专利名称：：用于光学识别定位装置上的物体的位置和运动的系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及用于光学识别定位装置上的物体的位置和/或运动的系统。该定位装置包括用于旋转和/或沿曲线或直线路径驱动物体的工具。该系统还包括用于光学检测物体的位置或取向的工具，和用于由检测工具提供的数据的数据处理站。
背景技术：
：为了识别物体的位置和/或取向，一些光学识别系统能够大体确定物体在其支架上(例如，在定位装置上)的轮廓。为此，光学检测工具(诸如摄像机)能够拍摄至少一幅物体轮廓图像以向数据信号处理站提供与物体轮廓有关的数据信号。在处理站中，在所检测到的物体轮廓与存储的参考形状之间作比较，其中参考形状在空间中的位置是已知的。基于这种比较，处理系统于是能够确定物体在定位装置上的位置或取向。这些光学识别系统的一个缺陷实质上在于以下事实，即通过其轮廓确定的物体位置或取向不精确。此外，如果物体为球形则不能使用这些识别系统，因为物体轮廓的测定在任何位置或取向上都一样。这些光学识别系统因此不能被用在例如用于测量发射天线的辐射图(radiationdiagram)的系统中，其中所述发射天线^M置在中空球形物体中，而所述中空球形物体在定位装置上受到驱动而进行旋转。法国专利No2590681^Hf了一种用于跟踪^没在宇宙飞船上的具有祐:动目标图形的物体的系统。该跟踪系统包括近距离传感器电路，其包括数字成像装置和沿物体上的目标图形方向发射光的光源。用来自光源的光束扫过物体以允许成像装置识别各种定位目标图形。这些目标图形彼此不同，且形成平行的具有矩形或梯形形状的条码。例如四个这些条码相互间隔一定距离地分布在物体的平坦表面上。这种跟踪系统的一个缺陷在于它不能精确测量物体相对于传感器电路的位置。此外，它不能检测物体在定位装置上的有限角取向。
发明内容因此，本发明的目标是提供一种系统，其在物体的所有角取向上筒单、快速地以精确的方式光学识别物体在定位装置上的位置和/或运动，以克服上述现有技术的缺陷。本发明因此涉及一种用于光学识别物体在定位装置上的位置和/或运动的系统，其包括在独立权利要求l中定义的特征。该识别系统的具体实施例在从属权利要求2-14中得到定义。根据本发明的光学识别系统的一个优点在于以下事实，即各种图形或标记均匀分布在优选为球形的物体的外表面上。有利的是，这些图形是4位编码的圆形条码，且在例如为亮色(白色)的物体的外表面上具有例如为黑色的附加外部定界位。这使得与其中存有位置识别算法的数据处理站相关联的检测工具(诸如数字摄#^几)能够识别随着时间的推移物体的各个位置。有利的是，定位装置包括由接触物体外表面的轮子形成的驱动构件和用于所述驱动轮的支架，其中在所述定位装置上，球形物体祐j文置并且通过重力作用保持在三个支撑点上。轮子的旋转轴安装在支架的末端，所述支架能够沿另一轴线旋转，所述另一轴线穿过轮子在球形物体的外表面上的接触点和球形物体的中心。以可旋转的方式安装在定位装置的机械结构上的支架和驱动轮可以借助压缩空气工具而被驱动旋转。为使数字摄#^几能够获取良好的图像，有利地向球形物体的可见表面提供各向同性(均匀的)照明装置。一组光纤引导由远处光源提供的光以照亮物体。在物体附近将光纤组分成数个小组。一个小组的光纤(例如，每个小组有6根光纤)的末端安装在塑料柱上，所述柱固定在照明结构上。以相互间隔相等距离的方式将6个塑料柱固定在照明结构上，所述柱优选分别保持6根光纤的末端。该照明结构被构造成环形，且刚好在数字摄像机的侧部(side)放置在物体的前方，而不会阻碍数字摄像机对物体的观察。用于光学识别定位装置上的物体的位置和/或运动的系统的目标、优点和特征将通过参考附图从以下描述中更清楚地显现出来，在附图中图1以简化的方式示出了构成根据本发明的光学识别系统的各种元件，其中所述光学识别系统形成发射天线的辐射图测量系统的一部分；图2示出了用于照明物体的照明装置的一部分，所述物体^L定义为放置在根据本发明的光学识别系统的定位装置上的球形元件；图3a和3b示出了根据本发明的光学识别系统的定位装置的球窝接头的局部纵向横截面图和俯视图4示出了用于确定物体位置的球面坐标的图示，其中所述物体为根据本发明的光学识别系统的定位装置上的球形元件；图5示出了球形物体的外表面上的图形或标记的位置，其中所述图形或标记用于确定才艮据本发明的光学识别系统的定位装置上的物体的位置；以及图6示出了根据本发明的光学识别系统的为圆形条码形式的图形，其中所述条码4&故置在球形物体的外表面上以确定其位置或取向。具体实施例方式在以下描述中，用于光学识别物体在定位装置上的位置和/或运动的系统的所有为本领域技术人员公知的元件将只作简单解释。应注意该光学识别系统可以不受限制地用于其中需要知道设在支架或定位装置上的物体的精确位置的各种应用场合。该物体还可以是用于拾取射频信号的接收天线，其必须在定位装置上获得精确定向。该物体还可以是投影仪、扩音器、指示器、或者任何其它的电子物体或仪器。然而，在以下描述中将只涉及形成用于电子装置的发射天线的辐射测量系统的一部分的光学识别系统。图1示意性地示出了定位装置2上的物体3的光学识别系统的所有元件，其中所述光学识别系统形成用于电子发射机装置4的发射天线4，的辐射图测量系统l的一部分。实质上，测量系统1首先包括定位装置2,在该定位装置2上，物体被放置且在重力作用下被保持在构件20、30、40的三个支撑点P、P，、P"上，其中物体被构造成例如用于电子装置的球形支撑元件3。具有必须得到测量的发射天线4，的所述电子装置保持在中空的J求形元件3内部，球形元件3包括两部分，所述两部分通过任何已知方式装在对方的顶部上以密封该电子装置。发射天线4，优选设置成靠近球形元件或中空球体的中心。该测量系统还包括设有至少一根接收天线5，的接收器装置5,所述接收天线5，用于拾取来自发射天线4'的电磁场(RT信号)；用于检测正在定位装置2上运动的球形元件的位置或取向的工具6。该球形元件包括一定数量的图形或标记10，这些图形或标记10分布在该元件的外表面上(将在下面进行解释)并且被用于确定球形元件的位置。与接收天线拾取的电磁场有关的信号和由检测工具提供的位置信号或自动或经请求传给数据处理站，其中所述数据处理站优选为计算机站7。可以与计算机站无关地或者通过所述计算机站向接收器装置5和由数字摄^4几6形成的检测工具供电。数字摄ll^优选具有768x1024个像素的黑白MOS摄#4^,其被设置成与物体相距约1米或数米。可以在数字揭^4几和计算机站之间设置采集卡，以使所获取的图像信号适于被传递给计算机站。该数字摄像机卡、具体为标为PCI6229的卡由于用于IEEE1394摄#4几的NI-IMAQ模块设有火线连接，并且它能够产生或获取数字或模拟信号。为简化图l，定位装置2仅用构件20、30、40来表示，所述构件20、30、40承载球形元件3以测量由测量系统的发射天线产生的电磁场。定位装置2因此包括与球形元件的外表面形成接触的驱动构件20。该驱动构件被构造成使球形元件3在定位装置上随机地朝各个方向旋转。驱动构件20由轮子21形成，所述轮子21与球形元件的外表面形成接触以驱动所述元件旋转。该轮子可包括用橡胶制成的环形元件，其设置在滑轮的圆形凹槽中以无滑动地驱动球形元件。轮子21的旋转轴安装在支架22或棒的末端。支架22能够沿穿过轮子在球形元件外表面上的接触点P和所述元件的中心的另一轴线旋转。这意味着通过该轮子可以沿各个方向上使球形元件进行任意的旋转。该球形元件经过所有的位置估计需要10分钟时间。在这段时间内，可以对由发射天线发射的电磁场进行约6000次测量。定位装置2还包括两个球窝接头30和40，下面参考图3a和3b对其进行解释。球窝接头中的各个球被设置成与球形元件3的外表面形成接触。因此，轮子21的接触和这两个球窝接头30、40的球的接触形成三个支撑点P、P，、P",而球形元件依靠在这三个支撑点上。这三个支撑点规则间隔以形成等边三角形的端点，其中所述等边三角形优选水平设置。当然，球形元件3的重心必须落在该等边三角形内的任一位置上以保持在该定位装置上。各支撑点之间的间距必须优选大于球形元件的半径，且小于所述球形元件的半径的1.5倍。作为现有装置的三个驱动轮(其形成球形元件的三个支撑点)的替换，该单独的驱动轮21在接触球形元件外表面时不再打滑。这允许球形元件3高度均匀地随意描述整个位置空间。该驱动轮优选由电动机或压缩空气涡轮机(未示出)驱动，所述电动机或压缩空气涡轮机靠近所述轮子21被安置在支架中、或者被安置在轮子的旋转轴上。在支架中形成至少一条压缩空气软管或筒以使压缩空气从压缩空气箱朝向电动机进行循环流动。可以用另一电动才几或压缩空气涡轮4几驱动驱动轮21的支架22旋转。在这种情况下，位于所述电动机和支架22之间的一组滑轮和驱动带(未示出)可以向支架施加所需要的旋转以使驱动轮的旋转轴旋转。通过该单独的驱动轮，球形元件不再在这三个支撑点上跳起。唯一观察到的球形元件远离中心的运动是因其固有的不圆度和毫米量级的轴承(滑轮)间隙引起的。这会在测量系统中引入约0.05度的角计算误差，而该误差可以忽略不计。图3a和3b示出了定位装置的球窝接头30之一，其被用作球形元件的支撑点之一。球窝接头30，其可具有近似圆柱形的外部形状，包括用于合成球的壳体32。该壳体的大小使得球能够在壳体内自由旋转。该壳体可以是球形或者圆柱形。优选，球窝接头由具有^^擦系数的非导电性材料(诸如Teflon)制成以用于自由旋转的球。球31的一部分通过球窝接头30上的顶部开口从壳体32中露出，以接触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，施加在球上的支撑点P，上。该开口的直径小于球的直径以便将球保持在壳体32内部。对于球形壳体，球窝接头包括两部分，这两部分沿纵向安装在对方上以将球限制在壳体内。然而，对于圆柱形壳体，顶部开口形成在部分封闭壳体的盖子(未示出)上。球窝接头还4皮构造成喷嘴的形式，以通过球窝接头中的管子33直接将压缩空气引入球的壳体32。球因此在空气垫上被保持在其壳体内。如果球形元件3仅^J故置在两个流量可调的压缩空气喷嘴上，而第三个支撑点是驱动轮，因此容易使球形元件漂浮和旋转。然而，在一些情况下，振荡运动驱动球形元件。该元件靠近喷嘴，喷嘴增大空气压力并且将其轻微弹出。如果局部压力以及因此的支撑作用力减小，球形元件则回落在喷嘴上，喷嘴然后再次将其弹出。因此，在压缩空气喷嘴的情况下，必须根据球的重量调节空气压力，这由根据本发明的球窝接头解决。一线压缩空气在球周围离开壳体开口，所述压缩空气的压力取决于球形元件的重量，这避免了简单的压缩空气喷嘴的问题。可以自由地驱动该球形元件旋转，而在各个方向上均无波动。为了克服与球形元件在三个支撑点上缺乏平衡相关的问题，可以通过将额外的球窝接头或者压力球形接头引至球体顶端来增加球形元件的重量。可以利用在压缩空气管中滑动并且在球形元件上产生恒定作用力的球(类似弹簧)来形成该球窝接头。与驱动轮接触的该法向压力使所述轮子能更好地附着。该具有数字摄^4^的测量系统的大多数部件都放置在吸音室内，所述吸音室由图1中引用8的元件示出。这防止由发射天线4，产生的电磁场反射到可能对发射天线辐射测量有害的障碍物上。此外，定位装置2的位于发射天线附近(即在所述腔室内部)的部分不能用金属材料制造，以使这些部分不对发射天线4，产生的电磁场的测量形成干扰。定位装置2的驱动工具利用压缩空气来操作，其中所述驱动工具用塑料或者非导电材料制造。这些驱动工具可以是电动机或通过具有龙头的管子与压缩空气箱连接的压缩空气涡轮机。用于沿两条轴线驱动轮子和轮子支架的这些非金属的电动机因此可以放置在发射天线附近。为了精确确定球形元件3和因此球形元件3所包含且必须得到测量的发射天线4，的位置或取向，在球形元件3的外表面上设置特殊的图形或标记10。这些图形和标记由圆形条码形成，其中各圆形条码定义球形元件在定位装置上的准确位置。各圓形条码10可印刷或粘结到球体外表面上，或者通过其它手段形成。例如，存在14个不同的圆形条码，这些条码具有相同的直径且均勻分布在球形元件的外表面上，这将在下文中参考图5和6进行解释。各圆形条码釆用4个位和一个外部定^i进行编码，其中所述外部定界位的颜色不同于球形元件的外表面。球形元件的外表面优选为亮色(例如白色)，而至少一个附加的外部定界位为暗色(例如黑色)。为了改善必须能够例如每秒钟获取15幅图像的数字摄像机所获取的图像，光学识别系统还包括各向同性照明装置9。照明装置9被配置成至少沿球形元件3的位于数字揭^4/L6侧的半个外表面的方向提供光束L。现在参考图2解释球形元件或中空球体3的照明装置9，其中所述球形元件或中空球体3配备有多个圆形条码，并M置在定位装置的构件20、30、40的三个支撑点上。已证实对于光学位置识别，测量系统中的光学识别系统对照明的均匀性高度敏感。以前是利用设置在吸音室的吸收圆锥之间的LED型光源进行照明。然而，，见察到在使用1W的LED时，其功率不足以提供良好的照明。此外，LED的孔径角约为110°，这需要在LED前面使用聚焦透镜。而且，将LED固定在吸音室内和向LED供电会引发问题，因为要用金属导线与各个LED形成连接，而这会不利于发射天线的辐射测量。在根据本发明的照明装置中使用了一组光纤92，其中各纤维的一端设置在未示出的光源(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轴显微镜照明的那种。这组光纤被聚集在塑料护套94中，以被引入吸音室直至塑料照明结构90。所用光纤92优选为合成纤维，其中位于光源侧的一端与光源相距例如3.5cm以防止纤维燃烧。这些合成纤维因其具有柔韧性而易于处理。它们可以具有约为lmm的直径。这组光纤将36才艮足够长的光纤(4m)聚集到一起，它们受到塑料的外护套94的保护。这组光纤在外护套94内还^皮分成由另外的外护套93保护的数小组光纤，优选分成分别由另外的护套93保护的6个小组，其中每个小组具有6根光纤。每个小组的光纤的末端被固定在方形的塑料柱上，所述柱具有3.5cm的侧边和lcm的厚度。光纤的末端以彼此之间等距的方式设置在各个柱上，形成边为1.5cm的等边三角形的形状。规则地将6个塑料柱91设置在环形照明结构卯的周边上。各个小组的固定在塑料柱上的光纤的末端被取向成沿球形元件的中心的方向引导光束。通过这种方式，由于光纤及其位于球形元件附近的配置使得球形元件受到均匀照明，且无需使用任何金属材料。环形照明结构卯设置在数字摄H4^和球形元件3之间，但是靠近球形元件。它可以以机械的方式与定位装置相连。照明结构的尺寸略大于球形元件的直径，其可约等于12cm。数字摄像机，其可以设置成与球形元件相距1或2米，必须能够借助照明结构90观察整个球形元件。现在，在下文中参照图4-6描述用于确定发射天线辐射图的测量系统中的才艮据本发明的光学识别系统的操作方式。首先应注意到为了实现所有的测量操作，发射天线始终有效以产生其频率为GHz量级的电磁场。具有发射天线的电子装置因此自身包括有电源，诸如电池或者可充电的蓄电池，假定它密封在球形元件内。利用这种测量系统能够测量可密封在球形元件内的例如便携式电话(GSM)或者任何其它设备的发射天线。为了利用球形元件在其外表面上包含的多个圆形条码来测量球形元件的位置，这类测量基于欧拉角G、cp、V,其定义了旋转面的高度、方位角和极化。在机械应用中，优选利用欧拉角来确定固体(诸如球形元件)的位置。三维空间中的一点P通常用三个坐标P(x，y，z)来表示。这些坐标取决于所选择(或者参照)的坐标类型。Cartesian参考系包括三个正交向量x,y,z。可以根据应用的类型改变所用参考系以便于计算或显示。物体或天线在空间中的位置用6个数值来表征。头3个数值就是其重心的坐标。另外3个数值是三个欧拉角e、(p、\|/(旋转面的高度、方位角和极化)，图4中仅示出了其中的两个角。定位装置可以将包含待测发射天线的球形元件放置在关于这三个欧拉角(高度e、方位角cp和极化vi/)的任意位置或取向(即整个空间)上。为了计算在三维空间中的旋转，首先应指出数字摄像机产生所观察的图像的球面变形，所述图像具体为定位装置上的球形元件或中空球体的。在摄像机和球面元件之间的距离大于lm的情况下，误差小于0.2%。忽略上述形成的球面变形，则容易计算第三个坐标(在已经测量了y，z的时候，通过方程义=(12卞2-22)1/2求出x)。三个欧拉角下的旋转为称作基变化的变换。这种变换的数学解析需要三个方程，即每个参考向量一个方程。然而，旋转是一种等角(isometric)变换，其具有保持角度的特征。就本发明的球形元件而言，测量两个变换向量就足以完全确定该基变化，因为未知的第三个向量包含在上述等角特征中。用于解析该系统的极其简单且有效的方式是通过头两个向量的向量积构造第三个向量，并将其包括在矩阵解析系统中。将注意在测量阶段之前，可以轻易地事先计算出关于各对向量的逆矩阵，并且将其存储在计算机站的存储器中，以降低处理器的负载和提高识别形状或圆形条码的能力。因此算出的矩阵R包括已经用普通三角函数进行变换过的数值。测量过程中，球形元件上被覆盖的点数被示出。因此获得与测量*有关的目标数据。此分析基于旋转矩阵。一经计算，即获得这三个欧拉角。考虑到e和cp，并且基于关于球面坐标的图4的图，这意味着将要查看点p是否覆盖了球s2上的所有点。这与观察(e，cp)是否覆盖了矩形R-[o,7cx[-7i，7i的所有点相同，其中e是p的经度，cp是P的炜度。sz的南北极是球面坐标的奇点。因此在计算e和cp时应加以小心。关于定位装置上的球形元件的位置或取向的识别，采用具有768x1024个像素的MOS黑白数字摄像机。该摄#^几每秒钟釆集15幅图像，并且向计算机站提供相应的曝光信号，其中所述计算机站包括所存储的快速且准确的识别软件。由于摄#^几为黑白摄#4^，因此能够处理图形的形状，所述图形优选为圆形条码10。选用的图形(圆形条码)的尺寸不超过12mm，其代表了球形元件的直径的1/10"1。当球形元件填满摄^^几获取的图像时，在12cm上存在768个像素，即每个图形(12mm)上有76.8个像素，这是充足的。考虑到球形元件的形状，优选用圆形条码覆盖球形元件的外表面。如果不考虑球形元件的凸度，在切面上的投影将圆变换成椭圆。圆的中心因此变换成椭圆的中心，其位置因此精确定义圆形条码图形的圆的位置。应注意与计算机站合作的数字掘/f^也能够通过控制对于摄像机可见的两个条码之间的位置和间距上的变化检测球形元件的曲线运动或者平移运动。旋转或平移速度也可以利用设置在球形元件上的各个图形来确定。为了能够在摄#^获取的图像中正确看到2个以上的圆形条码，按照以下方式将14个圆形条码分布在球形元件上各极点上2个，赤道上4个，各个半球上4个，正如在图5中部分示出的那样。位于半球上的各个图形IO与极点和与赤道上的两个图形相距相同距离。因此用4位和外部定界位对14个图形(圆形条码)进行编码，所述外部定M如图6所示通常为黑色且定义了图形边缘。各圆形条码的中心定义最低有效位(LSB)，而外部位定义最高有效位(MSB)。状态为1的各个位为黑色，而状态为0的各个位为亮色，具体为白色。在图形直径为12mm的情况下，每个编码条(encodingbar)有约7.68个像素。下面的表格用十六进制码和球面位置坐标(cm)示出了球形元件外表面上的图形位置<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>为了在计算机站中计算旋转，旋转矩阵定义球形元件相对于定位装置上的初始位置的转动。然而，如果正在为测量系统建立辐射图的话，通常所描述的旋转是接收天线且因此数字摄像机相对于包含被测发射天线的球形元件的旋转。因此，这是良向旋转(相对运动的旋转)，其标记为r1。由于r是等角变换，因此r"直接等于r的转置(rT)。e、cp和v的角度值于是必须被重构。通过以非常精确的顺序调用反三角函数以明确任何可能的不确定性的程序执行这种重构。为了在计算机站7中处理由图l所示的数字摄^^几6获取的图像，首先要实施校准阶段以检测球形元件3的中心，并且其半径得到测量。接着识别出该图像的两个图形10(其为圆形条码)，并且计算它们的位置。然后估算引入的计算误差。为校准该光学识别系统，计算经过球形元件3的轮廓的圆的半径和中心。该操作确定坐标系，并且减少了要处理的图像表面。只有一个方形区域4皮留下，并且该区域的半径为0.95.侧边半径(sideradius)且位于球形元件的中心。接着将该图像数字化。通过统计的方法确定最佳阈值。关于通过储存在计算机站中的识别软件所进行的数据处理，编程循环计算拍摄的球形图像的位置。在每次迭代中，对图像进行分析以确定最接近中心的两个可见图形及其像素的位置。然后计算欧拉角并将其储存在表格中。最后保存所有的测量值。图形位置检测算法(识别软件)需要精确的通用参考系(universalreferential)以防止在算出的位置中出现系统误差。因此开发了两种自动检测算法，它们为阈值法和交互相关法。阈值法基于借助阈值对轮廓的检测。识别置于球形元件的顶部半球上的圆弧中的段上的上升缘。一旦发现这些点，则利用最小二乘法对相应的圆的方程进行插值(interpole)。在采用此算法时，将注意到因照明均匀性不足而在球形元件的边缘上形成的阴影对轮廓的检测形成干扰。因此需要更强的算法。交互相关法利用两幅图像的相关性来找出划定球形元件轮廓的界限的圆的坐标。第一图像是由数字摄^^几6获取的。第二图像示出了位于黑色背景中心的其半径已知的白色盘。如果计算交互相关函数，则最大值确定球形元件的中心。为了找出半径，利用具有可变半径的参考圆执行计算迭代。对于具有200x200个像素的图像，计算时间为秒的数量级。因此，处理具有768x1024个像素的图像要花费较长的时间。因此，只利用图像的某些部分。基于3点确定一个圆的知识，在该图像中采集三个区域。基于给出这3个区域的二维交互相关函数的和的最大值的函数，能够检测该最大值的行和列的索引，且因此计算球形元件的中心的位置。然后利用具有可变半径的图^f象重复这种计算。为此，采用几何的方法。对于以步长25从280变化到380的半径，重复计算4次。通过在该间隔内以步长5重复5次识别出使交互相关函数最大的两个半径。在步长1下进行的最后一次迭代确定该半径。这种方法避免对所有的半径进行迭代。为了正确荻得这两幅图像的交互相关乘积，必须抵消它们的连续分量。因此，在交互相关乘积之前从原始图像中减去该图像元素的平均值。在几次测试之后，观察到所找出的半径在很大程度上取决于DC分量的数值。在256级之上的连续数值具有值45。对于手动检测，要注意的是上述两个算法的结果在很大程度上取决于照明且因此取决于源图像的DC分量。这就是我们选择由用户进行手动校准而不是自动检测的原因。人眼可以近似完美地辨认出球形元件的轮廓，这防止出现任何不利的误差，其会使所有的测量失真。现在将描述图形位置的检测算法。最重要的是，与图形识别相关联的限制必须被明确定义。球形元件的照明引起一系列的镜面反射，其会局部破坏图形10(圆形条码)的对比度，以及产生与物体位置和编码有关的误差。对于给定的旋转速度和图形位置，摄像机6的曝光时间使得在图形的边缘上形成模糊。取球边缘上的一个图形且旋转速度为每秒l圏时，10ms的曝光时间所造成的模糊为A(K0ms.(27i/1000).0,06m,其等于4mm。最终选择的曝光时间约为3ms。此外，如果两个图形之一靠近中心而另一个处于外围且处于极化旋转的情况下，这两个图形之间的角度会出现失真。实际的位置识别使用两个函数，所述函数处理二值图像且使用图像处理算法。就图形类型的检测算法而言，一旦已确定球形元件的位置并且实现了对中心、长轴和短轴的计算，图形识别程序就能够确定正在观察的图形10。一旦这些图形得到定义，则用它们的中心和2条轴线来表示它们。第一算法处理所检测的图形以选出最有代表性的半长轴。由于反射通常以较小对比度和较大光度的形式出现，因此比较沿两个半长轴的平均光度，并且选择最低的数值。由于全黑的圆是被禁止(prohibited)的图形，因此第二算法沿所选择的半长轴提取图像线，然后通过减去平均值除去连续的水平。第三算法用代表这14个图形的14个向量乘以上述获得的轮廓并且求出其总和。通过从校准阶段获得的球形元件的半径中进行计算而推导出这些向量的大小和半长轴的大小。通过这14个乘法-乘积中的最大值来确定该图形。源向量的大小根据球形元件上的图形的位置而变化，且在边缘上较小。向量大小因此并非始终相同。假设源向量大小具有值N，不是从向量中去除元(element)，这会引起相移，而是将源向量的元重复5次(尺寸=5'N)。这些向量的大小因此相等，且该算法可以工作。算出的位置的e-cp曲线连续地显示在计算机站的屏幕上。所获取的图像也可以得到实时显示，其中这些图形由矩形限定边界。这使得所检出的图像易于得到观察。其运动与球形元件的运动相对应的立方体也可以得到显示。这种显示针对每幅图像进行更新。如果出现错误，则保留最近的正确位置。检查计算的旋转是否正确的一种方式是计算连续两次旋转之间的角度差。计算半径为1的球上的一个点的连续两次旋转之间的距离。如果该距离大于特定的阈值，则存在错误。从刚刚给出的描述中，本领域技术人员能够设计出用于光学识别定位装置上的物体的位置和/或运动的系统的多种变型，而不脱离由权利要求限定的本发明的范围。检测工具可以设置在定位装置上，定位装置可以通过计算机站进行控制。设置在定位装置上的物体可以是圆柱形或者卵形元件，其中在该物体的外表面上分布有圆形条码。物体的外表面的颜色可以是暗色的，例如为黑色，而图形的颜色可以是亮色的，例如为白色。权利要求1.一种用于光学识别定位装置(2)上的物体(3)的位置和/或运动的系统，该定位装置(2)包括用于旋转和/或沿曲线或直线路径驱动物体的工具，该系统包括用于检测物体的位置或取向的光学工具(6)和用于由检测工具提供的数据的数据处理站(7)，一定数量的不同图形或标记(10)分布在所述物体的外表面上，各图形在物体外表面上的布置使得与所述数据处理站相关联的检测工具能够确定所述定位装置上的物体的位置或取向，其特征在于该物体是用于电子装置(4)的球形支撑元件，并且所述图形或标记由彼此不同的圆形条码(10)形成，所述条码规则间隔且均匀分布在所述球形元件的外表面上，各圆形条码定义定位装置上的球形元件(3)的精确位置。2.如权利要求1所述的光学识别系统，其特征在于14个不同的圆形条码以规则的间隔分布在所述球形物体的外表面上，每个圆形条码包括一组同心环并且用4位和外部定^i进行编码，其中，每个环形位的状态用与所述球形元件的外表面颜色相同或不同的颜色来定义，所述外部定界位的颜色不同于所述球形元件的外表面颜色以限定各图形的边缘。3.如权利要求2所述的光学识别系统，其特征在于每个圆形条码的尺寸接近所述球形物体的直径的1/10。4.如权利要求l所述的光学识别系统，其特征在于该物体是由两部分形成的中空^>形元件，所述两部分安装在彼此的顶部上以包封所述电子装置。5.如前述权利要求中任一项所述的光学识别系统，其特征在于所述物体的外表面是亮色的，例如为白色；而各个图形是暗色的，例如为黑色。6.如前述权利要求中任一项所述的光学识别系统，其特征在于所述光学检测工具包括与所述数据处理站(7)相连的数字插/fl^几(6)，且该数字摄#4^是具有768x1024个像素的黑白MOS摄^4几，其能够每秒拍摄10幅以上的图像、优选每秒拍摄15幅图像。7.如前述权利要求中任一项所述的光学识别系统，其特征在于其包括照明装置(9),所述照明装置(9)用于以均匀的方式照亮对于所述光学检测工具可视的所述球形物体的外表面，其中所述光学检测工具诸如为数字摄像机。8.如权利要求7所述的光学识别系统，其特征在于所述照明装置包括一组光纤(92),其引导由远离所述球形元件的光源产生的光，以提供均匀光束，从而改善由所述数字摄^4^获取的具有各个可视图形(10)的球形物体的图像。9.如权利要求8所述的光学识别系统，其特征在于所述一组光纤被分成数个小组(93)的光纤，其中位于所述球形元件(3)附近的每个小组的光纤的末端^皮固定在照明结构(卯)上的塑料柱(91)中；并且所述照明结构形成环，在所述环的整个外周上彼此间隔相同距离地设置有数个塑料柱(91)以用于这些小组的光纤的末端，例如设置有6个塑料柱，所述环在数字摄^^几(6)的侧部被放置在球形物体的前面，而不会阻碍数字摄像机对物体的观察；并且每个小组的光纤的末端被取向成沿所述球形物体的中心的方向引导光束。10.如权利要求8和9中任一项所述的光学识别系统，其特征在于每个小组的光纤数量至少是两根光纤、优选6根光纤，所述光纤的固定在塑料柱之一上的末端被设置成等边三角形的形式，其中所述塑料柱彼此间隔相同的3巨离。11.如前述^L利要求中任一项所述的光学识别系统，其特征在于所述球形物体通过重力被放置和保持在所述定位装置(2)的三个支撑点(P，P，，P")上，其中一个支撑点由接触所迷^l形物体外表面的驱动构件(20,21,22)形成，以使所述物体在定位装置上随意地沿各个方向旋转。12.如权利要求11所述的光学识别系统，其特征在于所述驱动构件(20)是轮子(21)，其与所述球形物体的外表面接触以驱动所述物体旋转，所述轮子的旋转轴安装在支架(22)的末端上，所述支架(22)能够沿贯穿所述轮子在球形物体外表面上的接触点和所述物体的中心的另一轴线旋转，以便通过该轮子使球形物体沿所有方向随意旋转。13.如权利要求12所述的光学识别系统，其特征在于所述定位装置的另两个支撑点分别由球窝接头(30，40)形成，其中球(31)被放置成在所述球窝接头的末端壳体(32)内自由旋转，以使所述球的一部分从该壳体上的开口中露出，从而与所述球形元件(3)的外表面形成接触。14.如权利要求13所述的光学识别系统，其特征在于所述球窝接头的容纳球的部分是用于引入压缩空气的喷嘴，以使该球在空气垫上被保持在该壳体内。全文摘要一种用于光学识别定位装置上的物体的位置和运动的系统。该光学识别系统确定定位装置(2)上的物体(3)的位置和/或运动。该定位装置包括用于旋转和/或沿曲线或直线路径驱动物体的工具(20，21，22)。该光学识别系统包括用于检测物体的位置或取向的光学检测工具，诸如数字摄像机(6)，和用于由检测工具提供的数据的数据处理站(7)。一定数量的不同的图形或标记分布在物体的外表面上。各个图形在物体外表面上的布置使得与数据处理站相关联的检测工具能够确定定位装置上的物体的位置或取向。图形由圆形条码(10)形成，其中各圆形条码定义定位装置上的物体(3)的精确位置。文档编号G01S17/74GK101506670SQ200780030805公开日2009年8月12日申请日期2007年6月6日优先权日2006年6月23日发明者A·卡萨格兰德,M·格兰奇申请人:斯沃奇集团研究和开发有限公司