專利名稱：：用于光學(xué)識(shí)別定位裝置上的物體的位置和運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于光學(xué)識(shí)別定位裝置上的物體的位置和/或運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。該定位裝置包括用于旋轉(zhuǎn)和/或沿曲線或直線路徑驅(qū)動(dòng)物體的工具。該系統(tǒng)還包括用于光學(xué)檢測物體的位置或取向的工具，和用于由檢測工具提供的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理站。
背景技術(shù)：
：為了識(shí)別物體的位置和/或取向，一些光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)能夠大體確定物體在其支架上(例如，在定位裝置上)的輪廓。為此，光學(xué)檢測工具(諸如攝像機(jī))能夠拍攝至少一幅物體輪廓圖像以向數(shù)據(jù)信號(hào)處理站提供與物體輪廓有關(guān)的數(shù)據(jù)信號(hào)。在處理站中，在所檢測到的物體輪廓與存儲(chǔ)的參考形狀之間作比較，其中參考形狀在空間中的位置是已知的?；谶@種比較，處理系統(tǒng)于是能夠確定物體在定位裝置上的位置或取向。這些光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)缺陷實(shí)質(zhì)上在于以下事實(shí)，即通過其輪廓確定的物體位置或取向不精確。此外，如果物體為球形則不能使用這些識(shí)別系統(tǒng)，因?yàn)槲矬w輪廓的測定在任何位置或取向上都一樣。這些光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)因此不能被用在例如用于測量發(fā)射天線的輻射圖(radiationdiagram)的系統(tǒng)中，其中所述發(fā)射天線^M置在中空球形物體中，而所述中空球形物體在定位裝置上受到驅(qū)動(dòng)而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。法國專利No2590681^Hf了一種用于跟蹤^沒在宇宙飛船上的具有祐:動(dòng)目標(biāo)圖形的物體的系統(tǒng)。該跟蹤系統(tǒng)包括近距離傳感器電路，其包括數(shù)字成像裝置和沿物體上的目標(biāo)圖形方向發(fā)射光的光源。用來自光源的光束掃過物體以允許成像裝置識(shí)別各種定位目標(biāo)圖形。這些目標(biāo)圖形彼此不同，且形成平行的具有矩形或梯形形狀的條碼。例如四個(gè)這些條碼相互間隔一定距離地分布在物體的平坦表面上。這種跟蹤系統(tǒng)的一個(gè)缺陷在于它不能精確測量物體相對于傳感器電路的位置。此外，它不能檢測物體在定位裝置上的有限角取向。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種系統(tǒng)，其在物體的所有角取向上筒單、快速地以精確的方式光學(xué)識(shí)別物體在定位裝置上的位置和/或運(yùn)動(dòng)，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。本發(fā)明因此涉及一種用于光學(xué)識(shí)別物體在定位裝置上的位置和/或運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，其包括在獨(dú)立權(quán)利要求l中定義的特征。該識(shí)別系統(tǒng)的具體實(shí)施例在從屬權(quán)利要求2-14中得到定義。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于以下事實(shí)，即各種圖形或標(biāo)記均勻分布在優(yōu)選為球形的物體的外表面上。有利的是，這些圖形是4位編碼的圓形條碼，且在例如為亮色(白色)的物體的外表面上具有例如為黑色的附加外部定界位。這使得與其中存有位置識(shí)別算法的數(shù)據(jù)處理站相關(guān)聯(lián)的檢測工具(諸如數(shù)字?jǐn)z#^幾)能夠識(shí)別隨著時(shí)間的推移物體的各個(gè)位置。有利的是，定位裝置包括由接觸物體外表面的輪子形成的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件和用于所述驅(qū)動(dòng)輪的支架，其中在所述定位裝置上，球形物體祐j文置并且通過重力作用保持在三個(gè)支撐點(diǎn)上。輪子的旋轉(zhuǎn)軸安裝在支架的末端，所述支架能夠沿另一軸線旋轉(zhuǎn)，所述另一軸線穿過輪子在球形物體的外表面上的接觸點(diǎn)和球形物體的中心。以可旋轉(zhuǎn)的方式安裝在定位裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)上的支架和驅(qū)動(dòng)輪可以借助壓縮空氣工具而被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。為使數(shù)字?jǐn)z#^幾能夠獲取良好的圖像，有利地向球形物體的可見表面提供各向同性(均勻的)照明裝置。一組光纖引導(dǎo)由遠(yuǎn)處光源提供的光以照亮物體。在物體附近將光纖組分成數(shù)個(gè)小組。一個(gè)小組的光纖(例如，每個(gè)小組有6根光纖)的末端安裝在塑料柱上，所述柱固定在照明結(jié)構(gòu)上。以相互間隔相等距離的方式將6個(gè)塑料柱固定在照明結(jié)構(gòu)上，所述柱優(yōu)選分別保持6根光纖的末端。該照明結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成環(huán)形，且剛好在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的側(cè)部(side)放置在物體的前方，而不會(huì)阻礙數(shù)字?jǐn)z像機(jī)對物體的觀察。用于光學(xué)識(shí)別定位裝置上的物體的位置和/或運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)的目標(biāo)、優(yōu)點(diǎn)和特征將通過參考附圖從以下描述中更清楚地顯現(xiàn)出來，在附圖中圖1以簡化的方式示出了構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)的各種元件，其中所述光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)形成發(fā)射天線的輻射圖測量系統(tǒng)的一部分；圖2示出了用于照明物體的照明裝置的一部分，所述物體^L定義為放置在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)的定位裝置上的球形元件；圖3a和3b示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)的定位裝置的球窩接頭的局部縱向橫截面圖和俯視圖4示出了用于確定物體位置的球面坐標(biāo)的圖示，其中所述物體為根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)的定位裝置上的球形元件；圖5示出了球形物體的外表面上的圖形或標(biāo)記的位置，其中所述圖形或標(biāo)記用于確定才艮據(jù)本發(fā)明的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)的定位裝置上的物體的位置；以及圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)的為圓形條碼形式的圖形，其中所述條碼4&故置在球形物體的外表面上以確定其位置或取向。具體實(shí)施例方式在以下描述中，用于光學(xué)識(shí)別物體在定位裝置上的位置和/或運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)的所有為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的元件將只作簡單解釋。應(yīng)注意該光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)可以不受限制地用于其中需要知道設(shè)在支架或定位裝置上的物體的精確位置的各種應(yīng)用場合。該物體還可以是用于拾取射頻信號(hào)的接收天線，其必須在定位裝置上獲得精確定向。該物體還可以是投影儀、擴(kuò)音器、指示器、或者任何其它的電子物體或儀器。然而，在以下描述中將只涉及形成用于電子裝置的發(fā)射天線的輻射測量系統(tǒng)的一部分的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)。圖1示意性地示出了定位裝置2上的物體3的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)的所有元件，其中所述光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)形成用于電子發(fā)射機(jī)裝置4的發(fā)射天線4，的輻射圖測量系統(tǒng)l的一部分。實(shí)質(zhì)上，測量系統(tǒng)1首先包括定位裝置2,在該定位裝置2上，物體被放置且在重力作用下被保持在構(gòu)件20、30、40的三個(gè)支撐點(diǎn)P、P，、P"上，其中物體被構(gòu)造成例如用于電子裝置的球形支撐元件3。具有必須得到測量的發(fā)射天線4，的所述電子裝置保持在中空的J求形元件3內(nèi)部，球形元件3包括兩部分，所述兩部分通過任何已知方式裝在對方的頂部上以密封該電子裝置。發(fā)射天線4，優(yōu)選設(shè)置成靠近球形元件或中空球體的中心。該測量系統(tǒng)還包括設(shè)有至少一根接收天線5，的接收器裝置5,所述接收天線5，用于拾取來自發(fā)射天線4'的電磁場(RT信號(hào))；用于檢測正在定位裝置2上運(yùn)動(dòng)的球形元件的位置或取向的工具6。該球形元件包括一定數(shù)量的圖形或標(biāo)記10，這些圖形或標(biāo)記10分布在該元件的外表面上(將在下面進(jìn)行解釋)并且被用于確定球形元件的位置。與接收天線拾取的電磁場有關(guān)的信號(hào)和由檢測工具提供的位置信號(hào)或自動(dòng)或經(jīng)請求傳給數(shù)據(jù)處理站，其中所述數(shù)據(jù)處理站優(yōu)選為計(jì)算機(jī)站7?？梢耘c計(jì)算機(jī)站無關(guān)地或者通過所述計(jì)算機(jī)站向接收器裝置5和由數(shù)字?jǐn)z^4幾6形成的檢測工具供電。數(shù)字?jǐn)zll^優(yōu)選具有768x1024個(gè)像素的黑白MOS攝#4^,其被設(shè)置成與物體相距約1米或數(shù)米?？梢栽跀?shù)字揭^4幾和計(jì)算機(jī)站之間設(shè)置采集卡，以使所獲取的圖像信號(hào)適于被傳遞給計(jì)算機(jī)站。該數(shù)字?jǐn)z像機(jī)卡、具體為標(biāo)為PCI6229的卡由于用于IEEE1394攝#4幾的NI-IMAQ模塊設(shè)有火線連接，并且它能夠產(chǎn)生或獲取數(shù)字或模擬信號(hào)。為簡化圖l，定位裝置2僅用構(gòu)件20、30、40來表示，所述構(gòu)件20、30、40承載球形元件3以測量由測量系統(tǒng)的發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁場。定位裝置2因此包括與球形元件的外表面形成接觸的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件20。該驅(qū)動(dòng)構(gòu)件被構(gòu)造成使球形元件3在定位裝置上隨機(jī)地朝各個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)構(gòu)件20由輪子21形成，所述輪子21與球形元件的外表面形成接觸以驅(qū)動(dòng)所述元件旋轉(zhuǎn)。該輪子可包括用橡膠制成的環(huán)形元件，其設(shè)置在滑輪的圓形凹槽中以無滑動(dòng)地驅(qū)動(dòng)球形元件。輪子21的旋轉(zhuǎn)軸安裝在支架22或棒的末端。支架22能夠沿穿過輪子在球形元件外表面上的接觸點(diǎn)P和所述元件的中心的另一軸線旋轉(zhuǎn)。這意味著通過該輪子可以沿各個(gè)方向上使球形元件進(jìn)行任意的旋轉(zhuǎn)。該球形元件經(jīng)過所有的位置估計(jì)需要10分鐘時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，可以對由發(fā)射天線發(fā)射的電磁場進(jìn)行約6000次測量。定位裝置2還包括兩個(gè)球窩接頭30和40，下面參考圖3a和3b對其進(jìn)行解釋。球窩接頭中的各個(gè)球被設(shè)置成與球形元件3的外表面形成接觸。因此，輪子21的接觸和這兩個(gè)球窩接頭30、40的球的接觸形成三個(gè)支撐點(diǎn)P、P，、P",而球形元件依靠在這三個(gè)支撐點(diǎn)上。這三個(gè)支撐點(diǎn)規(guī)則間隔以形成等邊三角形的端點(diǎn)，其中所述等邊三角形優(yōu)選水平設(shè)置。當(dāng)然，球形元件3的重心必須落在該等邊三角形內(nèi)的任一位置上以保持在該定位裝置上。各支撐點(diǎn)之間的間距必須優(yōu)選大于球形元件的半徑，且小于所述球形元件的半徑的1.5倍。作為現(xiàn)有裝置的三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪(其形成球形元件的三個(gè)支撐點(diǎn))的替換，該單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)輪21在接觸球形元件外表面時(shí)不再打滑。這允許球形元件3高度均勻地隨意描述整個(gè)位置空間。該驅(qū)動(dòng)輪優(yōu)選由電動(dòng)機(jī)或壓縮空氣渦輪機(jī)(未示出)驅(qū)動(dòng)，所述電動(dòng)機(jī)或壓縮空氣渦輪機(jī)靠近所述輪子21被安置在支架中、或者被安置在輪子的旋轉(zhuǎn)軸上。在支架中形成至少一條壓縮空氣軟管或筒以使壓縮空氣從壓縮空氣箱朝向電動(dòng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。可以用另一電動(dòng)才幾或壓縮空氣渦輪4幾驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪21的支架22旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，位于所述電動(dòng)機(jī)和支架22之間的一組滑輪和驅(qū)動(dòng)帶(未示出)可以向支架施加所需要的旋轉(zhuǎn)以使驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。通過該單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)輪，球形元件不再在這三個(gè)支撐點(diǎn)上跳起。唯一觀察到的球形元件遠(yuǎn)離中心的運(yùn)動(dòng)是因其固有的不圓度和毫米量級(jí)的軸承(滑輪)間隙引起的。這會(huì)在測量系統(tǒng)中引入約0.05度的角計(jì)算誤差，而該誤差可以忽略不計(jì)。圖3a和3b示出了定位裝置的球窩接頭30之一，其被用作球形元件的支撐點(diǎn)之一。球窩接頭30，其可具有近似圓柱形的外部形狀，包括用于合成球的殼體32。該殼體的大小使得球能夠在殼體內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。該殼體可以是球形或者圓柱形。優(yōu)選，球窩接頭由具有^^擦系數(shù)的非導(dǎo)電性材料(諸如Teflon)制成以用于自由旋轉(zhuǎn)的球。球31的一部分通過球窩接頭30上的頂部開口從殼體32中露出，以接觸J求形元件的外表面。作用力F，其代表^l形元件重量的一部分，施加在球上的支撐點(diǎn)P，上。該開口的直徑小于球的直徑以便將球保持在殼體32內(nèi)部。對于球形殼體，球窩接頭包括兩部分，這兩部分沿縱向安裝在對方上以將球限制在殼體內(nèi)。然而，對于圓柱形殼體，頂部開口形成在部分封閉殼體的蓋子(未示出)上。球窩接頭還4皮構(gòu)造成噴嘴的形式，以通過球窩接頭中的管子33直接將壓縮空氣引入球的殼體32。球因此在空氣墊上被保持在其殼體內(nèi)。如果球形元件3僅^J故置在兩個(gè)流量可調(diào)的壓縮空氣噴嘴上，而第三個(gè)支撐點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)輪，因此容易使球形元件漂浮和旋轉(zhuǎn)。然而，在一些情況下，振蕩運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)球形元件。該元件靠近噴嘴，噴嘴增大空氣壓力并且將其輕微彈出。如果局部壓力以及因此的支撐作用力減小，球形元件則回落在噴嘴上，噴嘴然后再次將其彈出。因此，在壓縮空氣噴嘴的情況下，必須根據(jù)球的重量調(diào)節(jié)空氣壓力，這由根據(jù)本發(fā)明的球窩接頭解決。一線壓縮空氣在球周圍離開殼體開口，所述壓縮空氣的壓力取決于球形元件的重量，這避免了簡單的壓縮空氣噴嘴的問題?？梢宰杂傻仳?qū)動(dòng)該球形元件旋轉(zhuǎn)，而在各個(gè)方向上均無波動(dòng)。為了克服與球形元件在三個(gè)支撐點(diǎn)上缺乏平衡相關(guān)的問題，可以通過將額外的球窩接頭或者壓力球形接頭引至球體頂端來增加球形元件的重量?？梢岳迷趬嚎s空氣管中滑動(dòng)并且在球形元件上產(chǎn)生恒定作用力的球(類似彈簧)來形成該球窩接頭。與驅(qū)動(dòng)輪接觸的該法向壓力使所述輪子能更好地附著。該具有數(shù)字?jǐn)z^4^的測量系統(tǒng)的大多數(shù)部件都放置在吸音室內(nèi)，所述吸音室由圖1中引用8的元件示出。這防止由發(fā)射天線4，產(chǎn)生的電磁場反射到可能對發(fā)射天線輻射測量有害的障礙物上。此外，定位裝置2的位于發(fā)射天線附近(即在所述腔室內(nèi)部)的部分不能用金屬材料制造，以使這些部分不對發(fā)射天線4，產(chǎn)生的電磁場的測量形成干擾。定位裝置2的驅(qū)動(dòng)工具利用壓縮空氣來操作，其中所述驅(qū)動(dòng)工具用塑料或者非導(dǎo)電材料制造。這些驅(qū)動(dòng)工具可以是電動(dòng)機(jī)或通過具有龍頭的管子與壓縮空氣箱連接的壓縮空氣渦輪機(jī)。用于沿兩條軸線驅(qū)動(dòng)輪子和輪子支架的這些非金屬的電動(dòng)機(jī)因此可以放置在發(fā)射天線附近。為了精確確定球形元件3和因此球形元件3所包含且必須得到測量的發(fā)射天線4，的位置或取向，在球形元件3的外表面上設(shè)置特殊的圖形或標(biāo)記10。這些圖形和標(biāo)記由圓形條碼形成，其中各圓形條碼定義球形元件在定位裝置上的準(zhǔn)確位置。各圓形條碼10可印刷或粘結(jié)到球體外表面上，或者通過其它手段形成。例如，存在14個(gè)不同的圓形條碼，這些條碼具有相同的直徑且均勻分布在球形元件的外表面上，這將在下文中參考圖5和6進(jìn)行解釋。各圓形條碼釆用4個(gè)位和一個(gè)外部定^i進(jìn)行編碼，其中所述外部定界位的顏色不同于球形元件的外表面。球形元件的外表面優(yōu)選為亮色(例如白色)，而至少一個(gè)附加的外部定界位為暗色(例如黑色)。為了改善必須能夠例如每秒鐘獲取15幅圖像的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)所獲取的圖像，光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)還包括各向同性照明裝置9。照明裝置9被配置成至少沿球形元件3的位于數(shù)字揭^4/L6側(cè)的半個(gè)外表面的方向提供光束L?，F(xiàn)在參考圖2解釋球形元件或中空球體3的照明裝置9，其中所述球形元件或中空球體3配備有多個(gè)圓形條碼，并M置在定位裝置的構(gòu)件20、30、40的三個(gè)支撐點(diǎn)上。已證實(shí)對于光學(xué)位置識(shí)別，測量系統(tǒng)中的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)對照明的均勻性高度敏感。以前是利用設(shè)置在吸音室的吸收圓錐之間的LED型光源進(jìn)行照明。然而，，見察到在使用1W的LED時(shí)，其功率不足以提供良好的照明。此外，LED的孔徑角約為110°，這需要在LED前面使用聚焦透鏡。而且，將LED固定在吸音室內(nèi)和向LED供電會(huì)引發(fā)問題，因?yàn)橐媒饘賹?dǎo)線與各個(gè)LED形成連接，而這會(huì)不利于發(fā)射天線的輻射測量。在根據(jù)本發(fā)明的照明裝置中使用了一組光纖92，其中各纖維的一端設(shè)置在未示出的光源(150W)附近，用于接收光。例如，光源被放置在吸音室(未示出)外面。此光源可以是用于同軸顯微鏡照明的那種。這組光纖被聚集在塑料護(hù)套94中，以被引入吸音室直至塑料照明結(jié)構(gòu)90。所用光纖92優(yōu)選為合成纖維，其中位于光源側(cè)的一端與光源相距例如3.5cm以防止纖維燃燒。這些合成纖維因其具有柔韌性而易于處理。它們可以具有約為lmm的直徑。這組光纖將36才艮足夠長的光纖(4m)聚集到一起，它們受到塑料的外護(hù)套94的保護(hù)。這組光纖在外護(hù)套94內(nèi)還^皮分成由另外的外護(hù)套93保護(hù)的數(shù)小組光纖，優(yōu)選分成分別由另外的護(hù)套93保護(hù)的6個(gè)小組，其中每個(gè)小組具有6根光纖。每個(gè)小組的光纖的末端被固定在方形的塑料柱上，所述柱具有3.5cm的側(cè)邊和lcm的厚度。光纖的末端以彼此之間等距的方式設(shè)置在各個(gè)柱上，形成邊為1.5cm的等邊三角形的形狀。規(guī)則地將6個(gè)塑料柱91設(shè)置在環(huán)形照明結(jié)構(gòu)卯的周邊上。各個(gè)小組的固定在塑料柱上的光纖的末端被取向成沿球形元件的中心的方向引導(dǎo)光束。通過這種方式，由于光纖及其位于球形元件附近的配置使得球形元件受到均勻照明，且無需使用任何金屬材料。環(huán)形照明結(jié)構(gòu)卯設(shè)置在數(shù)字?jǐn)zH4^和球形元件3之間，但是靠近球形元件。它可以以機(jī)械的方式與定位裝置相連。照明結(jié)構(gòu)的尺寸略大于球形元件的直徑，其可約等于12cm。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，其可以設(shè)置成與球形元件相距1或2米，必須能夠借助照明結(jié)構(gòu)90觀察整個(gè)球形元件。現(xiàn)在，在下文中參照圖4-6描述用于確定發(fā)射天線輻射圖的測量系統(tǒng)中的才艮據(jù)本發(fā)明的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)的操作方式。首先應(yīng)注意到為了實(shí)現(xiàn)所有的測量操作，發(fā)射天線始終有效以產(chǎn)生其頻率為GHz量級(jí)的電磁場。具有發(fā)射天線的電子裝置因此自身包括有電源，諸如電池或者可充電的蓄電池，假定它密封在球形元件內(nèi)。利用這種測量系統(tǒng)能夠測量可密封在球形元件內(nèi)的例如便攜式電話(GSM)或者任何其它設(shè)備的發(fā)射天線。為了利用球形元件在其外表面上包含的多個(gè)圓形條碼來測量球形元件的位置，這類測量基于歐拉角G、cp、V,其定義了旋轉(zhuǎn)面的高度、方位角和極化。在機(jī)械應(yīng)用中，優(yōu)選利用歐拉角來確定固體(諸如球形元件)的位置。三維空間中的一點(diǎn)P通常用三個(gè)坐標(biāo)P(x，y，z)來表示。這些坐標(biāo)取決于所選擇(或者參照)的坐標(biāo)類型。Cartesian參考系包括三個(gè)正交向量x,y,z?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用的類型改變所用參考系以便于計(jì)算或顯示。物體或天線在空間中的位置用6個(gè)數(shù)值來表征。頭3個(gè)數(shù)值就是其重心的坐標(biāo)。另外3個(gè)數(shù)值是三個(gè)歐拉角e、(p、\|/(旋轉(zhuǎn)面的高度、方位角和極化)，圖4中僅示出了其中的兩個(gè)角。定位裝置可以將包含待測發(fā)射天線的球形元件放置在關(guān)于這三個(gè)歐拉角(高度e、方位角cp和極化vi/)的任意位置或取向(即整個(gè)空間)上。為了計(jì)算在三維空間中的旋轉(zhuǎn)，首先應(yīng)指出數(shù)字?jǐn)z像機(jī)產(chǎn)生所觀察的圖像的球面變形，所述圖像具體為定位裝置上的球形元件或中空球體的。在攝像機(jī)和球面元件之間的距離大于lm的情況下，誤差小于0.2%。忽略上述形成的球面變形，則容易計(jì)算第三個(gè)坐標(biāo)(在已經(jīng)測量了y，z的時(shí)候，通過方程義=(12卞2-22)1/2求出x)。三個(gè)歐拉角下的旋轉(zhuǎn)為稱作基變化的變換。這種變換的數(shù)學(xué)解析需要三個(gè)方程，即每個(gè)參考向量一個(gè)方程。然而，旋轉(zhuǎn)是一種等角(isometric)變換，其具有保持角度的特征。就本發(fā)明的球形元件而言，測量兩個(gè)變換向量就足以完全確定該基變化，因?yàn)槲粗牡谌齻€(gè)向量包含在上述等角特征中。用于解析該系統(tǒng)的極其簡單且有效的方式是通過頭兩個(gè)向量的向量積構(gòu)造第三個(gè)向量，并將其包括在矩陣解析系統(tǒng)中。將注意在測量階段之前，可以輕易地事先計(jì)算出關(guān)于各對向量的逆矩陣，并且將其存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)站的存儲(chǔ)器中，以降低處理器的負(fù)載和提高識(shí)別形狀或圓形條碼的能力。因此算出的矩陣R包括已經(jīng)用普通三角函數(shù)進(jìn)行變換過的數(shù)值。測量過程中，球形元件上被覆蓋的點(diǎn)數(shù)被示出。因此獲得與測量*有關(guān)的目標(biāo)數(shù)據(jù)。此分析基于旋轉(zhuǎn)矩陣。一經(jīng)計(jì)算，即獲得這三個(gè)歐拉角。考慮到e和cp，并且基于關(guān)于球面坐標(biāo)的圖4的圖，這意味著將要查看點(diǎn)p是否覆蓋了球s2上的所有點(diǎn)。這與觀察(e，cp)是否覆蓋了矩形R-[o,7cx[-7i，7i的所有點(diǎn)相同，其中e是p的經(jīng)度，cp是P的煒度。sz的南北極是球面坐標(biāo)的奇點(diǎn)。因此在計(jì)算e和cp時(shí)應(yīng)加以小心。關(guān)于定位裝置上的球形元件的位置或取向的識(shí)別，采用具有768x1024個(gè)像素的MOS黑白數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。該攝#^幾每秒鐘釆集15幅圖像，并且向計(jì)算機(jī)站提供相應(yīng)的曝光信號(hào)，其中所述計(jì)算機(jī)站包括所存儲(chǔ)的快速且準(zhǔn)確的識(shí)別軟件。由于攝#^幾為黑白攝#4^，因此能夠處理圖形的形狀，所述圖形優(yōu)選為圓形條碼10。選用的圖形(圓形條碼)的尺寸不超過12mm，其代表了球形元件的直徑的1/10"1。當(dāng)球形元件填滿攝^^幾獲取的圖像時(shí)，在12cm上存在768個(gè)像素，即每個(gè)圖形(12mm)上有76.8個(gè)像素，這是充足的?？紤]到球形元件的形狀，優(yōu)選用圓形條碼覆蓋球形元件的外表面。如果不考慮球形元件的凸度，在切面上的投影將圓變換成橢圓。圓的中心因此變換成橢圓的中心，其位置因此精確定義圓形條碼圖形的圓的位置。應(yīng)注意與計(jì)算機(jī)站合作的數(shù)字掘/f^也能夠通過控制對于攝像機(jī)可見的兩個(gè)條碼之間的位置和間距上的變化檢測球形元件的曲線運(yùn)動(dòng)或者平移運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)或平移速度也可以利用設(shè)置在球形元件上的各個(gè)圖形來確定。為了能夠在攝#^獲取的圖像中正確看到2個(gè)以上的圓形條碼，按照以下方式將14個(gè)圓形條碼分布在球形元件上各極點(diǎn)上2個(gè)，赤道上4個(gè)，各個(gè)半球上4個(gè)，正如在圖5中部分示出的那樣。位于半球上的各個(gè)圖形IO與極點(diǎn)和與赤道上的兩個(gè)圖形相距相同距離。因此用4位和外部定界位對14個(gè)圖形(圓形條碼)進(jìn)行編碼，所述外部定M如圖6所示通常為黑色且定義了圖形邊緣。各圓形條碼的中心定義最低有效位(LSB)，而外部位定義最高有效位(MSB)。狀態(tài)為1的各個(gè)位為黑色，而狀態(tài)為0的各個(gè)位為亮色，具體為白色。在圖形直徑為12mm的情況下，每個(gè)編碼條(encodingbar)有約7.68個(gè)像素。下面的表格用十六進(jìn)制碼和球面位置坐標(biāo)(cm)示出了球形元件外表面上的圖形位置<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>為了在計(jì)算機(jī)站中計(jì)算旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)矩陣定義球形元件相對于定位裝置上的初始位置的轉(zhuǎn)動(dòng)。然而，如果正在為測量系統(tǒng)建立輻射圖的話，通常所描述的旋轉(zhuǎn)是接收天線且因此數(shù)字?jǐn)z像機(jī)相對于包含被測發(fā)射天線的球形元件的旋轉(zhuǎn)。因此，這是良向旋轉(zhuǎn)(相對運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn))，其標(biāo)記為r1。由于r是等角變換，因此r"直接等于r的轉(zhuǎn)置(rT)。e、cp和v的角度值于是必須被重構(gòu)。通過以非常精確的順序調(diào)用反三角函數(shù)以明確任何可能的不確定性的程序執(zhí)行這種重構(gòu)。為了在計(jì)算機(jī)站7中處理由圖l所示的數(shù)字?jǐn)z^^幾6獲取的圖像，首先要實(shí)施校準(zhǔn)階段以檢測球形元件3的中心，并且其半徑得到測量。接著識(shí)別出該圖像的兩個(gè)圖形10(其為圓形條碼)，并且計(jì)算它們的位置。然后估算引入的計(jì)算誤差。為校準(zhǔn)該光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，計(jì)算經(jīng)過球形元件3的輪廓的圓的半徑和中心。該操作確定坐標(biāo)系，并且減少了要處理的圖像表面。只有一個(gè)方形區(qū)域4皮留下，并且該區(qū)域的半徑為0.95.側(cè)邊半徑(sideradius)且位于球形元件的中心。接著將該圖像數(shù)字化。通過統(tǒng)計(jì)的方法確定最佳閾值。關(guān)于通過儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)站中的識(shí)別軟件所進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理，編程循環(huán)計(jì)算拍攝的球形圖像的位置。在每次迭代中，對圖像進(jìn)行分析以確定最接近中心的兩個(gè)可見圖形及其像素的位置。然后計(jì)算歐拉角并將其儲(chǔ)存在表格中。最后保存所有的測量值。圖形位置檢測算法(識(shí)別軟件)需要精確的通用參考系(universalreferential)以防止在算出的位置中出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。因此開發(fā)了兩種自動(dòng)檢測算法，它們?yōu)殚撝捣ê徒换ハ嚓P(guān)法。閾值法基于借助閾值對輪廓的檢測。識(shí)別置于球形元件的頂部半球上的圓弧中的段上的上升緣。一旦發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)，則利用最小二乘法對相應(yīng)的圓的方程進(jìn)行插值(interpole)。在采用此算法時(shí)，將注意到因照明均勻性不足而在球形元件的邊緣上形成的陰影對輪廓的檢測形成干擾。因此需要更強(qiáng)的算法。交互相關(guān)法利用兩幅圖像的相關(guān)性來找出劃定球形元件輪廓的界限的圓的坐標(biāo)。第一圖像是由數(shù)字?jǐn)z^^幾6獲取的。第二圖像示出了位于黑色背景中心的其半徑已知的白色盤。如果計(jì)算交互相關(guān)函數(shù)，則最大值確定球形元件的中心。為了找出半徑，利用具有可變半徑的參考圓執(zhí)行計(jì)算迭代。對于具有200x200個(gè)像素的圖像，計(jì)算時(shí)間為秒的數(shù)量級(jí)。因此，處理具有768x1024個(gè)像素的圖像要花費(fèi)較長的時(shí)間。因此，只利用圖像的某些部分?；?點(diǎn)確定一個(gè)圓的知識(shí)，在該圖像中采集三個(gè)區(qū)域?；诮o出這3個(gè)區(qū)域的二維交互相關(guān)函數(shù)的和的最大值的函數(shù)，能夠檢測該最大值的行和列的索引，且因此計(jì)算球形元件的中心的位置。然后利用具有可變半徑的圖^f象重復(fù)這種計(jì)算。為此，采用幾何的方法。對于以步長25從280變化到380的半徑，重復(fù)計(jì)算4次。通過在該間隔內(nèi)以步長5重復(fù)5次識(shí)別出使交互相關(guān)函數(shù)最大的兩個(gè)半徑。在步長1下進(jìn)行的最后一次迭代確定該半徑。這種方法避免對所有的半徑進(jìn)行迭代。為了正確荻得這兩幅圖像的交互相關(guān)乘積，必須抵消它們的連續(xù)分量。因此，在交互相關(guān)乘積之前從原始圖像中減去該圖像元素的平均值。在幾次測試之后，觀察到所找出的半徑在很大程度上取決于DC分量的數(shù)值。在256級(jí)之上的連續(xù)數(shù)值具有值45。對于手動(dòng)檢測，要注意的是上述兩個(gè)算法的結(jié)果在很大程度上取決于照明且因此取決于源圖像的DC分量。這就是我們選擇由用戶進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)而不是自動(dòng)檢測的原因。人眼可以近似完美地辨認(rèn)出球形元件的輪廓，這防止出現(xiàn)任何不利的誤差，其會(huì)使所有的測量失真?，F(xiàn)在將描述圖形位置的檢測算法。最重要的是，與圖形識(shí)別相關(guān)聯(lián)的限制必須被明確定義。球形元件的照明引起一系列的鏡面反射，其會(huì)局部破壞圖形10(圓形條碼)的對比度，以及產(chǎn)生與物體位置和編碼有關(guān)的誤差。對于給定的旋轉(zhuǎn)速度和圖形位置，攝像機(jī)6的曝光時(shí)間使得在圖形的邊緣上形成模糊。取球邊緣上的一個(gè)圖形且旋轉(zhuǎn)速度為每秒l圏時(shí)，10ms的曝光時(shí)間所造成的模糊為A(K0ms.(27i/1000).0,06m,其等于4mm。最終選擇的曝光時(shí)間約為3ms。此外，如果兩個(gè)圖形之一靠近中心而另一個(gè)處于外圍且處于極化旋轉(zhuǎn)的情況下，這兩個(gè)圖形之間的角度會(huì)出現(xiàn)失真。實(shí)際的位置識(shí)別使用兩個(gè)函數(shù)，所述函數(shù)處理二值圖像且使用圖像處理算法。就圖形類型的檢測算法而言，一旦已確定球形元件的位置并且實(shí)現(xiàn)了對中心、長軸和短軸的計(jì)算，圖形識(shí)別程序就能夠確定正在觀察的圖形10。一旦這些圖形得到定義，則用它們的中心和2條軸線來表示它們。第一算法處理所檢測的圖形以選出最有代表性的半長軸。由于反射通常以較小對比度和較大光度的形式出現(xiàn)，因此比較沿兩個(gè)半長軸的平均光度，并且選擇最低的數(shù)值。由于全黑的圓是被禁止(prohibited)的圖形，因此第二算法沿所選擇的半長軸提取圖像線，然后通過減去平均值除去連續(xù)的水平。第三算法用代表這14個(gè)圖形的14個(gè)向量乘以上述獲得的輪廓并且求出其總和。通過從校準(zhǔn)階段獲得的球形元件的半徑中進(jìn)行計(jì)算而推導(dǎo)出這些向量的大小和半長軸的大小。通過這14個(gè)乘法-乘積中的最大值來確定該圖形。源向量的大小根據(jù)球形元件上的圖形的位置而變化，且在邊緣上較小。向量大小因此并非始終相同。假設(shè)源向量大小具有值N，不是從向量中去除元(element)，這會(huì)引起相移，而是將源向量的元重復(fù)5次(尺寸=5'N)。這些向量的大小因此相等，且該算法可以工作。算出的位置的e-cp曲線連續(xù)地顯示在計(jì)算機(jī)站的屏幕上。所獲取的圖像也可以得到實(shí)時(shí)顯示，其中這些圖形由矩形限定邊界。這使得所檢出的圖像易于得到觀察。其運(yùn)動(dòng)與球形元件的運(yùn)動(dòng)相對應(yīng)的立方體也可以得到顯示。這種顯示針對每幅圖像進(jìn)行更新。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則保留最近的正確位置。檢查計(jì)算的旋轉(zhuǎn)是否正確的一種方式是計(jì)算連續(xù)兩次旋轉(zhuǎn)之間的角度差。計(jì)算半徑為1的球上的一個(gè)點(diǎn)的連續(xù)兩次旋轉(zhuǎn)之間的距離。如果該距離大于特定的閾值，則存在錯(cuò)誤。從剛剛給出的描述中，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)出用于光學(xué)識(shí)別定位裝置上的物體的位置和/或運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)的多種變型，而不脫離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。檢測工具可以設(shè)置在定位裝置上，定位裝置可以通過計(jì)算機(jī)站進(jìn)行控制。設(shè)置在定位裝置上的物體可以是圓柱形或者卵形元件，其中在該物體的外表面上分布有圓形條碼。物體的外表面的顏色可以是暗色的，例如為黑色，而圖形的顏色可以是亮色的，例如為白色。權(quán)利要求1.一種用于光學(xué)識(shí)別定位裝置(2)上的物體(3)的位置和/或運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，該定位裝置(2)包括用于旋轉(zhuǎn)和/或沿曲線或直線路徑驅(qū)動(dòng)物體的工具，該系統(tǒng)包括用于檢測物體的位置或取向的光學(xué)工具(6)和用于由檢測工具提供的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理站(7)，一定數(shù)量的不同圖形或標(biāo)記(10)分布在所述物體的外表面上，各圖形在物體外表面上的布置使得與所述數(shù)據(jù)處理站相關(guān)聯(lián)的檢測工具能夠確定所述定位裝置上的物體的位置或取向，其特征在于該物體是用于電子裝置(4)的球形支撐元件，并且所述圖形或標(biāo)記由彼此不同的圓形條碼(10)形成，所述條碼規(guī)則間隔且均勻分布在所述球形元件的外表面上，各圓形條碼定義定位裝置上的球形元件(3)的精確位置。2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于14個(gè)不同的圓形條碼以規(guī)則的間隔分布在所述球形物體的外表面上，每個(gè)圓形條碼包括一組同心環(huán)并且用4位和外部定^i進(jìn)行編碼，其中，每個(gè)環(huán)形位的狀態(tài)用與所述球形元件的外表面顏色相同或不同的顏色來定義，所述外部定界位的顏色不同于所述球形元件的外表面顏色以限定各圖形的邊緣。3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于每個(gè)圓形條碼的尺寸接近所述球形物體的直徑的1/10。4.如權(quán)利要求l所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于該物體是由兩部分形成的中空^>形元件，所述兩部分安裝在彼此的頂部上以包封所述電子裝置。5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述物體的外表面是亮色的，例如為白色；而各個(gè)圖形是暗色的，例如為黑色。6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)檢測工具包括與所述數(shù)據(jù)處理站(7)相連的數(shù)字插/fl^幾(6)，且該數(shù)字?jǐn)z#4^是具有768x1024個(gè)像素的黑白MOS攝^4幾，其能夠每秒拍攝10幅以上的圖像、優(yōu)選每秒拍攝15幅圖像。7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于其包括照明裝置(9),所述照明裝置(9)用于以均勻的方式照亮對于所述光學(xué)檢測工具可視的所述球形物體的外表面，其中所述光學(xué)檢測工具諸如為數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述照明裝置包括一組光纖(92),其引導(dǎo)由遠(yuǎn)離所述球形元件的光源產(chǎn)生的光，以提供均勻光束，從而改善由所述數(shù)字?jǐn)z^4^獲取的具有各個(gè)可視圖形(10)的球形物體的圖像。9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述一組光纖被分成數(shù)個(gè)小組(93)的光纖，其中位于所述球形元件(3)附近的每個(gè)小組的光纖的末端^皮固定在照明結(jié)構(gòu)(卯)上的塑料柱(91)中；并且所述照明結(jié)構(gòu)形成環(huán)，在所述環(huán)的整個(gè)外周上彼此間隔相同距離地設(shè)置有數(shù)個(gè)塑料柱(91)以用于這些小組的光纖的末端，例如設(shè)置有6個(gè)塑料柱，所述環(huán)在數(shù)字?jǐn)z^^幾(6)的側(cè)部被放置在球形物體的前面，而不會(huì)阻礙數(shù)字?jǐn)z像機(jī)對物體的觀察；并且每個(gè)小組的光纖的末端被取向成沿所述球形物體的中心的方向引導(dǎo)光束。10.如權(quán)利要求8和9中任一項(xiàng)所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于每個(gè)小組的光纖數(shù)量至少是兩根光纖、優(yōu)選6根光纖，所述光纖的固定在塑料柱之一上的末端被設(shè)置成等邊三角形的形式，其中所述塑料柱彼此間隔相同的3巨離。11.如前述^L利要求中任一項(xiàng)所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述球形物體通過重力被放置和保持在所述定位裝置(2)的三個(gè)支撐點(diǎn)(P，P，，P")上，其中一個(gè)支撐點(diǎn)由接觸所迷^l形物體外表面的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件(20,21,22)形成，以使所述物體在定位裝置上隨意地沿各個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)構(gòu)件(20)是輪子(21)，其與所述球形物體的外表面接觸以驅(qū)動(dòng)所述物體旋轉(zhuǎn)，所述輪子的旋轉(zhuǎn)軸安裝在支架(22)的末端上，所述支架(22)能夠沿貫穿所述輪子在球形物體外表面上的接觸點(diǎn)和所述物體的中心的另一軸線旋轉(zhuǎn)，以便通過該輪子使球形物體沿所有方向隨意旋轉(zhuǎn)。13.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述定位裝置的另兩個(gè)支撐點(diǎn)分別由球窩接頭(30，40)形成，其中球(31)被放置成在所述球窩接頭的末端殼體(32)內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，以使所述球的一部分從該殼體上的開口中露出，從而與所述球形元件(3)的外表面形成接觸。14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述球窩接頭的容納球的部分是用于引入壓縮空氣的噴嘴，以使該球在空氣墊上被保持在該殼體內(nèi)。全文摘要一種用于光學(xué)識(shí)別定位裝置上的物體的位置和運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。該光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)確定定位裝置(2)上的物體(3)的位置和/或運(yùn)動(dòng)。該定位裝置包括用于旋轉(zhuǎn)和/或沿曲線或直線路徑驅(qū)動(dòng)物體的工具(20，21，22)。該光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)包括用于檢測物體的位置或取向的光學(xué)檢測工具，諸如數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(6)，和用于由檢測工具提供的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理站(7)。一定數(shù)量的不同的圖形或標(biāo)記分布在物體的外表面上。各個(gè)圖形在物體外表面上的布置使得與數(shù)據(jù)處理站相關(guān)聯(lián)的檢測工具能夠確定定位裝置上的物體的位置或取向。圖形由圓形條碼(10)形成，其中各圓形條碼定義定位裝置上的物體(3)的精確位置。文檔編號(hào)G01S17/74GK101506670SQ200780030805公開日2009年8月12日申請日期2007年6月6日優(yōu)先權(quán)日2006年6月23日發(fā)明者A·卡薩格蘭德,M·格蘭奇申請人:斯沃奇集團(tuán)研究和開發(fā)有限公司