搭载高速云台的多相机空间定位系统研究

王宝迪 张亚军 路宏杰 任建磊 赫海涛

摘要：目前工业近景摄影测量技术因精度高、面阵式采集数据、非接触等特点已广泛应用于工业测量和变形监测中，通过对现有多相机空间定位系统进行分析，提出一种搭载高速云台的多相机空间定位系统设计方案，改进同类型系统因位姿状态固定所存在的缺陷，解决对观测目标实时跟踪测量问题，拓宽该系统的应用范围，为后续高精度视觉测量装备及系统研发提供重要借鉴意义。

关键词：高速云台  多相机  空间定位  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

目前工業近景摄影测量技术因精度高、面阵式采集数据、非接触等特点已广泛应用于工业测量和变形监测中，并逐步从单相机测量向多相机测量转变，以获取更精确的信息，提高估计量，形成面阵式空间定位与测量系统。王旭等基于双相机交会原理，设计并具体实现了同步精度高、数据存储量大的测量系统[1]。王鹏等提出一种基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统，以多相机分布式采集的方法结合柔性靶标扩展视觉三维测量系统的测量范围[2]。李同彬等对多相机全局三维测量中相机分布形式研究，结果表明，基于近景摄影测量标定的多相机测量系统所需的成本更低，不依赖立体视觉子系统视场的重叠，系统的安装布置更为灵活方便[3]。

现有多相机空间定位与测量系统中的各相机在完成系统标定后，其位置状态必须保持固定不变才能准确获取测量目标的空间位置信息，导致现有多相机空间定位与测量系统的测量范围仅限于各相机固定的视场角范围，且超出各相机视场角后，需要重新设置相机位置，并再次完成系统标定后方可进行测量，同时各相机位置固定且视场角均朝向同一侧，与测量目标间的观测角度无法调整，获取的影像质量难以控制，进一步影响测量目标空间位置的准确性，更无法实现对测量目标的实时跟踪测量。与此同时，云台已在摄影、监控等行业广泛应用，能够驱动相机、手机及监控视频摄像头进行水平和俯仰转动，提高了拍摄的稳定性、范围及画面成像质量，且云台具备良好的集成性，能够通过集成测角度盘和驱动电机实现精确高速转动和实时转动角度信息的获取。

基于以上分析，本文提出一种搭载高速云台多相机的空间定位系统设计方案，能够实现对测量目标的空间定位及实时跟踪测量，并进一步提升测量质量。

1.多相机空间定位系统原理

基于多相机非平行面空间交会的原理，通过分布在空间不同位置且事先完成标定的多个相机对观测目标进行拍摄，即可获取被测目标的多个立体像对，进一步通过对照片中的图像识别及计算分析后，获取测量目标在空间中的三维坐标（如图1所示）[4]。

平面照片图像在像平面坐标系中是二维坐标值，可以通过相机内参标定后的参数将像点坐标转换成目标点的多个角度下（两个角度以上）的观测值，采用光束法平差技术，通过设置于不同角度的摄影相机同时对多个目标进行测量，得到多余观测量，进而计算出不同摄影相机之间的空间三维位置关系以及被测物的相对空间X、Y、Z坐标，假设被测物目标点Pi由j个摄影相机拍摄（j 条光线相交），则共有j个共线方程，如式（1）所示。

2搭载高速云台的多相机空间定位系统研究关键

工业相机需要借助相机参数建立三维空间物体与二维平面图像之间的映射关系，获取测量点位空间位置信息，而相机参数包括相机内参和相机外参，主要通过实验标定计算确定参数值。一般情况下，相机内参不随相机位置的变动发生改变，而相机位置发生改变时，相机外参必须重新标定。本文所研究的空间定位系统中，相机与高速云台装配在一起，由高速云台驱动相机进行二维旋转，相机的位置在不断改变，只有实时确定相机外参才能进一步获取测量目标的空间位置，确定高速云台与相机的空间位姿标定是系统研究的关键。

通过分析高速云台可以看成是集成有垂直和水平测角模块的二维旋转平台，当相机与高速云台装配后，相机随高速云台一同转动，但相机与高速云台的相对位置关系即保持不变，由此可得出基于高速云台的相机旋转模型，即包含高速云台坐标系、相机坐标系、旋转轴坐标系。高速云台坐标系统可以由垂直角度和水平角度表示，其坐标系旋转转换关系可通过测角度数直接计算出来，再进一步根据相机与高速云台固有的相对关系，确定相机坐标系及其外参数。

3搭载高速云台的多相机空间定位系统设计方案

3.1工业相机设计

相机是基于COMS图像传感器安森美Python25K的一套图像处理系统，由光学系统（镜头）、图像采集模块、图像数据预处理模块WiFi模块和电源模块等组成，镜头将前方目标聚焦到图像传感器感光面板上，图像传感器在驱动时序控制下将感光面板上的光信号转换成多路LVDS数字差分信号和一对时钟差分信号并输出。图像数据预处理模块由FPGA、DDR3存储器、Flash、USB3.0芯片及接口等组成，其中FPGA通过LVDS接口接收来自图像采集模块的图像数据，并进行数据预处理; WiFi模块将预处理图像数据通过控制器发送至手持终端，并接收手持终端下发的控制指令;通过I2C接口控制图像传感器主要功能参数;DDR3存储器负责缓存图像数据;Flash负责存储FPGA的上电配置程序及图像传感器的上电配置参数。

相机通过机械结构设计，将光学系统（镜头）、LED光源、图像采集模块、图像数据预处理模块和电源模块集成组装于整体机壳内，重量约2.5kg。相机机壳两侧为与高速云台横轴连接安装接口，通过专门设计进行安装。相机机壳由壳体与光源安装件组成，内部相机模组与各电路板采用堆叠设计，提高空间利用率，压缩整体尺寸，相机后端设计有各种电接口。

3.2高速云台设计

3.2.1高速云台机械结构设计

高速云台设计采用地平式U型跟踪机架结构，又称俯仰-方位（E-A）机架，由绕水平线和垂直线旋转的高低轴和方位轴组成，具有结构对称、刚度对称的特点，且设计时垂直轴系的超声波电机、编码器与测量轴同轴安装，保证其旋转重心在测量轴上;水平轴系的托座、左右支座也采用的对称设计，平衡性能较高，将显著降低跟踪机架不平衡载荷造成轴系精度降低的影响。

3.2.2高速云台硬件选型设计

高速云台硬件组成主要包括驱动电机、编码器、测倾传感器、数据处理及IO控制单位。

测倾传感器采用SANG1000-D05FTR1-3型倾角传感器，具有精度高、启动快、稳定性好、分辨率高等特点，可以提高高速云台的整平精度，进一步提高空间定位系统测量精度，且能够实时测量任何时刻任何位置仪器的水平度，并以数字信号方式发送至数据处理及IO控制单元，不仅可以保证在仪器初始摆放时，尽量调至水平，还可以在每次测量时获取该位置仪器的真实水平度，从而进行倾斜误差补偿。

驱动电机采用PI公司U-651.04超声波电机，相对于传统的电机，超声波电机（又称压电马达）无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力，具有直接驱动、精确定位、起停控制好等特点，能够满足高精度二维转动机构连续旋转、精度高、响应快、运动平稳性好等要求，且U-651.04超声波电机关机后平台将自锁、驱动器保持平台位置的机械稳定，可大大减少能量消耗和热量产生。轴的位置通过一个编码器和一个光学参考开关测量，从而实现可靠的重复运动。并且压电电机驱动器原理及其电气操作成本低，更方便系统使用。在Leica公司最新一代超高精度经纬仪中使用的就是该公司U-164型超声波电机，利用双电机驱动实现系统驱动，并达到0.5（1σ）角秒的测量精度。

编码器作为高精度二维转动机构旋转角度的直接测量单元，是保证系统测量精度最重要的因素之一，按照工作原理可分为光电式、磁电式和触点电刷式，结合高速云台要求测量精度高、重量轻、体积小的要求，本系统采用雷尼绍的型号为RESA30USA075B、RESA30USA100B绝对式光栅盘，是一种一体式不锈钢圆光栅，其单码道、真正的绝对式位置编码直接刻在圆光栅的外缘上，具有极强的抗污能力，如灰尘、划痕和指纹等，这些污染可能造成其他光栅计数错误。RESA拥有优异的精度，分辨率达0.00030角秒，适于精度要求极高的测量场合。 RESA体积轻薄、内径大，易于集成到大多数安装设计中。同样重要的是，其低质量、低转动惯量设计使得它对系统动态性能的影响降至最低。RESA提供多种尺寸和刻线数，可与工业标准控制器兼容。

数据处理及IO控制单元是高速云台的总控制单元，所有数据、控制、测量及人机交互部分均由此部分电路完成。因此要求数据处理及IO电路板有强大的运算能力、并行处理能力、丰富的外围接口、成熟的操作系统和应用软件支持。综合多方面因素，数据处理及IO控制单元采用作为主芯片，Xilinx XC7V585T作为IO控制及硬件加速芯片，使用WES10作为主操作系统，采用触摸屏与机械按钮结合的方式作为人机交互界面[5-7]。

4结语

本文提出一种搭载高速云台的多相机空间定位系统设计方案，通过事先完成相机与高速云台相对关系标定及高速云台驱动相机转动时的实时高精度角度数值，确定相机实时外参，并进一步基于多相机空间交会定位原理确定目标点三维坐标，实现对运动目标的测量。

参考文献

王旭，霍炬，楊明.双相机空间定位硬件系统的构成研究[J].自动化技术与应用，2005（9）：71-74.

王鹏，张颖杰，孙长库，等.基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统[J].光学学报，2020，40（4）：91-99.

李同彬，董帅.多相机全局三维测量中相机分布形式研究[J].光电技术应用，2019，34（2）：11-16.

张数，杨德宏.数字近景摄影测量的二维影像三维建模的关键技术应用[J].软件，2018，39（2）：133-138.

顾国华，王佳节，陈钱，等.二维旋转平台下的相机参数标定[J].光学精密工程，2017，25（7）：1890-1899.[z1]

戴雯.基于深度相机的复杂工件三维测量[D].长沙：湖南大学，2019.

霍志旺.基于线结构光的旋转物体动态三维测量方法[D].西安：西安理工大学，2021.

作者简介：王宝迪（1984—），男，本科，高级工程师，研究方向为核岛安装工程自动化装备研究及技术管理。