[论文解读] Accurate Control of a Pan-tilt System Based on Parameterization of Rotational Motion

Jung-Hyun Byun, Seung Ho Chae+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Advanced Vision and Imaging被引用 3

一句话总结

本文提出了一种参数化运动模型，通过建模沿大圆轨迹的旋转并校准三维旋转轴参数，实现对用户自行组装的云台系统进行精确控制。该方法通过逆运动学实现精确位姿估计，与理想化模型相比，显著提升了在世界坐标系中的目标定位精度。

ABSTRACT

A pan-tilt camera system has been adopted by a variety of fields since it can cover a wide range of region compared to a single fixated camera setup. Yet many studies rely on factory-assembled and calibrated platforms and assume an ideal rotation where rotation axes are perfectly aligned with the optical axis of the local camera. However, in a user-created setup where a pan-tilting mechanism is arbitrarily assembled, the kinematic configurations may be inaccurate or unknown, violating ideal rotation. These discrepancies in the model with the real physics result in erroneous servo manipulation of the pan-tilting system. In this paper, we propose an accurate control mechanism for arbitrarily-assembled pan-tilt camera systems. The proposed method formulates pan-tilt rotations as motion along great circle trajectories and calibrates its model parameters, such as positions and vectors of rotation axes, in 3D space. Then, one can accurately servo pan-tilt rotations with pose estimation from inverse kinematics of their transformation. The comparative experiment demonstrates out-performance of the proposed method, in terms of accurately localizing target points in world coordinates, after being rotated from their captured camera frames.

研究动机与目标

• 解决由于旋转轴错位导致的用户自行组装云台系统中伺服控制不准确的问题。
• 克服工厂校准系统假设旋转轴与相机光学轴理想对齐的局限性。
• 开发一种校准方法，准确建模任意组装的云台机构在真实世界中的运动学偏差。
• 通过校准模型上的逆运动学计算，实现在世界坐标系中的精确位姿估计和目标定位。
• 在旋转后不同相机帧中定位点的表现方面，证明优于理想化模型。

提出的方法

• 将云台旋转建模为在单位球面上沿大圆轨迹的运动，以精确描述旋转运动学。
• 利用观测到的运动数据校准俯仰和仰角旋转轴的三维位置和方向向量。
• 利用从球面运动模型推导出的几何约束参数化系统，以表示真实世界中与理想旋转的偏差。
• 应用逆运动学计算实现世界坐标系中期望目标位姿所需的伺服角度。
• 使用变换矩阵基于校准模型将相机帧坐标映射到世界坐标。
• 将校准模型集成到伺服控制回路中，实现云台系统的精确且可重复的定位。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在旋转轴错位的情况下，对非理想、用户自行组装的云台系统实现精确控制？
• RQ2 与理想化旋转模型相比，将旋转建模为大圆轨迹在位姿估计精度方面能提升多少？
• RQ3 参数化的三维旋转轴模型能否有效捕捉并校正任意云台设置中的运动学偏差？
• RQ4 所提出的校准方法在相机帧旋转后如何提升世界坐标系中的目标定位精度？
• RQ5 与标准工厂校准或理想化模型相比，使用校准模型在位姿精度方面能获得多大的性能提升？

主要发现

• 所提出的方法在相机帧旋转后，显著提升了在世界坐标系中的目标定位精度。
• 对三维旋转轴参数的校准使得即使在非理想、用户自行组装的云台系统中，也能实现基于逆运动学的精确伺服控制。
• 将旋转建模为大圆轨迹能有效捕捉错位云台机构的真实运动学行为。
• 对比实验确认，所提出方法在定位精度方面优于理想化模型。
• 校准后的系统在多次旋转序列中实现了更一致且可重复的定位。
• 该方法无需工厂校准或机械部件的完美对齐，即可实现精确的位姿估计。