CN102291530A - 自动调节piv摄像机位置的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动调节PIV摄像机位置的方法及其装置，该方法首先将PIV摄像机安装于通过旋转电机驱动旋转的摄像机安装转盘，且摄像机安装转盘安装在基座上，同时，在基座上安装CCD线阵；然后，根据CCD线阵捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息，采用控制器自动控制旋转电机旋转，使得PIV摄像机的中心轴线与激光片光平面相垂直。因此，本发明可以自动调节摄像机的位置和角度，保证PIV实验时摄像机中心轴线与激光片光平面的垂直关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动调节PIV摄像机位置的方法及其装置，其主要用于调控PIV实验时摄像机的位置及其中心轴线与激光片光平面的角度，以保证PIV实验时摄像机拍摄到有效的实验范围及摄像机中心轴线与激光片光平面的垂直，减少因人工调节产生的误差。
背景技术
在流体力学领域，PIV用于测量流体速度，可实现全场瞬时测量，具有不干扰流体形态、无毒无污染等显著优点，因此，得到了广泛应用。PIV原理是：通过摄像机获取不同时刻（t1时刻、t2时刻）的水流粒子图像，结合图像相关处理技术得到粒子流速，由于粒子颗粒微小，很好地跟随了水流运动，粒子的速度代表了对应水流质点速度。
但是，由于光在空气和水流的分界面发生折射，为防止折射干扰，PIV实验时必须保证摄像机轴向法线与激光片光平面垂直，目前为保证垂直，多采用经验或者用标尺，自动化程度低，调节复杂，且难以满足高精度实验的需要。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种自动调节PIV摄像机位置的方法，其将摄像机安装在摄像机安装转盘上，通过摄像机安装转盘的旋转，以使摄像机的中心轴线与激光片光平面相垂直。因此，本发明可以自动调节摄像机的位置和角度，保证摄像机中心轴线与激光片光平面的垂直关系。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种自动调节PIV摄像机位置的方法，包括以下步骤：（1）将PIV摄像机安装于通过旋转电机驱动旋转的摄像机安装转盘，且摄像机安装转盘安装在基座上，同时，在基座上安装CCD线阵；（2）根据CCD线阵捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息，采用控制器自动控制旋转电机旋转，使得PIV摄像机的中心轴线与激光片光平面相垂直。
步骤（1）中的摄像机安装转盘通过直线往复移动装置安装在基座上，该摄像机安装转盘与直线往复移动装置的输出端连接，且直线往复移动装置与基座的轴线重合，同时摄像机安装转盘的轴线投影于基座的轴线上，控制器通过控制往复直线移动装置的移动，实现PIV摄像机与激光片光平面的距离。
所述直线往复移动装置为丝杠机构。
步骤（2）中CCD线阵捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息为激光片光平面在基座上的投影线；控制器根据该投影线即可计算出激光片光平面与基座轴线的夹角α，然后自动控制旋转电机按照夹角α旋转，实现PIV摄像机的中心轴线与激光片光平面相垂直。
本发明的另一技术目的是提供一种实现上述自动调节PIV摄像机位置的方法的装置，包括底座、控制器以及PIV摄像机；所述PIV摄像机安装在摄像机安装转盘上，而摄像机安装转盘的旋转轴与旋转电机的输出端连接；所述摄像机安装转盘的旋转轴与底座定位连接，且底座上安装用于检测激光片光平面在底座上投影信息的CCD线阵，控制器通过CCD线阵所反馈的信号，自动控制旋转电机的运作。
根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：
本发明采用直线往复移动装置调节摄像机与激光片光平面之间的距离，采用旋转电机驱动摄像机安装转盘以调节安装其上的摄像机的中心轴线与激光片光光面之间的角度，通过CCD线阵检测到的片光信号，获取激光片光平面在基座上的投影，以计算出激光平面与摄像机中心轴线之间的角度，控制器自动控制直线往复移动装置以及旋转电机的运作，以使摄像机沿丝杆移动至适宜位置，并确保摄像机中心轴线与激光片光平的面垂直。由此可知：本发明采用简单可行的机械结构，结合自动控制芯片，实现了摄像机中心轴线与激光片光平面角度的自动调节。自动化程度高，调节简单，能够满足高精度实验的需要。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明理想状态下，片光平面与摄像机中心轴线垂直的结构示意图；
图3是本发明片光平面与摄像机中心轴线不垂直的结构示意图
图4是图3在摄像机安装转盘旋转后片光平面与摄像机中心轴线垂直的结构示意图；
其中：基座1；摄像机安装转盘2；CCD线阵3；螺杆4；PIV摄像机5；激光片光平面6。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图。以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明所述自动调节PIV摄像机位置的方法，包括以下步骤：（1）将PIV摄像机5安装于通过旋转电机驱动旋转的摄像机安装转盘2，且摄像机安装转盘2安装在基座1上，同时，在基座1上安装CCD线阵3；（2）根据CCD线阵3捕捉到的激光片光平面6在基座1上的投影信息，采用控制器自动控制旋转电机旋转，使得PIV摄像机5的中心轴线与激光片光平面6相垂直。其中：步骤（1）中的摄像机安装转盘2通过直线往复移动装置安装在基座1上，该摄像机安装转盘2与直线往复移动装置的输出端连接，且直线往复移动装置与基座1的轴线重合，同时摄像机安装转盘2的轴线投影于基座1的轴线上，控制器通过控制往复直线移动装置的移动，实现PIV摄像机5与激光片光平面6的距离。步骤（2）中CCD线阵3捕捉到的激光片光平面6在基座1上的投影信息为激光片光平面6在基座1上的投影线；控制器根据该投影线即可计算出激光片光平面6与基座1轴线的夹角α，然后自动控制旋转电机按照夹角α旋转，实现PIV摄像机5的中心轴线与激光片光平面6相垂直。
本发明的另一技术目的是提供一种实现上述自动调节PIV摄像机5位置的方法的装置，包括底座、控制器以及PIV摄像机5；所述PIV摄像机5安装在摄像机安装转盘2上，而摄像机安装转盘2的旋转轴与旋转电机的输出端连接；所述摄像机安装转盘2的旋转轴与底座定位连接，且底座上安装用于检测激光片光平面6在底座上投影信息的CCD线阵3，控制器通过CCD线阵3所反馈的信号，自动控制旋转电机的运作。
在本发明的实施例中，所述直线往复移动装置为滚珠丝杠机构，滚珠丝杠机构包括螺杆4、驱动电机以及滚珠轴承，驱动电机的输出端与螺杆4连接，滚珠轴承与螺杆4配合连接，而摄像机安装转盘2通过旋转轴定位安装在滚珠轴承上。另外，该往复直线移动装置可以为其它形式的往复移动结构，比如气缸、齿轮齿条机构等。
本发明所述的滚珠丝杠机构以及旋转电机皆为伺服系统，其可以采用伺服电机，也可以为其他的能够实现旋转运动的伺服机构。
使用时，将摄像机固定在摄像机安装转盘2上，控制丝杠运动带动摄像机安装盘沿基座1方向作往复直线运动，使摄像机靠近或远离激光片光平面6，以满足摄像机拍摄范围的需要，当摄像机安装转盘2移动至适应的位置，停止丝杠运动。再利用基座1上的CCD线阵3获取激光片光平面6在基座1上的投影，计算出该投影线与基座1中心线的夹角，控制旋转电机转动，带动摄像机安装转盘2旋转相应的角度，以保证摄像机中心轴线与激光片光平面6垂直。其中CCD线阵3为两块，其关于基座1轴线对称放置。通过丝杆运动和旋转电机的转动，实现摄像机位置及其中心轴线与激光片光平面6垂直度的调节。因此，本发明可以自动调节摄像机的位置和角度，保证PIV实验时摄像机中心轴线与激光片光平面6的垂直关系。
本发明进行摄像机阵列位置调控的方式具体如下：
步骤1、在基座1上建立标准坐标系，该标准坐标系以移动丝杆的轴向为X方向，底座的中心点为原点0，与X方向垂直的方向为Y方向。CCD线阵3的中心点在基座1上的坐标分别为（0，y0）和（0，－y0），y0由制作基座1和安装CCD线阵3时确定，为系统初始值。
理想状态下，如图2所示，片光光面与摄像机阵列的各摄像机的中心轴线垂直，此时不用调节，直接可以实验。
步骤2：当片光光面与摄像机的中心轴线不垂直时，如图3所示，CCD线阵3图像传感器分别获取与片光光面交点处的坐标：（x1, y0）和（x2, -y0）。则片光光面在标准坐标系中的斜率为：
因此，片光光面与标准坐标系X轴的交角为：
即摄像机的中心轴线与片光光面的交角为
。
为保证摄像机轴向法线与片光光面相垂直，需要旋转用于安装摄像机的摄像机安装转盘2，以使摄像机中心轴线与片光光面垂直，如图4所示，选择方法是：
当
，摄像机安装转盘2顺时针旋转
；
当，摄像机安装转盘2逆时针旋转
；
当
，不用旋转。
步骤3：按步骤2计算交角进行旋转，实现摄像机中心轴线与片光光面相垂直。
步骤4：实验结束后，摄像机安装转盘2恢复到最初位置（摄像机中心轴线垂直于Y轴）。
Claims (5)
1.一种自动调节PIV摄像机位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将PIV摄像机安装于通过旋转电机驱动旋转的摄像机安装转盘，且摄像机安装转盘安装在基座上，同时，在基座上安装CCD线阵；（2）根据CCD线阵捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息，采用控制器自动控制旋转电机旋转，使得PIV摄像机的中心轴线与激光片光平面相垂直。
2.根据权利要求1所述自动调节PIV摄像机位置的方法，其特征在于，步骤（1）中的摄像机安装转盘通过直线往复移动装置安装在基座上，该摄像机安装转盘与直线往复移动装置的输出端连接，且直线往复移动装置与基座的轴线重合，同时摄像机安装转盘的轴线投影于基座的轴线上，控制器通过控制往复直线移动装置的移动，实现PIV摄像机与激光片光平面距离的调节。
3.根据权利要求2所述自动调节PIV摄像机位置的方法，其特征在于，所述直线往复移动装置为丝杠机构。
4.根据权利要求2所述自动调节PIV摄像机位置的方法，其特征在于，步骤（2）中CCD线阵捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息为激光片光平面在基座上的投影线；控制器根据该投影线即可计算出激光片光平面与基座轴线的夹角α，然后自动控制旋转电机按照夹角α旋转，实现PIV摄像机的中心轴线与激光片光平面相垂直。
5.一种实现权利要求1所述自动调节PIV摄像机位置的方法的装置，其特征在于：包括底座、控制器以及PIV摄像机；所述PIV摄像机安装在摄像机安装转盘上，而摄像机安装转盘的旋转轴与旋转电机的输出端连接；所述摄像机安装转盘的旋转轴与底座定位连接，且底座上安装用于检测激光片光平面在底座上投影信息的CCD线阵，控制器通过CCD线阵所反馈的信号，自动控制旋转电机的运作。
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