机器人中的传感器课件

1、机器人控制技术基础第 7 章7 机器人的感觉Senses of Robotics7.1 传感器的种类7.2 触觉信息的获取7.3 视觉信息的获取7.4 距离信息的获取Senses of Robotics 7.1 传感器的种类 1.传感器的分类 内部传感器：检测机器人本身状态（手臂间角度等）的传感器。 外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）的传感器。 外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。 末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。 环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人的距离。相当于视

2、觉。 7.1 传感器的种类 2.内部状态的感觉 （1）位置和角度传感器 典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。 E：输入电压 L：最大移动距离 x：向左端移动的距离 e：电阻右侧的输出电压Senses of Robotics 7.1 传感器的种类 2.内部状态的感觉 （1）位置和角度传感器 另有光电传感器。 Senses of Robotics 7.1 传感器的种类 2.内部状态的感觉 (2)角度传感器： 回转式编码器。Senses of Robotics 编码器增量式 和 绝对式测量 在增量式测量中，移动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号

3、通常是脉冲形式。这样，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力，对脉冲计数，便可得到位移量。绝对式测量的特点是：每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。增量式测量得到的脉冲波形数字式角编码器 信号航空插头（参考德国沃申道夫公司资料）其他角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）其他角编码器外形（续） 拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。一、绝对式编码器10码道光电绝对式码盘 绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构

4、和检测方式有接触式、光电式等形式。 透光区不透光区零位标志绝对式接触式编码器演示4个电刷 4位二进制码盘 +5V输入 公共码道 最小分辨角度为 =360/2n 2绝对式光电编码器 a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道） 高位低位绝对式光电编码器的分辨力及分辨率 绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数n 有关，即最小能分辨的角度及分辨率为： =360/2n分辨率=1/2n增量式光电编码器的分辨力及分辨率 增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及分

5、辨率为： 二、增量式编码器转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC零位标志ABC光电编码器的输出波形 为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（m +1/4）倍，m 为正整数，并设置了两组光敏元件A、B，有时又称为sin、cos元件。辨向信号和零标志 光电编码器的光栏板上有A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、 B彼此相差90相位，用于辩向。当编码正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。 在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号

6、”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。三、角编码器的应用 角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。 M法测速（适合于高转速场合）T 编码器每转产生 N 个脉冲，在T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速（r/min)为 ：n = 60m1/（NT） m1例题T 有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r， 在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为 ： n = 60 65536 /（1024 5） r/min = 768 r/min m1T法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲fc 编码器输出脉冲 m2 编码器每转产生 N 个脉冲，

7、用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2 ，则转速(r/min)为 n = 60fc / （Nm2 ） T法测速举例时钟脉冲fc 编码器输出脉冲 m2 n = 60fc /（Nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000） =19.53 r/min 有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz ，则转速（r/min)为 ：安装套编码器的安装方式 1.编码器的套式安装安装轴2.编码器的轴式安装 编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋转刀库被加工工件刀具角编码器的输出为当前刀具号角编码

8、器与 旋转刀库连接编码器在伺服电机中的应用 利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。转速测量转子磁极位置测量角位移测量Senses of Robotics 7.1 传感器的种类 3.外部状况的感觉 （1）物体识别传感器 典型的是视觉传感器。如摄像机。视觉是利用 光（机器人可用红外线等）的非接触方式。 触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器 来实现这种机能。 Senses of Robotics 7.1 传感器的种类 3.外部状况的感觉 （2）物体探测传感器 视觉传感器是一种识别物体而且知道其存在的传感器。 例如光电开关。 视觉传感器、光电开关和超声波传感器，

9、即使物体较远也能探测其存在。Senses of Robotics 7.1 传感器的种类 3.外部状况的感觉 （3）极近物体探测传感器 探测非常近的物体存 在的传感器称为接近传感 器。Senses of Robotics 7.1 传感器的种类 3.外部状况的感觉 （4）距离传感器 摄像机做距离传感器。具体留待4.4节介绍。 超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金属内部探伤等方面。Senses of Robotics 7.1 传感器的种类 3.外部状况的感觉 （5）力觉传感器 力觉传感器是检测力和力矩的施加地点大小方向三个两的传感器。 力的检测主要是用电阻应变片（参看4.2节）。 Senses o

10、f Robotics 7.1 传感器的种类 3.外部状况的感觉 （6）其他传感器 利用声波：语音识别传感器。分析振动声音探测机械故障的点传感器。 热传感器：点检传感器。 通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感器。 根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的传感器Senses of Robotics 7.2 触觉信息的获取 1.接触觉传感器 接触觉传感器：探测是否接触到物体，传感器接受由于接触产生的柔量。 微动开关：按下开关就能进入电信号的简单机构。 猫胡须传感器：如图a,bSenses of Robotics 7.2 触觉信息的获取 2.压觉传感器 压觉传感器：检测物体同手爪间产生的压力和力以

11、及其分布情况。 利用压电元件或弹簧。 如图是使用弹簧的平 面传感器。Senses of Robotics 7.2 触觉信息的获取 3.滑觉传感器 滑觉传感器：检测垂直加压力方向的力和位移。 Senses of Robotics 7.2 触觉信息的获取 4.力觉传感器 力觉传感器主要利用电阻 应变片。 原理：金属丝拉伸时电阻 变大。 Senses of Robotics 7.2 触觉信息的获取 图中电压与电流关系： 则： 所以： （一） 电阻应变式传感器 导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。 电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换

12、电路等组成。1、应变片的工作原理 金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。1、应变片的工作原理 设有一长度为l 、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即 K电阻应变片的灵敏度微应变 对于不同的金属材料，K 略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻

13、率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。 在材料力学中，x 称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。x通常很小，常用10-6表示之。在应变测量中，也常将之称为微应变。 对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。 应变片用于测量力F的计算公式 由材料力学可知，x=F /（AE），所以R /R又可表示为 如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面积A以及弹性模量均为已知，则只要设法测出R /R的数值，即可获知试件受力的大小，例如可用于电子秤的称重。 2、应变片的种类与结构 应变片可分为金属应变片和

14、半导体应变片 金属应变片：金属丝式、箔式、薄膜式三种。 目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。 箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。箔式应变片的外形半导体应变片及金属丝式应变片的结构半导体应变片外形金属丝式应变片的

15、内部结构应变片的粘贴： 1. 去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。 2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡 。 3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。 5.固定： 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。 4、测量转换电路不平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，

16、如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。 所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R /R转换为输出电压Uo的。 电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3 调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。 单臂电桥 全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。 双臂电桥 R1、 R2为应变片， R3、R4为固定电阻 。应变片R1 、R2 感受到的应变12以及产生的电阻增量正负号相反，可

17、以使输出电压Uo成倍地增大。四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1 R4产生的电阻增量（或感受到的应变14）正负号相反，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。全桥的温度补偿原理 当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。 5、应变效应的应用 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。应变式力传感器 应变式力传感器 FFFF

18、各种悬臂梁 FF固定点固定点电缆应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。 汽车衡汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）汽车衡称重系统电子秤 磅秤超市打印秤远距离显示电子天平电子天平的精度可达十万分之一吊钩秤 便携式应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。小型压阻式固态压

19、力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器小型压阻式固态压力传感器（续）呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管p2进气管固态压力传感器投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。 投入式液位计外形（续）压阻式固态压力传感器 光柱 显示器 橡胶 背压管 投入式液位传感器 投入式液位传感器安装方便，适应于深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他液体的液位测量。 材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试 轧机轧制力检测西安理工大学信息与控制工程研究中心研制（二）压电传感器1、压电传感器的工作原理

20、 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。 1） 压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。 若

21、在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。2）压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶瓷； 第三类是高分子压电材料。 石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形（续） 石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡

22、电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振 压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷及非铅系压电陶瓷 。 压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制） 高分子压电薄膜及拉制 高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，

23、制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）2、压电传感器的测量转换电路 电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小： 电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。电荷放大器外形面板式电荷放大器3、 压电传感器的应用 1）高分子压电材料的应用 1. 玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将

24、电压信号传送给集中报警系统。粘贴位置高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块 将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。 使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q ，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。压电传感器只能应用于动态测量 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，

25、可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。 2）压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等） 将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。3）交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。高分子压电电缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米，平

26、行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。 4）压电陶瓷传感器的应用 压电片的并联接法 压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。 压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式纵跳 训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力Senses of Robotics 7.2 视觉信息的获取 1.PSD（position sensitive dev

27、ice）传感器 PSD传感器：当光束照射到1维的线和2维的平面时，检测光照射的位置。L ：电极1与电极2的距离。I1：流过电极1的电流。I2：流过电极2的电流。x：光照射点与电极1的距离。 Senses of Robotics 7.3 视觉信息的获取 2.视觉传感器 机器人通过摄像机以图像的形式获得环境的信息。 （1）CCD(charge coupled device)传感器。 CCD阵列，二维扫描，对表示灰度的电压采样，二值数字化处理。每一定时间间隔扫描一遍。 CCD图像传感器 CCD全称电荷耦合器件，它具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。

28、CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。 （一）CCD的基本工作原理 一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。 移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。 MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片CCD读出

29、移位寄存器的数据面显微照片 彩色CCD显微照片（放大7000倍）（二）CCD图像传感器的分类 1. 线阵CCD外形 2.面阵CCD 面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。 面阵CCD外形（续） 200万和1600万像素的面阵CCD （三）CCD的基本特性参数 CCD的基本特性参数有： 光谱响应、动态范围、信噪比、CCD芯片尺寸等。在CCD像素数目相同的条件下，像素点大的CCD芯片可以获得更好的拍摄效果。大的像素点有更好的电荷存储能力，因此可提高动态范围及其他指标。 （四）CCD图像传感器的应用 线阵CCD在扫描仪中的应用 线阵CCD在图像扫描中的应用 线阵CCD摄像

30、机可用于彩色印刷中的套色工艺监控 风云一号卫星可以对 地球上空的云层分布 进行逐行扫描线阵CCD用于字符识别线阵CCD用在轧机系统带材对中控制（CPC）西安理工大学信息与控制工程研究中心研制线阵CCD用在轧机系统带材对中控制（CPC） 基本原理： 采用两只线阵CCD光电检测头，分辩率5000线，通过分别检测操作侧和传动侧带钢边缘来确定带钢的中心位置。 每只线阵CCD光电检测头检测带钢边缘位置的范围为300mm，检测精度为0.2mm，数字量输出（RS485）。灯箱采用发光二级管。 线阵CCD用在轧机系统带材对中控制（CPC）线阵CCD用在轧机系统带材对中控制（CPC）线阵CCD用在带钢表面缺陷检

31、测中的应用该系统用CCD摄像头采集生产线上带钢的表面图像，通过图像处理和模式识别算法对图像进行实时的分析和处理，以检测产品的表面是否存在着缺陷，并且获取缺陷的尺寸、部位、类型、等级等信息，从而达到在线评估和控制产品表面质量的目的。 线阵CCD用在带钢表面缺陷检测中的应用直接照明 暗场（Dark Field）照明 背光照明 同轴照明 漫射照明 常用照明方式 CCD数码照相机 数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。 数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，

32、其快门结构也大不相同。 CCD用于图像记录 三基色分离原理 CCD数码照相机的结构CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片CCD数码摄像机 CMOS图像传感器 CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标有望超过CCD，它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。 CMOS视频摄像头 带红外LED照明的CMOS视频摄像头CMOS视频摄像头的外部结构 CMOS视频摄

33、像头的外形及内部结构 Senses of Robotics 7.3 视觉信息的获取 2.视觉传感器 （2）图像的投影。O ：原点，透镜中心。Z轴：光轴，摄像机的前方。xy轴：组成图像面。P点：物体上一点。p点：P在图像面上的投影。 图象的形成过程和摄像机针孔模型Ou摄像机坐标系yxv图像坐标系世界坐标系1、世界坐标系： 2、摄像机坐标系：3、图像坐标系: 说明：为了校正成像畸变用理想图像坐标系 和真实图像坐标系 分别描述畸变前后的坐标关系 坐标系摄像机光学成像过程的四个步骤 刚体变换透视投影畸变校正数字化图像世界坐标系摄像机坐标系真实图像坐标系数字化图像坐标系理想图像坐标系1、刚体变换公式齐次

34、坐标形式CB物体AB图像Of=OB 为透镜的焦距m=OC 为像距n=AO 为物距 一般地由于 于是 这时可以将透镜成像模型近似地用小孔模型代替 2、透视投影透镜成像原理图 o写成齐次坐标形式为 2、透视投影小孔成像模型写成齐次坐标形式为 2、中心透视投影模型ofPosition with distortionIdeal Positiondr :radial distortiondt :tangential distortion3、畸变校正径向和切向畸变径向畸变离心畸变薄透镜畸变径向失真切向失真 a :barrel distortionb :pincushion distortionab3、畸变

35、校正其它畸变类型桶形畸变a和枕形畸变b 薄棱镜畸变 Axis of min tangentialdistortionAxis of maxTangentialdistortion 在 中的坐标为 象素在轴上的物理尺寸为 彷射变换4、图像数字化UCV齐次坐标形式:其中摄像机的内参数矩阵 K线性摄像机成像模型图像物理坐标系图像像素坐标系摄像机坐标系世界坐标系图像像素坐标系世界坐标系最终得到：这是忽略畸变的线性成像模型传统的摄像机标定方法特点要求摄像机标定块，算法复杂，精度高直接线性变换（DLT变换） DLT: Direct Linear TransformationAbdal-Aziz和Karar

36、a于70年代初提出了直接线性变换像机定标的方法，他们从摄影测量学的角度深入的研究了像机图像和环境物体之间的关系，建立了像机成像几何的线性模型，这种线性模型参数的估计完全可以由线性方程的求解来实现。 DLT变换直接线性变换是将像点和物点的成像几何关系在齐次坐标下写成透视投影矩阵的形式： DLT变换其中 为图像坐标系下的点的齐次坐标， 为世界坐标系下的空间点的欧氏坐标， 为 的透视投影矩阵， 为未知尺度因子。 DLT变换消去 ，可以得到方程组:当已知 个空间点和对应的图像上的点时，可以得到一个含有2* 个方程的方程组： DLT变换其中 为 的矩阵， 为透视投影矩阵元素组成的向量 。 DLT变换 像机定标的任务就是寻找合适的 ，使得 为最小，即 给出约束： 为