搭載高速云臺的多相機空間定位系統研究

王寶迪 張亞軍 路宏杰 任建磊 赫海濤

摘要：目前工業近景攝影測量技術因精度高、面陣式采集數據、非接觸等特點已廣泛應用于工業測量和變形監測中，通過對現有多相機空間定位系統進行分析，提出一種搭載高速云臺的多相機空間定位系統設計方案，改進同類型系統因位姿狀態固定所存在的缺陷，解決對觀測目標實時跟蹤測量問題，拓寬該系統的應用范圍，為后續高精度視覺測量裝備及系統研發提供重要借鑒意義。

關鍵詞：高速云臺? 多相機? 空間定位? 研究

Abstract： At present， industrial close range photogrammetry technology has been widely used in industrial measurement and deformation monitoring due to its high precision， area array data acquisition， non-contact and other characteristics. Through the analysis of the existing multi camera spatial positioning system， a design scheme of multi camera spatial positioning system equipped with high-speed PTZ is proposed to improve the defects of the same type of system due to the fixed position and attitude state. It can solve the problem of real-time tracking and measurement of observation targets， broaden the application scope of the system， and provide important reference for the follow-up research and development of high-precision visual measurement equipment and system.

Key Words： High speed PTZ; Multiple cameras; Spatial positioning; Research

目前工業近景攝影測量技術因精度高、面陣式采集數據、非接觸等特點已廣泛應用于工業測量和變形監測中，并逐步從單相機測量向多相機測量轉變，以獲取更精確的信息，提高估計量，形成面陣式空間定位與測量系統。王旭等基于雙相機交會原理，設計并具體實現了同步精度高、數據存儲量大的測量系統[1]。王鵬等提出一種基于柔性靶標定位實現圖像拼接的多相機三維測量系統，以多相機分布式采集的方法結合柔性靶標擴展視覺三維測量系統的測量范圍[2]。李同彬等對多相機全局三維測量中相機分布形式研究，結果表明，基于近景攝影測量標定的多相機測量系統所需的成本更低，不依賴立體視覺子系統視場的重疊，系統的安裝布置更為靈活方便[3]。

現有多相機空間定位與測量系統中的各相機在完成系統標定后，其位置狀態必須保持固定不變才能準確獲取測量目標的空間位置信息，導致現有多相機空間定位與測量系統的測量范圍僅限于各相機固定的視場角范圍，且超出各相機視場角后，需要重新設置相機位置，并再次完成系統標定后方可進行測量，同時各相機位置固定且視場角均朝向同一側，與測量目標間的觀測角度無法調整，獲取的影像質量難以控制，進一步影響測量目標空間位置的準確性，更無法實現對測量目標的實時跟蹤測量。與此同時，云臺已在攝影、監控等行業廣泛應用，能夠驅動相機、手機及監控視頻攝像頭進行水平和俯仰轉動，提高了拍攝的穩定性、范圍及畫面成像質量，且云臺具備良好的集成性，能夠通過集成測角度盤和驅動電機實現精確高速轉動和實時轉動角度信息的獲取。

基于以上分析，本文提出一種搭載高速云臺多相機的空間定位系統設計方案，能夠實現對測量目標的空間定位及實時跟蹤測量，并進一步提升測量質量。

1.多相機空間定位系統原理

基于多相機非平行面空間交會的原理，通過分布在空間不同位置且事先完成標定的多個相機對觀測目標進行拍攝，即可獲取被測目標的多個立體像對，進一步通過對照片中的圖像識別及計算分析后，獲取測量目標在空間中的三維坐標（如圖1所示）[4]。

平面照片圖像在像平面坐標系中是二維坐標值，可以通過相機內參標定后的參數將像點坐標轉換成目標點的多個角度下（兩個角度以上）的觀測值，采用光束法平差技術，通過設置于不同角度的攝影相機同時對多個目標進行測量，得到多余觀測量，進而計算出不同攝影相機之間的空間三維位置關系以及被測物的相對空間X、Y、Z坐標，假設被測物目標點Pi由j個攝影相機拍攝（j 條光線相交），則共有j個共線方程，如式（1）所示。

2搭載高速云臺的多相機空間定位系統研究關鍵

工業相機需要借助相機參數建立三維空間物體與二維平面圖像之間的映射關系，獲取測量點位空間位置信息，而相機參數包括相機內參和相機外參，主要通過實驗標定計算確定參數值。一般情況下，相機內參不隨相機位置的變動發生改變，而相機位置發生改變時，相機外參必須重新標定。本文所研究的空間定位系統中，相機與高速云臺裝配在一起，由高速云臺驅動相機進行二維旋轉，相機的位置在不斷改變，只有實時確定相機外參才能進一步獲取測量目標的空間位置，確定高速云臺與相機的空間位姿標定是系統研究的關鍵。

通過分析高速云臺可以看成是集成有垂直和水平測角模塊的二維旋轉平臺，當相機與高速云臺裝配后，相機隨高速云臺一同轉動，但相機與高速云臺的相對位置關系即保持不變，由此可得出基于高速云臺的相機旋轉模型，即包含高速云臺坐標系、相機坐標系、旋轉軸坐標系。高速云臺坐標系統可以由垂直角度和水平角度表示，其坐標系旋轉轉換關系可通過測角度數直接計算出來，再進一步根據相機與高速云臺固有的相對關系，確定相機坐標系及其外參數。

3搭載高速云臺的多相機空間定位系統設計方案

3.1工業相機設計

相機是基于COMS圖像傳感器安森美Python25K的一套圖像處理系統，由光學系統（鏡頭）、圖像采集模塊、圖像數據預處理模塊WiFi模塊和電源模塊等組成，鏡頭將前方目標聚焦到圖像傳感器感光面板上，圖像傳感器在驅動時序控制下將感光面板上的光信號轉換成多路LVDS數字差分信號和一對時鐘差分信號并輸出。圖像數據預處理模塊由FPGA、DDR3存儲器、Flash、USB3.0芯片及接口等組成，其中FPGA通過LVDS接口接收來自圖像采集模塊的圖像數據，并進行數據預處理; WiFi模塊將預處理圖像數據通過控制器發送至手持終端，并接收手持終端下發的控制指令;通過I2C接口控制圖像傳感器主要功能參數;DDR3存儲器負責緩存圖像數據;Flash負責存儲FPGA的上電配置程序及圖像傳感器的上電配置參數。

相機通過機械結構設計，將光學系統（鏡頭）、LED光源、圖像采集模塊、圖像數據預處理模塊和電源模塊集成組裝于整體機殼內，重量約2.5kg。相機機殼兩側為與高速云臺橫軸連接安裝接口，通過專門設計進行安裝。相機機殼由殼體與光源安裝件組成，內部相機模組與各電路板采用堆疊設計，提高空間利用率，壓縮整體尺寸，相機后端設計有各種電接口。

3.2高速云臺設計

3.2.1高速云臺機械結構設計

高速云臺設計采用地平式U型跟蹤機架結構，又稱俯仰-方位（E-A）機架，由繞水平線和垂直線旋轉的高低軸和方位軸組成，具有結構對稱、剛度對稱的特點，且設計時垂直軸系的超聲波電機、編碼器與測量軸同軸安裝，保證其旋轉重心在測量軸上;水平軸系的托座、左右支座也采用的對稱設計，平衡性能較高，將顯著降低跟蹤機架不平衡載荷造成軸系精度降低的影響。

3.2.2高速云臺硬件選型設計

高速云臺硬件組成主要包括驅動電機、編碼器、測傾傳感器、數據處理及IO控制單位。

測傾傳感器采用SANG1000-D05FTR1-3型傾角傳感器，具有精度高、啟動快、穩定性好、分辨率高等特點，可以提高高速云臺的整平精度，進一步提高空間定位系統測量精度，且能夠實時測量任何時刻任何位置儀器的水平度，并以數字信號方式發送至數據處理及IO控制單元，不僅可以保證在儀器初始擺放時，盡量調至水平，還可以在每次測量時獲取該位置儀器的真實水平度，從而進行傾斜誤差補償。

驅動電機采用PI公司U-651.04超聲波電機，相對于傳統的電機，超聲波電機（又稱壓電馬達）無繞組和磁極，無需通過電磁作用產生運動力，具有直接驅動、精確定位、起停控制好等特點，能夠滿足高精度二維轉動機構連續旋轉、精度高、響應快、運動平穩性好等要求，且U-651.04超聲波電機關機后平臺將自鎖、驅動器保持平臺位置的機械穩定，可大大減少能量消耗和熱量產生。軸的位置通過一個編碼器和一個光學參考開關測量，從而實現可靠的重復運動。并且壓電電機驅動器原理及其電氣操作成本低，更方便系統使用。在Leica公司最新一代超高精度經緯儀中使用的就是該公司U-164型超聲波電機，利用雙電機驅動實現系統驅動，并達到0.5（1σ）角秒的測量精度。

編碼器作為高精度二維轉動機構旋轉角度的直接測量單元，是保證系統測量精度最重要的因素之一，按照工作原理可分為光電式、磁電式和觸點電刷式，結合高速云臺要求測量精度高、重量輕、體積小的要求，本系統采用雷尼紹的型號為RESA30USA075B、RESA30USA100B絕對式光柵盤，是一種一體式不銹鋼圓光柵，其單碼道、真正的絕對式位置編碼直接刻在圓光柵的外緣上，具有極強的抗污能力，如灰塵、劃痕和指紋等，這些污染可能造成其他光柵計數錯誤。RESA擁有優異的精度，分辨率達0.00030角秒，適于精度要求極高的測量場合。 RESA體積輕薄、內徑大，易于集成到大多數安裝設計中。同樣重要的是，其低質量、低轉動慣量設計使得它對系統動態性能的影響降至最低。RESA提供多種尺寸和刻線數，可與工業標準控制器兼容。

數據處理及IO控制單元是高速云臺的總控制單元，所有數據、控制、測量及人機交互部分均由此部分電路完成。因此要求數據處理及IO電路板有強大的運算能力、并行處理能力、豐富的外圍接口、成熟的操作系統和應用軟件支持。綜合多方面因素，數據處理及IO控制單元采用作為主芯片，Xilinx XC7V585T作為IO控制及硬件加速芯片，使用WES10作為主操作系統，采用觸摸屏與機械按鈕結合的方式作為人機交互界面[5-7]。

4結語

本文提出一種搭載高速云臺的多相機空間定位系統設計方案，通過事先完成相機與高速云臺相對關系標定及高速云臺驅動相機轉動時的實時高精度角度數值，確定相機實時外參，并進一步基于多相機空間交會定位原理確定目標點三維坐標，實現對運動目標的測量。

參考文獻

王旭，霍炬，楊明.雙相機空間定位硬件系統的構成研究[J].自動化技術與應用，2005（9）：71-74.

王鵬，張穎杰，孫長庫，等.基于柔性靶標定位實現圖像拼接的多相機三維測量系統[J].光學學報，2020，40（4）：91-99.

李同彬，董帥.多相機全局三維測量中相機分布形式研究[J].光電技術應用，2019，34（2）：11-16.

張數，楊德宏.數字近景攝影測量的二維影像三維建模的關鍵技術應用[J].軟件，2018，39（2）：133-138.

顧國華，王佳節，陳錢，等.二維旋轉平臺下的相機參數標定[J].光學精密工程，2017，25（7）：1890-1899.[z1]

戴雯.基于深度相機的復雜工件三維測量[D].長沙：湖南大學，2019.

霍志旺.基于線結構光的旋轉物體動態三維測量方法[D].西安：西安理工大學，2021.

作者簡介：王寶迪（1984—），男，本科，高級工程師，研究方向為核島安裝工程自動化裝備研究及技術管理。