CN103048872A - 全自动数控相机检校系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种全自动数控相机检校系统,由LCD旋转平台、相机旋转平台、系统控制电路三部分组成。系统控制电路控制相机旋转平台、LCD旋转平台沿X、Y轴自动旋转;系统控制电路利用嵌入式系统ARM生成黑白棋盘格作为检校图案并显示在LCD中央区域,利用PLC与ARM的串口通信实现LCD平台角度旋转顺序与LCD检校图案数字索引的同步及相机拍照时间延迟警示;系统控制电路自动启相机拍照，平台旋转运动角度数据由系统控制电路下载至安装有检校软件的电脑，与相机检校影像数据一起自动解算得出相机检校参数。本发明系统构思科学,结构简单,它克服了现有相机检校设备依赖特殊环境、实施专业技术门槛高、周期长等不足,能有效满足以图像测量为目的的各种相机检校需求。

Description

全自动数控相机检校系统

技术领域

本发明涉及一种用于非量测相机检校的全自动化数控相机检校系统，属于机电一体化、自动化控制及计算机视觉技术的综合交叉技术领域, 主要应用于近景摄影测量、机械模具设计与加工、工业在线检测与控制等视觉测量相关的应用领域。 

背景技术

相机检校指的是检查和校准相机内方位元素和光学畸变参数的过程，它是从二维数字影像获取三维欧氏空间信息的基础步骤和首要问题。传统相机检校或采用专业设备进行直接物理测定, 或基于待检校相机与参照物空间关系进行相机参数的间接解算。专业光学设备如准直管，不仅昂贵且需搭建专门的实验室环境，应用成本高,难以实用化; 以高精度三维控制场作为参照物进行相机检校，则存在三维控制场建立困难及定期专业维护的问题，且由于三维控制场无法移动，实际应用受到较大制约; 计算机视觉界提出的相机自标定技术, 以简单二维目标如平面网格、十字丝、圆形标志等为参照物, 仅仅依靠多视图对应关系进行标定，灵活、方便，应用前景广泛，但稳健性较差，所涉及的多视图摄影获取与处理过程不仅繁琐、周期长,且对检校作业人员存在较高专业技术门槛。近年来，高性价比CCD数码相机在计算机视觉、测绘、工业在线检测等视觉测量相关领域的广泛采用，促使寻求精度高、操作简单、对实施环境及条件依赖小的相机检校系统以解决多应用环境下的各种相机检校需求，本发明正是基于以上相机检校问题开发出的一套便携式、高精度、检校结果即检即得的全自动数控相机检校系统。 

本发明目的:提供一种媲美高精度检校场检校精度、检校环境不受限制以及具有傻瓜式全自动作业模式的便携式相机检校系统。它克服了现有相机检校专业技术门槛高、实施周期长、成本高以及依赖于特殊环境、场所等不足, 可方便拆卸、移动, 根据室内空间灵活进行布设,并通过“傻瓜”式的操作降低作业人员的专业技术门槛从而大大提高相机标定检校效率、可靠性以及精度, 能有效满足无人机航空摄影、数字城市三维建模、近景摄影测量、工业在线检测与控制以及其它图像视觉测量为目的的各种相机检校需求。 

发明内容

本发明综合利用嵌入式、计算机视觉以及自动通讯与控制技术、理论，发明了一套全自动数控相机检校系统，实现对相机多视图影像的高效、可靠采集以及相机参数的即时高精度解算，使得整个系统自动化程度高，用户只需一键操作即可完成多视图影像采集，单次相机检校最多15分钟即可完成，检校结果媲美高精度室外、室内检校场。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案： 

系统由LCD旋转平台、相机旋转平台、系统控制电路三部分组成；相机旋转平台由步进电机带动相机旋转平台沿X轴旋转及Y轴旋转；LCD旋转平台由步进电机带动LCD旋转平台沿X轴及Y轴旋转，LCD显示器旋转平台沿Z轴的旋转通过手动旋转实现。相机旋转平台及显示旋转平台其承重板材用钢质材料，非承重板材用铝质材料，LCD旋转平台可承载25Kg以内LCD显示屏；

LCD旋转平台其底脚由四个细纹的旋转螺母构成，可调节保证LCD旋转平台的水平；LCD旋转平台的支架立柱与底板及底板上的加强板之间采用偏心设计，使LCD显示屏在旋转过程中旋转平台的重心始终落在底板上的加强板上；在支架上X方向与Y方向各放置用于判断平台是否水平的水泡；LCD显示屏绕X、Y轴旋转电机采用步进电机加减速器的方式，Y轴减速器中的减速比为1：100，X轴减速器的减速比为1：180；LCD旋转平台上有一显示屏的中心调整板，保证LCD显示屏绕Z轴及X轴旋转的旋转中心始终处于显示屏的中心；在沿Z轴旋转板有定位销锁螺母，定位销锁上装有弹簧，当显示屏沿Z轴旋转90度是会自动栓入定位孔内，机械保证显示屏绕Z轴准确旋转90度，同时显示屏沿Z轴旋转板与旋转中心调整板上有对应的零度与90度的匹配标识。

相机旋转平台其相机固定板上方与相机接触平面贴有橡胶垫，与相机连接通过中心螺丝固定；相机X轴电机采用步进电机加减速器的方式，其减速比为1：15；相机Y轴旋转电机采用步进电机加减速器的方式，其减速比为1：10；相机旋转平台其支架采用铝质三脚支架，相机旋转平台底板与下方三脚支架平台进行固定，其上面在X方向与Y方向各有一个水泡，可准确判断系统是否处于水平状态； 

系统控制电路采用PLC为系统控制器；用绝对式光电编码器作为角度传感器；用户控制接口采用485串口通信由电脑实现系统角度控制数据的下载，采用无线红外遥控由手持无线遥控器实现对系统的运动控制；系统控制电路利用上载Wince嵌入式系统ARM生成黑白棋盘格作为相机检校图案并显示在LCD中央区域, 在LCD左上角区域动态生成并显示与旋转角度顺序相对应的数字索引, 在LCD左上角区域动态生成并显示警示相机拍照时间延迟的“红绿灯”图案，当系统稳定允许拍照时为“绿灯”，当系统处于运行中不允许拍照时自动切换至“红灯”，用户也可根据此“红绿灯”手动拍照；系统控制电路利用PLC与ARM的串口通信实现LCD平台角度旋转顺序与LCD检校图案数字索引显示更新的同步及相机拍照时间延迟的警示；系统采用光偶隔离控制相机的快门信号，实现系统旋转定位后的自动拍照。

（四）附图说明 

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1 标定平台硬件结构图 

图2 显示旋转平台结构图

图3相机旋转平台结构图

图4系统电器结构图

图1中：1.相机固定平面，2. 相机Y轴旋转电机，3. 相机X轴旋转电机，4. 相机Y轴运动方向及范围，5. 相机X轴运动方向及范围，6.显示屏平面，7.显示屏X轴旋转电机，8. 显示屏Y轴旋转电机，9. 显示屏Y轴运动方向及范围，10. 显示屏X轴运动方向及范围，11. 显示屏Z轴运动方向及范围，12.系统控制器。

图2中： 13.底脚，14.支架底板，15.支架立柱，16.支架立柱上板，17.显示屏沿Y轴旋转支撑板，18. 显示屏绕Y轴旋转电机，19. 显示屏Y轴旋转电机安装板，20. 显示屏沿X轴旋转支撑板，21.旋转中心调整板，22. 显示屏沿Z轴旋转板，23. 显示屏连接板，24. 显示屏沿X旋转臂板，25. LCD显示屏。 

图3中： 26.相机固定板，27.相机X轴电机固定件，28.相机X轴电机，29.相机X轴旋转板，30.相机Y轴旋转电机固定板，31. 相机Y轴旋转电机，32. 相机沿Y轴旋转支撑板，33.相机旋转平台底板，34.相机沿Y轴旋转轴承，35. 相机沿X轴旋转轴承，36. 相机沿X旋转臂 

图4中：37.系统电源开关，38.空气开关，39.控制器，40.开关电源，41.角度传感器，42.步进电机驱动模块，43. 步进电机，44. 遥控接收模块，45. 系统遥控发射模块，46. 相机控制模块， 47.相机，48.通信模块，49.电脑，50.显示画面控制模块，51. LCD显示屏

（五）具体实施方式

    图1-4为一实施实例，其具体的实施方式为：

在图1所示实施例中，系统由相机旋转平台、LCD旋转平台、系统控制电路三部分组成；相机旋转平台Y轴旋转电机，带动相机旋转平台沿Y轴旋转；相机旋转平台X轴旋转电机，带动相机旋转平台沿X轴旋转；LCD旋转平台Y轴旋转电机，带动LCD显示旋转平台沿Y轴旋转；显示旋转平台X轴旋转电机，带动显示旋转平台沿X轴旋转；显示旋转平台沿Z轴的旋转，通过手动旋转实现。

在图2所示实施例中，底脚是由螺距为1mm的细纹旋转螺母构成，支架底板下面一共有四个底脚，它们在充当底脚的同时可用于精细调节显示旋转平台，使其处于水平状态；支架底板在与支架立柱的连接处有一块加强板，其立柱中心处于加强板长方向0.7的位置，从而保证了显示屏在旋转过程中旋转平台的重心始终落在加强板上；支架立柱为方形立柱；支架立柱上板为一方形钢板，通过螺丝与显示器旋转平台相连，其上面在X方向与Y方向各有一个水泡，可准确判断系统是否处于水平状态；显示屏沿Y轴旋转支撑板有左右两块，其电机线与控制线经过左边支撑板引入，前后用铝板封闭，构成一个四方完整立方体；显示屏绕Y轴旋转电机采用步进电机加减速器的方式，其减速比为1：100；显示屏沿X轴旋转支撑板有左右两块，其中间水平放置，X轴的旋转电机及减速器，其减速比为1：180，其上方与后方用铝板封闭，构成一四方完整立方体；旋转中心调整板针对不同的相示器，通过更换不同的旋转中心调整板，保证显示器绕X轴的旋转中心始终处于显示器的中心；显示屏沿Z轴旋转板与旋转中心调整板之间通过轴承连接，保证显示屏可绕Z轴手动旋转，并且在沿Z轴旋转板有定位销锁螺母，定位销锁上装有弹簧，当显示屏沿Z轴旋转90度是会自动栓入定位孔内，机械保证显示屏绕Z轴准确旋转90度，同时显示屏沿Z轴旋转板与旋转中心调整板上有对应的零度与90度的匹配标识；显示屏沿X旋转臂板有左右两块，分别与沿X轴旋转支撑板之间通过轴承连接。 

在图3所示实施例中，相机固定板上方与相机接触平面贴有橡胶垫，与相机连接通过中心螺丝固定；相机X轴电机固定件其实施材质为钢；相机X轴电机采用步进电机加减速器的方式，其减速比为1：15；相机Y轴旋转电机采用步进电机加减速器的方式，其减速比为1：10；相机沿Y轴旋转支撑板有左右两块，其电机线与控制线经过左边支撑板引入，前后用铝板封闭，构成一个四方完整立方体；相机旋转平台底板与下方三脚支架平台进行固定，其上面在X方向与Y方向各有一个水泡，可准确判断系统是否处于水平状态；相机沿Y轴旋转轴承，其实施材质采用钢质材料；相机沿X轴旋转轴承，其实施材质采用钢质材料；相机沿X旋转臂，其实施材质采用铝质材料。 

在图4所示实施例中，这部分为处于控制柜内部的控制电路部分，系统电源开关通过交流接触器控制系统电源的通断；系统电源输入后通过6A空气开关，保护控制柜内的电器安全；开关电源采用150W、24V直流电源用于给步进电机及系统控制器供电；控制器采用PLC为系统控制器；用绝对式光电编码器作为角度传感器；步进电机驱动模块采用三社步进电机驱动器；通信模块采用485通信方式完成电脑及显示画面控制模块与控制器之间的通信；相机控制模块采用光偶隔离控制相机的快门信号；遥控接收模块与遥控发射模块之间利用315MHZ红外通信来实现；显示图面控制模块采用ARM处理芯片在LCD显示屏上显示黑白棋盘格；系统遥控发射模块采用12V蓄电池供电。 

Claims (10)

1.全自动数控相机检校系统由LCD旋转平台、相机旋转平台、系统控制电路三部分组成；相机旋转平台由步进电机带动待检校相机沿X轴旋转及Y轴旋转；LCD旋转平台由步进电机带动LCD显示器沿X轴及Y轴旋转，LCD旋转平台沿Z轴的旋转通过手动旋转实现。

2.相机旋转平台及LCD旋转平台其承重板材用钢质材料，非承重板材用铝质材料。

3.权利要求1的系统，其特征是：LCD旋转平台其底脚由四个细纹的旋转螺母构成，可调节保证LCD旋转平台的水平；LCD旋转平台上X方向与Y方向各放置用于判断平台是否水平的水泡；LCD旋转平台的支架立柱与底板及底板上的加强板之间采用偏心设计，使LCD显示器在旋转过程中旋转平台的重心始终落在底板上的加强板上。

4.权利要求1的系统，其特征是：LCD旋转平台绕X、Y轴旋转电机采用步进电机加减速器的方式，Y轴减速器中的减速比为50：1，X轴减速器的减速比为180：1；

权利要求1的系统，其特征是：LCD旋转平台上有一显示屏的中心调整板，保证显示器绕Z轴及X轴旋转的旋转中心始终处于显示器的中心；LCD旋转平台沿Z轴旋转板有定位销螺母，定位销锁上装有弹簧，当LCD显示屏沿Z轴旋转90度是会自动栓入定位孔内，机械保证显示屏绕Z轴准确旋转90度，同时显示屏沿Z轴旋转板与旋转中心调整板上有对应的零度与90度的匹配标识。

5.权利要求1的系统，其特征是：相机旋转平台其支架采用铝质三脚支架，相机旋转平台底板与下方三脚支架平台进行固定，其上面在X方向与Y方向各有一个用于判断相机旋转平台是否水平的水泡；相机旋转平台其相机固定板上方与相机接触平面贴有橡胶垫，与相机连接通过中心螺丝固定。

6.权利要求1的系统，其特征是：相机X、Y轴旋转电机采用步进电机加减速器的方式，Y轴减速器的减速比为10：1，X轴减速器的减速比为15：1。

7.权利要求1的系统，其特征是：系统控制电路采用PLC为系统控制器；用绝对式光电编码器作为角度传感器；系统采用光偶隔离控制相机的快门信号，系统自动旋转定位后的控制器自动启动拍照。

8.权利要求1的系统，其特征是：系统的用户控制接口采用485串口通信由电脑实现系统角度控制数据的下载，采用无线红外遥控由手持无线遥控器实现对系统的运动控制。

9.权利要求1的系统，其特征是：系统控制电路利用上载Wince嵌入式系统ARM生成黑白棋盘格作为相机检校图案并显示在LCD中央区域, 在LCD左上角区域动态生成并显示与旋转角度顺序相对应的数字索引, 在LCD左上角区域动态生成并显示警示相机拍照时间延迟的”红绿灯”图案。

10.权利要求1的系统，其特征是：系统控制电路利用PLC与ARM的串口通信实现LCD平台角度旋转顺序与LCD检校图案数字索引显示更新的同步及相机拍照时间延迟的警示。

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