新型復眼定位裝置設計及關鍵技術研究.pdf

1、視覺定位，作為目標定位技術領域中的重要手段之一，在工業(yè)測量、安防監(jiān)控、導航、軍事目標定位與跟蹤等場合有著廣泛的應用。自然界中的復眼由于具有特有的曲面結構、多通道成像系統(tǒng)以及對神經(jīng)信息的高度集中處理單元，擁有大視場范圍內(nèi)的目標定位和對運動目標高靈敏的捕捉及處理等能力，因此非常適合于市場對定位裝置的重量輕、體積小、功耗低及可靠性高等方面日益增長的需求。本論文提出一種用于大視場目標定位的新型復眼定位系統(tǒng)，并討論了為獲取大視場而采用的技術和成像

2、過程中曲面透鏡陣列到平面圖像傳感器成像的解決辦法。介紹了透鏡安裝的要求，搭建起透鏡安裝平臺并完成透鏡的安裝工作。通過對雙目視覺定位技術的調(diào)研，建立了適用本復眼系統(tǒng)目標定位的數(shù)學模型。從理論和實驗兩方面研究了該系統(tǒng)多透鏡成像畸變的標定任務以及目標像點的識別方法，并分析了目標像點中心的提取技術?；诖匮蹎卧膭澐?，提出“搜索三維坐標波動誤差”的方法對像點通道進行匹配，進一步完成目標定位任務，最后對復眼系統(tǒng)的標定性能進行了評價并初步研究了復眼

3、定位系統(tǒng)的應用。
　　 本論文的研究工作主要有以下幾個方面：
　　 1.設計一套進行大視場目標定位的新型復眼裝置。以曲面分布的透鏡陣列方式獲取大視場范圍內(nèi)的目標，研究各透鏡相互之間既滿足高填充比又最大限度消除成像盲區(qū)的排布方式。對透鏡陣列的安裝方案進行了簡要設計并完成各子透鏡的安裝工作。研究了曲面分布的透鏡陣列到圖像傳感器有限成像面的映射問題和邊緣視場接收透鏡成像質量差的問題，采用了在透鏡陣列與圖像傳感器之間加入折轉透鏡

4、的解決辦法。選擇了大面陣圖像傳感器，并編寫了圖像傳感器的驅動程序，實現(xiàn)了基于FPGA的圖像傳感器像素的采集并通過USB2.0高速總線上傳到PC機，完成復眼接收通道圖像的顯示及后續(xù)處理。
　　 2.調(diào)研總結雙目視覺定位技術，建立復眼各子眼透鏡坐標系和世界坐標系，確立復眼定位數(shù)學模型和標定內(nèi)容。為利于模型的表達和問題的解決，把目標點入射光線經(jīng)接收透鏡．折轉透鏡兩層變化后最終成像在圖像傳感器上的軌跡光線分為兩部分。其中一部分是目標到各

5、子透鏡中心的線性部分，而另外一部分是各子透鏡中心經(jīng)過折轉透鏡到圖像傳感器上像點的部分。根據(jù)已有的機器視覺標定模型，通過分析，提出根據(jù)三維坐標已知的目標點標定每個透鏡入射光線向量角度與其成像點之間對應關系的標定方式。
　　 3.根據(jù)標定原理，設計標定方案，完成復眼成像系統(tǒng)的標定任務。選擇了等離子電視機、分光鏡、半導體激光器、水平儀以及水平移動導軌等實驗設備和儀器。使用等離子電視機作為目標平面，利用分光鏡調(diào)整了復眼平面和目標平面之間

6、的平行性，采用激光與目標平面上一個固定點重合的方式調(diào)節(jié)了水平移動軸與目標平面的垂直性，根據(jù)水平儀調(diào)整了目標平面的行列和復眼坐標系一致。在以上基礎上，根據(jù)消失點找出復眼中心透鏡光軸與目標平面之間的交點在目標平面上的位置，并由不同目標共像點的方法求出復眼中心透鏡與垂足之間的距離，進而求出目標平面上各點的三維世界坐標。最后算出各點與接收透鏡之間的向量角度和對應像點的中心坐標后，對每一個透鏡都建立起一種它與所有接收到目標之間的向量角度和對應目標

7、像點坐標之間的關系，完成系統(tǒng)的標定工作。標定過程中還介紹了提取目標像點的圖像處理方法并分析了提取目標光斑像點中心的算法和圖像降噪方法。
　　 4.研究使用復眼定位系統(tǒng)進行目標三維定位的關鍵問題和簡單應用。分析了基于Delaunay三角剖分的數(shù)據(jù)插值、神經(jīng)網(wǎng)絡插值、雙調(diào)和樣條插值等常用散亂點數(shù)據(jù)插值方法以及插值精度特點。根據(jù)采集到的目標像點中心坐標，插值標定結果得到對應通道的向量角度。提出把復眼透鏡分成169個簇眼單元，對接收到一

8、個目標的一組像點首先識別出屬于一個簇眼單元的若干通道，然后通過歸一化三維坐標差異定義了每一次匹配所求出不同三維坐標之間的的波動誤差，實現(xiàn)了目標像點與對應通道的有效識別，解決了復眼三維定位中的像點對應通道識別的關鍵問題。通過移動不同目標平面并定位目標點，評估了復眼系統(tǒng)的標定效果，根據(jù)計算指出透鏡向量角度標定均方誤差在0.02°左右，X、Y、Z三維坐標相對誤差在2％左右。在對目標定位的研究過程中，分析了插值點與周邊基準點分布關系對插值精度的