；（h)基于測(cè)量的范圍、平移和傾斜數(shù) 據(jù)，計(jì)算與參考坐標(biāo)系內(nèi)激活目標(biāo)標(biāo)記對(duì)應(yīng)的相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)；以及（i)將從測(cè)量的平移、傾 斜以及范圍數(shù)據(jù)中計(jì)算出其坐標(biāo)的相應(yīng)點(diǎn)的相應(yīng)位置與被布置成已知圖案的相應(yīng)點(diǎn)的相 應(yīng)位置相比較以確定依據(jù)參考坐標(biāo)系定義的目標(biāo)物體的當(dāng)前位置和取向。
[0008] 根據(jù)一些實(shí)施例，步驟(C)包括當(dāng)至少三個(gè)激活目標(biāo)標(biāo)記開啟時(shí)捕捉一個(gè)圖像。根 據(jù)其他的實(shí)施例，步驟(C)包括當(dāng)按序開啟第一、第二以及第三激活目標(biāo)標(biāo)記時(shí)捕捉相應(yīng)圖 像。
[0009] 根據(jù)一些實(shí)施例，步驟(d)包括:基于所述差異，分割差分圖像以包含與激活目標(biāo) 標(biāo)記對(duì)應(yīng)的分離區(qū)域;并且針對(duì)與激活目標(biāo)標(biāo)記對(duì)應(yīng)的每個(gè)分離區(qū)域的相應(yīng)圓心，計(jì)算差 分圖像內(nèi)的相應(yīng)的平均像素坐標(biāo)。
[0010]根據(jù)另一方面，上述方法可以進(jìn)一步包括:基于所述點(diǎn)之間的相對(duì)距離而測(cè)量點(diǎn) 圖案;并且基于測(cè)量的點(diǎn)圖案和已知點(diǎn)圖案之間的差異，計(jì)算表示參考坐標(biāo)系內(nèi)目標(biāo)物體 的方位的第一變換矩陣。在一些實(shí)施例中，已知點(diǎn)圖案是非對(duì)稱的。
[0011] 根據(jù)又一方面，上述方法可以進(jìn)一步包括:將目標(biāo)物體放置在初始方位;計(jì)算表示 目標(biāo)物體相對(duì)于參考坐標(biāo)系的初始方位的第二變換矩陣;從初始方位向當(dāng)前方位移動(dòng)目標(biāo) 物體;計(jì)算第二變換矩陣的逆;以及計(jì)算第一變換矩陣與第二變換矩陣的逆的乘積，該乘積 是第三變換矩陣，其表示相對(duì)于目標(biāo)物體的初始方位的目標(biāo)物體的當(dāng)前方位。根據(jù)一些實(shí) 施例，該方法還包括響應(yīng)于從初始方位到當(dāng)前方位的移動(dòng)期間目標(biāo)物體的增量運(yùn)動(dòng)而生成 編碼器脈沖。
[0012] 下文詳細(xì)公開的主題的另一方面是方位追蹤系統(tǒng)，其包括:平移傾斜機(jī)構(gòu);安裝到 平移傾斜機(jī)構(gòu)的攝像機(jī)和激光范圍探測(cè)器;裝備有至少三個(gè)激活目標(biāo)標(biāo)記的目標(biāo)物體；以 及以用于控制攝像機(jī)、激光范圍探測(cè)器以及平移傾斜機(jī)構(gòu)的第一軟件、用于處理通過攝像 機(jī)獲取的圖像的第二軟件以及用于控制目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)和至少三個(gè)激活目標(biāo)標(biāo)記的狀態(tài) 的第三軟件編程的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
[0013] 根據(jù)前述段落中描述的方位追蹤系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，第一軟件包括用于命令平移 傾斜機(jī)構(gòu)使攝像機(jī)瞄準(zhǔn)目標(biāo)物體并且命令所述攝像機(jī)捕捉目標(biāo)物體的圖像的例程;第二軟 件包括用于處理捕捉的圖像以計(jì)算表示激活目標(biāo)標(biāo)記沒有開啟時(shí)所捕捉的圖像和激活目 標(biāo)標(biāo)記中的一個(gè)或多個(gè)開啟時(shí)所捕捉的每個(gè)圖像之間的差異的差分圖像的例程；以及第三 軟件包括用于控制每個(gè)激活目標(biāo)標(biāo)記的狀態(tài)的例程。目標(biāo)物體可以包括，例如，履帶交通工 具或機(jī)械臂的基座。在履帶交通工具是完整運(yùn)動(dòng)的履帶交通工具的實(shí)施例中，該系統(tǒng)可以 進(jìn)一步包括用于追蹤履帶交通工具的增量運(yùn)動(dòng)的裝置。
[0014] 方位追蹤系統(tǒng)的另一個(gè)方面包括:平移傾斜機(jī)構(gòu)；安裝到平移傾斜機(jī)構(gòu)的攝像機(jī) 和激光范圍探測(cè)器;裝備有被布置成已知圖案的至少三個(gè)激活目標(biāo)標(biāo)記的目標(biāo)物體；以及 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被編程以執(zhí)行以下操作：（a)調(diào)節(jié)平移傾斜機(jī)構(gòu)的平移和傾斜 角以將攝像機(jī)定位在目標(biāo)物體的中心上，使得激活目標(biāo)標(biāo)記處于攝像機(jī)的圖像視場(chǎng)內(nèi)；（b) 當(dāng)將攝像機(jī)定位在目標(biāo)物體的中心上并且所有激活目標(biāo)標(biāo)記不開啟時(shí)，命令攝像機(jī)捕捉圖 像；（c)當(dāng)攝像機(jī)被定位在目標(biāo)物體的中心上并且激活目標(biāo)標(biāo)記中的一個(gè)或多個(gè)開啟時(shí)，命 令攝像機(jī)捕捉一個(gè)或多個(gè)圖像；（d)處理圖像以計(jì)算表示激活目標(biāo)標(biāo)記沒有開啟時(shí)所捕捉 的圖像和激活目標(biāo)標(biāo)記中的一個(gè)或多個(gè)開啟時(shí)所捕捉的相應(yīng)圖像之間差異的差分圖像； (e)計(jì)算與相應(yīng)激活目標(biāo)標(biāo)記對(duì)應(yīng)的差分圖像內(nèi)不同區(qū)域的相應(yīng)的平均像素坐標(biāo)；（f)針對(duì) 相應(yīng)的激活目標(biāo)標(biāo)記，命令激光范圍探測(cè)器在由相應(yīng)的平移和傾斜角限定的方向上發(fā)射激 光束，所述平移和傾斜角是至少所述目標(biāo)物體被定位在圖像視場(chǎng)的中心內(nèi)時(shí)的平移和傾斜 角以及相應(yīng)平均像素坐標(biāo)和指示器圖像的中心的像素坐標(biāo)之間差異的函數(shù)；（g)針對(duì)相應(yīng) 的激活目標(biāo)標(biāo)記，命令平移傾斜機(jī)構(gòu)獲取相應(yīng)的平移和傾斜數(shù)據(jù)并且在發(fā)射相應(yīng)的激光束 之后，命令激光范圍探測(cè)器獲取相應(yīng)的范圍數(shù)據(jù)；（h)基于測(cè)量的范圍、平移和傾斜數(shù)據(jù)，計(jì) 算與參考坐標(biāo)系內(nèi)的激活目標(biāo)標(biāo)記對(duì)應(yīng)的相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)；以及(i)比較從測(cè)量的平移、傾斜 以及范圍數(shù)據(jù)中計(jì)算出其坐標(biāo)的相應(yīng)點(diǎn)的相應(yīng)位置與被布置成已知圖案的相應(yīng)點(diǎn)的相應(yīng) 位置，以確定目標(biāo)物體關(guān)于參考坐標(biāo)系的當(dāng)前位置和取向。
[0015] 下文公開了用于追蹤可移動(dòng)目標(biāo)物體的方位的系統(tǒng)和方法的其他方面。
【附圖說明】
[0016] 圖1是已知裝備有編碼器的移動(dòng)裝置的一些組件的示意俯視平面圖，通過使用基 于航位推測(cè)測(cè)程的處理可以追蹤所述已知裝備有編碼器的移動(dòng)裝置的增量移動(dòng)。
[0017] 圖2是瞄準(zhǔn)目標(biāo)物體的已知本地定位系統(tǒng)的示意等距視圖。
[0018] 圖3是根據(jù)一種配置使用本地定位系統(tǒng)來追蹤和控制履帶交通工具的運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng) 的示意等距視圖。
[0019] 圖4是在每個(gè)側(cè)面上具有相應(yīng)的三個(gè)激活目標(biāo)標(biāo)記組(僅一組可見）的履帶交通工 具的示意透視圖。根據(jù)描述的實(shí)施例，激活目標(biāo)標(biāo)記是LED燈。
[0020] 圖5顯示了圖5A和圖5B的相互關(guān)系，其包含顯示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的自動(dòng)方位測(cè) 量處理的步驟的流程圖的相應(yīng)部分。
[0021] 圖6是表示中間圖像處理結(jié)果的示意圖，其根據(jù)圖5中描繪的處理通過使用圖4中 所示的履帶交通工具產(chǎn)生。
[0022]圖7是顯示系統(tǒng)配置的方框圖，在所述系統(tǒng)配置中，單個(gè)計(jì)算機(jī)運(yùn)行多個(gè)處理。（可 替換地，每個(gè)處理均可以在分離的計(jì)算機(jī)或處理器上運(yùn)行）
[0023]圖8是可以根據(jù)另一種配置執(zhí)行機(jī)器人與零件定位處理的系統(tǒng)的示意等距視圖。 [0024]圖9是顯示了機(jī)器人與零件定位處理的步驟的流程圖，其運(yùn)用了圖8中描繪的所述 類型的本地定位系統(tǒng)。
[0025]圖10是一幅示意圖，其在附錄中被參考且顯示了從儀器坐標(biāo)系{A}的原點(diǎn)，基本沿 著儀器的瞄準(zhǔn)點(diǎn)軸延伸到感興趣點(diǎn)P的位置向量AP，并且還顯示了從目標(biāo)物體坐標(biāo)系{B}的 原點(diǎn)延伸到感興趣點(diǎn)P的位置向量B