CN102607410A - 用靶准直传感器对微小柱腔靶的位姿检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对用靶准直传感器对微小柱腔靶的位姿检测方法。本方法检测时，采用三个正交布置的CCD图像传感器所构成的一个靶准直传感器，以三个CCD图像传感器的光轴交点作为靶放置的基准点，靶准直器从不同的视角采集微小柱腔靶的图像。综合三个CCD提取出的微小柱腔靶图像的特征值，由特征值计算微小柱腔靶的空间坐标和方位旋转矩阵，从而确定其在空间的六维位姿。本发明提供了一种新的对微小柱腔靶的位置和姿态的检测方法，提高了对微小柱腔靶位置检测的重复性精度，尤其降低了对微小柱腔靶姿态检测的误差，操作方便，稳定性好，检测速度快。

Description

用靶准直传感器对微小柱腔靶的位姿检测方法
技术领域
本发明涉及一种微小靶位姿检测方法。特别是涉及一种用靶准直传感器对微小柱腔靶的位姿检测方法。
技术背景
随着能源危机的进一步加剧，人们一直致力于寻找新型可再生能源。惯性约束核聚变(ICF)是一种可以彻底解决人类能源问题的技术，是近年来各发达国家争相研究的热门技术。在惯性约束核聚变实验中，需要通过靶准直传感器检测装填聚变燃料的毫米级微小靶的位置和姿态，再由定位机构将其精确定位于直径为数米的真空靶室中心，系统整体精度要求在微米级，这对视觉传感器的检测精度提出了很高的要求。
目前ICF实验靶的检测主要有人眼通过光学放大系统直接观测判断和通过CCD图像传感器检测两种方式。人眼观测的精度相对较低且无法实现自动控制。通过单个或两个CCD对靶面成像，并用计算机对换靶前后的两幅图像进行相关处理的检测方法可获取较高的定位精度。但随着靶室直径的增大和打靶激光束的增多，对靶定位的精度和稳定性以及束靶耦合要求随之提高。打靶时，由于激光束要分别聚焦于靶的上下表面中心，总体来说，上述两种检测方式对靶位置的检测精度较低，尤其是对靶姿态的检测比较粗糙，都无法满足实现多光束的快速并行引导于靶点的要求。
发明内容
本发明的目的在于，针对已有技术存在的缺陷，提供一种用靶准直传感器对微小柱腔靶位姿的检测方法，具有操作方便，检测分辨率高，稳定性好，速度快等优点。
为了达到上述目的，本发明的构思是：在利用CCD图像检测的基础上，采用三个正交布置的CCD图像传感器所构成的一个靶准直传感器，检测时，以三个CCD图像传感器的光轴交点作为靶放置的基准点，靶准直传感器从不同的视角采集微小靶的图像。该检测方法较传统检测方法增加了靶面图像的采集视角，综合三个CCD提取出的靶图像的特征值，由特征值计算靶的空间坐标和方位旋转矩阵，从而确定其在空间的六维位姿。
根据上述的构思，本发明采用以下技术方案来实现：
一种用靶准直传感器对微小柱腔靶的位姿检测方法，其特征在于检测步骤如下：
（1）物距调整
采用三个正交布置的CCD图像传感器A、B、C所构成的一个靶准直传感器，以三个CCD图像传感器A、B、C的光轴交点作为靶准直传感器检测的基准点，检测时，将微小柱腔靶安置于靶准直传感器检测的基准点，分别调整三个CCD图像传感器A、B、C的物距，直至微小柱腔靶上、下端面和侧面上、下边缘成像清晰；
（2）特征点提取
CCD图像传感器A采集微小柱腔靶的上端面图像，对上端面图像进行边缘提取，并进行二值化处理，该图像边缘呈圆形或略呈椭圆形；利用最小二乘椭圆拟合求解圆形或椭圆形边缘中心坐标值O 1；CCD图像传感器B采集微小柱腔靶下端面图像，作相同处理，提取下表面圆或椭圆中心点的坐标值O 2；CCD图像传感器C采集微小柱腔靶的侧面图像，作竖直方向边缘提取，进行二值化及细化处理，分别获取微小柱腔靶上、下边缘中点坐标值O u和O d；
（3）微小柱腔靶位置的空间坐标值计算
综合三个视角的图像，由图像坐标系和空间坐标系的映射关系，将二维坐标值O 1、O 2、O u和O d转换到空间，计算得出微小柱腔靶上、下两个端面的圆心空间位置坐标（                                               
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE006
）和（
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE012
）；
（4）微小柱腔靶姿态计算
建立微小柱腔靶的空间旋转矩阵，根据已知的上、下两个端面的圆心空间位置坐标值（
Figure 620480DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 537620DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 255040DEST_PATH_IMAGE006
）和（
Figure 650250DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 464622DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 978430DEST_PATH_IMAGE012
），计算出微小柱腔靶的中轴线O 1 O 2与各坐标轴夹角的方向余弦
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE014
；该方向余弦对应其旋转矩阵的第三列，由此可计算得到微小柱腔靶在该时刻绕x轴和y轴的姿态旋转角， 
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE016
，忽略其绕中轴线z轴的旋转角。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明提供了一种利用由三个正交布置的CCD图像传感器所组成的靶准直器对微小柱腔靶位姿的检测方法，提高了微小柱腔靶位置检测的重复性精度，尤其降低了微小柱腔靶姿态检测的误差，操作方便，检测速度快。 
附图说明
图1是本发明对微小柱腔靶的位置和姿态检测流程示意图。
图2是本发明微小柱腔靶在图像坐标系和空间坐标系的示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：
参照图1、图2，本实施例的用靶准直传感器对微小柱腔靶的位姿检测方法步骤如下：
（1）物距调整
采用三个正交布置的CCD图像传感器A、B、C所构成的一个靶准直传感器，以三个CCD图像传感器A、B、C的光轴交点作为靶准直传感器检测的基准点，检测时，将微小柱腔靶安置于靶准直传感器检测的基准点，分别调整三个CCD图像传感器A、B、C的物距，直至微小柱腔靶上、下端面和侧面上、下边缘成像清晰；
（2）特征点提取
CCD图像传感器A采集微小柱腔靶的上端面图像，对上端面图像进行边缘提取，并进行二值化处理，该图像边缘呈圆形或略呈椭圆形；利用最小二乘椭圆拟合求解圆形或椭圆形边缘中心坐标值O 1；CCD图像传感器B采集微小柱腔靶下端面图像，作相同处理，提取下表面圆或椭圆中心点的坐标值O 2；CCD图像传感器C采集微小柱腔靶的侧面图像，作竖直方向边缘提取，进行二值化及细化处理，分别获取微小柱腔靶上、下边缘中点坐标值O u和O d；
（3）微小柱腔靶位置的空间坐标值计算
综合三个视角的图像，由图像坐标系和空间坐标系的映射关系，将二维坐标值O 1、O 2、O u和O d转换到空间，计算得出微小柱腔靶上、下两个端面的圆心空间位置坐标（
Figure 245463DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 382046DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 50925DEST_PATH_IMAGE006
）和（
Figure 44289DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 798618DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 722581DEST_PATH_IMAGE012
）；
（4）微小柱腔靶姿态计算
建立微小柱腔靶的空间旋转矩阵，根据已知的上、下两个端面的圆心空间位置坐标值（
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE018
,
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE020
,
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE022
）和（
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE024
,
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE026
,
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE028
），计算出微小柱腔靶的中轴线O 1 O 2与各坐标轴夹角的方向余弦
Figure 872065DEST_PATH_IMAGE014
；该方向余弦对应其旋转矩阵的第三列，由此可计算得到微小柱腔靶在该时刻绕x轴和y轴的姿态旋转角， 
Figure 2012100511826100002DEST_PATH_IMAGE030
，忽略其绕中轴线z轴的旋转角。
上述对微小柱腔靶的位姿检测方法采用的靶准直传感器包括：LED红光同轴光法照明，高精度工业CCD摄像机，镜头焦距为9mm，放大倍数为2倍。CCD分辨率为768×576，像素间距为8μm。使用灰度级为256级的黑白图像采集卡。所用程序算法在OpenCV2.0环境下编写。
本实施例建立了一种新的利用由三个正交布置的CCD图像传感器所组成的靶准直器对微小柱腔靶位姿的检测方法，具有操作方便，检测分辨率高，稳定性好，速度快等优点。

Claims (1)

1.一种用靶准直传感器对微小柱腔靶的位姿检测方法，其特征在于检测步骤如下：
（1）物距调整
采用三个正交布置的CCD图像传感器A、B、C所构成的一个靶准直传感器，以三个CCD图像传感器A、B、C的光轴交点作为靶准直传感器检测的基准点，检测时，将微小柱腔靶安置于靶准直传感器检测的基准点，分别调整三个CCD图像传感器A、B、C的物距，直至微小柱腔靶上、下端面和侧面上、下边缘成像清晰；
（2）特征点提取
CCD图像传感器A采集微小柱腔靶的上端面图像，对上端面图像进行边缘提取，并进行二值化处理，该图像边缘呈圆形或略呈椭圆形；利用最小二乘椭圆拟合求解圆形或椭圆形边缘中心坐标值O 1；CCD图像传感器B采集微小柱腔靶下端面图像，作相同处理，提取下表面圆或椭圆中心点的坐标值O 2；CCD图像传感器C采集微小柱腔靶的侧面图像，作竖直方向边缘提取，进行二值化及细化处理，分别获取微小柱腔靶上、下边缘中点坐标值O u和O d；
（3）微小柱腔靶位置的空间坐标值计算
综合三个视角的图像，由图像坐标系和空间坐标系的映射关系，将二维坐标值O 1、O 2、O u和O d转换到空间，计算得出微小柱腔靶上、下两个端面的圆心空间位置坐标（                                               
Figure 2012100511826100001DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 2012100511826100001DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 2012100511826100001DEST_PATH_IMAGE006
）和（
Figure 2012100511826100001DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 2012100511826100001DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 2012100511826100001DEST_PATH_IMAGE012
）；
（4）微小柱腔靶姿态计算
建立微小柱腔靶的空间旋转矩阵，根据已知的上、下两个端面的圆心空间位置坐标值（
Figure 760481DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 2107DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 214913DEST_PATH_IMAGE006
）和（
Figure 858384DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure 193551DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 607958DEST_PATH_IMAGE012
），计算出微小柱腔靶的中轴线O 1 O 2与各坐标轴夹角的方向余弦
Figure 2012100511826100001DEST_PATH_IMAGE014
；该方向余弦对应其旋转矩阵的第三列，由此可计算得到微小柱腔靶在该时刻绕x轴和y轴的姿态旋转角， 
Figure 2012100511826100001DEST_PATH_IMAGE016
，忽略其绕中轴线z轴的旋转角。
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