CN102798356A

CN102798356A - 一种伺服转动平台的精确角度测量方法

Info

Publication number: CN102798356A
Application number: CN2011102371750A
Authority: CN
Inventors: 孙涵; 程刚; 吕太之
Original assignee: NANJING JINBAI GRAPHICS TECHNOLOGIES Co Ltd
Current assignee: NANJING JINBAI GRAPHICS TECHNOLOGIES Co Ltd
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2012-11-28

Abstract

一种基于标定物(合作目标)的视觉精确测角方法，其能够精确、实时的返回转动平台的角度，有效矫正了由于惯性、风吹和震动等原因造成的角度测量误差。本发明主要利用图像分析的方法通过对摄像机所拍图像进行处理，得出转动平台的角度误差，使其修正。具有高实时性、高鲁棒性、易于实现等优点，可推广到精确角度测量等学科应用领域。

Description

一种伺服转动平台的精确角度测量方法

技术领域

本发明涉及一种伺服转动平台的精确角度测量方法，即利用图像分析的方法得出伺服转动平台的精确角度。

背景技术

角度是机械、仪器仪表和电子产品制造业中的重要几何参数之一，它的准确度直接影响着产品的质量与寿命。角度测量是计量科学的重要组成部分，特别是微小角度的测量在精密加工、航空航天、军事和通讯等许多领域都具有极其重要的意义和作用，现代自动控制系统、惯性导航系统、精密零件的制造等等，对角度测量的精度提出了很高的要求。

高精度的控制系统需要在一定的角度范围内，测量误差小于几个角秒的角位移测量传感器。随着数字跟踪系统的出现，对测量角度的精度提出了更高的要求。传统的角度测量采用接触式测量或者光干涉测量的方法，由于接触式测量精度低，难以达到高精度，而干涉测量结构复杂，装置较大，价格偏高，数据处理复杂，难以实现在线测量。为此，探索价格低廉、使用方便的高精度的转角测量技术一直是近年来迫切希望解决的难题。

目前，光学测角法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码器法、衍射法、自准直法、光纤法、圆光栅法、光学内反射法以及激光干涉法等。以上方法在精密测量中已经得到了成功的应用，并得到了较高的测量精度和测量灵敏度。但是，当在室外进行角度测量时，由于伺服转动平台惯性、风力和震动的影响会导致平台相对地面发生了相对运动，而相对光电编码器没有发生运动，从而导致了角度测量误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种伺服转动平台的精确角度测量方法，实现伺服转动平台转动角度的准确检测，能做到实时处理，具有较强的抗外界干扰能力。

本发明的技术方案为：一种伺服转动平台的精确角度测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、安装摄像机和参考标志物的设计；

步骤2、标定摄像机光心，标定伺服转动平台、摄像机和参考标准物的基准头和基准尾；

步骤3、利用图像分析的方法，实时计算伺服转动平台的角度偏差；

步骤4、返回角度偏差，修正角度测量值，得到精确测量结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、基于视觉反馈和视觉定位，矫正了伺服转动平台受惯性、风吹、震动等影响而造成的角度测量结果偏差；

2、弥补了图像传感器对亮度的适应，采用等角度间隔的红外LED光源作为角度计算参照物；

3、系统时间复杂度低，能实时处理；

4、基于环形地标，这种合作目标，系统配置简单，安装方便、易于大规模推广。

附图说明

图1是本发明的角度测量流程图。

图2是本发明的LED光源设计图。

图3是本发明的整体安装示意图。

图4是本发明的摄像机与圆环参考标准物标定示意图。

图5是本发明的图像分析转台角度原理示意图。

具体实施方式

本发明一种伺服转动平台的精确角度测量方法分四个步骤，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

第一步，安装摄像机和参考标志物的设计。

本发明需要将摄像机安装在伺服转动平台的转动部位(如雷达顶部)，在转动平台转动时，摄像机能随其一起转动。为了保持测量精度，摄像机镜头的视场角为α度，摄像机横向分辨率为N。

参考标志物的设计要求为：以转动平台为圆心，放置半径D米圆环形参考标志物，要求其半径为D米、每隔α度安装一个光源，共需要安装360/α个光源。参考标准物应固定牢靠，不受外界环境的影响。

光源采用LED光源，由于光源的衍射，在拍摄到的图像中光源的中心很难精确描述，故本发明采用圆环形阵列光源，圆环不发光区域的圆心中心即为光源的中心。图2显示了LED光源的设计。图3显示了本发明的整体安装图。

在夜晚及低照度情况下，摄像机采用红外摄像机，光源采用红外光源，同样可以完成角度的测量。

第二步，标定摄像机光心，标定伺服转动平台、摄像机和参考标准物的基准头和基准尾。

1、摄像机光心的标定，对测角的摄像机进行光心的标定。

2、将伺服转动平台的0度与参考标志物的0度LED光源的圆心对齐，即摄像机镜头的光心对准参考标准物上的0度光源；

3、将伺服转动平台的α度与参考标志物的α度LED光源的圆心对齐，即摄像机镜头的光心对准参考标准物上的α度光源；

4、计算图像中参考标志物背景下的像素点和摄像机镜头视角的关系。假设摄像机镜头的视场角为α，摄像机横向分辨率为N，在半径为D米的圆环参考标准物上，每隔C度放置一个光源，则摄像机具有的角度精度为：

ρ = \frac{α}{N}

如果采用的摄像机镜头视场角为6度，摄像机横向分辨率为2000，摄像机具有的角度精度为0.003度。图4为摄像机与圆环参考标准物标定示意图。

第三步，利用图像分析的方法，实时计算伺服转动平台的角度偏差。

启动伺服转动平台，摄像机将和平台一起转动，分析采集到的图像，通过实时计算在参考标志物背景下镜头光心位置可得到平台的精确旋转角度，与转动平台自测角度(通过光电编码器测得)相减即得到实际值与自测值的偏差。图5为图像分析转台角度原理图。具体步骤为：

1、读出由光电编码器测出的伺服转动平台的自测角度。

2、由于外界原因造成伺服转动平台角度测量值的偏差一般在1度以内，所以总能在图像中找到与自测角度绝对值差小于α度的光源基准点。

3、如果光源点出现在图像的左半部分，假设上步得到的自测角度为C1，则该光源基准点表示的角度为

假设此时光源基准点到图像光轴中心垂直线的像素个数为N1，则转动平台水平方向的精确角度为

4、如果光源点出现在图像的右半部分，假设上步得到的自测角度为C1，则该光源基准点表示的角度为

5、C2与C1的差C3即为伺服转动平台在水平方向上实际值与自测值的偏差。

6、同理，如果光源点出现在图像的上半部分或下半部分，可利用以上方法测出伺服转动平台垂直方向上发生的偏差。

第四步，返回角度偏差，修正角度测量值，得到精确测量结果。

利用图像方法测到的转动平台的精确角度，实时对伺服转动平台的角度进行修正，从而得到精确的测量结果。如果采用的摄像机镜头视场角为6度，摄像机横向分辨率为2000，则本发明的角度精度可达到0.003度，高于传统测量方法的0.057度，且能有效修正由于惯性、风吹和震动等原因造成的角度测量误差，具有广阔的应用前景。

Claims

1.一种伺服转动平台的精确角度测量方法，其特征在于，步骤为：

步骤1：安装摄像机和参考标志物的设计；

步骤2：标定摄像机光心，标定伺服转动平台、摄像机和参考标准物的基准头和基准尾；

步骤3：利用图像分析的方法，实时计算伺服转动平台的角度偏差；

步骤4：返回角度偏差，修正角度测量值，得到精确测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种伺服转动平台的精确角度测量方法，其特征在于，在所述步骤1中，即在安装摄像机和参考标志物设计中采用的步骤如下：

将摄像机安装在伺服转动平台的转动部位，其中摄像机镜头的视场角为α度，摄像机横向分辨率为N；以转动平台为圆心，放置半径D米圆环形参考标志物，其设计为：半径为D米、每隔α度安装一个光源，共需要安装360/α个光源。

3.根据权利要求1所述的一种伺服转动平台的精确角度测量方法，其特征在于，在所述步骤2中，即在标定基准头和基准尾中采用的步骤如下：

步骤1、摄像机光心的标定，对测角的摄像机进行光心的标定。

步骤2、将伺服转动平台的0度与参考标志物的0度对齐，即摄像机镜头的光心对准参考标准物上的0度光源；

步骤3、将伺服转动平台的α度与参考标志物的α度光源对齐，即摄像机镜头的光心对准参考标准物上的α度光源；

步骤4、计算图像中参考标准物背景下的像素点和摄像机镜头视角的关系。

4.根据权利要求1所述的一种伺服转动平台的精确角度测量方法，其特征在于，在所述步骤3中，即实时计算伺服转动平台的角度偏差中采用的步骤如下：

启动伺服转动平台，摄像机将和平台一起转动，分析采集到的图像，通过实时计算在参考标志物背景下镜头光心位置可得到平台的精确旋转角度，与转动平台自测角度(通过光电编码器测得)相减即得到实际值与自测值的偏差。

5.根据权利要求1所述的一种伺服转动平台的精确角度测量方法，其特征在于，在所述步骤4中，即在修正角度测量值中采用的步骤如下：

根据步骤3得到的伺服转动平台的转动误差，修正角度值，得到精确角度测量结果。