[發明專利]6自由度位置和取向確定

有效

• 申請號: 201280059710.0
• 申請日: 2012-12-05
• 公開（公告）號: CN103959012A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 波·佩特爾松;克努特·西爾克斯;E·沃伊特;J·辛德林;貝內迪克特·澤布霍塞爾;克勞斯·施奈德
• 申請（專利權）人: 赫克斯岡技術中心
• 主分類號: G01C15/06
• 分類號: G01C15/06;B25J9/16;E02F3/84;G01C15/00
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 呂俊剛;劉久亮

本發明總體上涉及根據權利要求1的前序部分所述的一種三維的已知形狀的六自由度位置和取向確定方法以及根據權利要求15的前序部分所述的六自由度空間位置和取向確定裝置。

在許多應用中，需要確定目標對象在3D空間中的位置和取向。其中，必須通過測量目標對象的空間坐標及其空間取向來確定目標對象在空間中的空間姿態，從而導致需要評估最多達六個自由度。目標對象可以是關注對象本身，或者是附著到關注對象的專用目標對象。

例如，在WO2005/039836中，提出了通過相機系統觀測附著到機械臂的加工工具在3D空間中的位置和取向的機械臂定位控制。

工程機械的控制是另一應用，例如，如US5,771,978中描述的，其中，跟蹤站跟蹤回射器，該回射器作為目標標記附著到機器的加工工具(在此示例中，是用于將土移為期望的形狀的推土機的推鏟)。

文獻EP1171752(-獲得2010年歐洲發明獎)描述了另一應用，其中，通過跟蹤裝置以六個自由度確定用于坐標測量的測量探針的位置和取向，所述跟蹤裝置跟蹤附著到探針的多個專用離散奇異參考點，以用于以六個自由度確定測量探針尖端的姿態。

目標對象的上述高精度姿態確定方法需要相當復雜且昂貴的測繪設備，例如，諸如激光掃描儀、全站儀、跟蹤站等的裝置。

另選地，諸如立體成像，需要復雜的多個相機和照明設備(setup)，具有相對低的精度并且在測量中遭受歧義問題。

圖案投影系統(類似布倫瑞克工業大學(TU-Braunschweig)的DAVID激光掃描儀項目)也是已知的。例如，如www.david-laserscanner.com上公布的，在目標上掃描激光圖案(例如，線)，數字視頻相機記錄所得到的圖像，由此創建掃描對象的3D點云模型。還可使用相機的拍攝圖像來將所得到的3D模型紋理化。由于掃描，相機的整個視場的數字化花費時間，因此不適于評估或觀測不穩定對象。

在微軟關于相機校準的技術報告中(公布于“IEEE?transactions?on?pattern?analysis?and?machine?intelligence”，第22卷，第11期，2000年11月)，描述了一種用于3D計算機視覺的數碼照片相機的校準系統，其以不同取向觀測單個平面圖案以實現相機校準，從而使得能夠從相機拍攝的2D圖像更精確地提取度量(metric)信息。

在US2005/0002555中，將存儲的第一組工件圖像(從不同方向拍攝)與工件的實際圖像進行比較。然后移動相機以與存儲的第一組圖像非常相似，并且進行與存儲的第二組圖像(以較窄間距拍攝)的第二次比較，以確定工件的位置和姿態。

對于通過收集3D點云的3D測量，使用深度成像模塊(Range?Imaging?Module，RIM)也是已知技術，其可將“一次拍攝(one?shot)”中的整個場景數字化。原則上，RIM相機包括像素陣列，所述像素陣列(例如)通過本領域已知的脈沖、相位、信號形狀或干涉測量原理(例如)基于光輻射的飛行時間測量(TOF)用作光電測距儀(例如，參見J.M.Rueger的“Electronic?Distance?Measurement”，第4版，Springer-Verlag，柏林，海德堡，1996年)。由這種RIM相機拍攝的深度圖像包括相機的各個像素的距離信息，從而得到從單個視點拍攝的場景的3D圖像。由此在極坐標下根據相機像素的角視場以及以長度為單位隨之確定的距離進行測量。

測量的RIM圖像的圖形視圖可(例如)通過冷光或距離的顏色鍵控以二維表示呈現為RIM圖像的視圖的2D畫面。另選地，測量的RIM圖像的圖形視圖可以按照軸測視圖或由真實3D顯示來呈現。除了深度信息之外，散射后距離測量輻射的強度也可通過RIM相機確定并在圖像中提供。

然而，可用RIM裝置常常遭受相對低的分辨率和精度，例如，視場的分辨率目前遠低于1百萬像素(例如，176×144像素＝0.025百萬像素)，cm范圍的距離分辨率是常見值。存在特定的已知技術來改進這些參數，類似變焦和視場的角運動，但是這些技術均經受類似再次延長測量時間(這是重要參數)的缺點，特別是在測量潛在移動的目標的情況下。