CN104075694A - 一种高速实时姿态测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速实时姿态测量系统及测量方法，系统包括系统标定单元、高速成像单元、高速存储单元、图像处理单元，显示控制和实时通信单元；在姿态测量时，首先通过高速图像采集单元将图像采集下来，另一方面高速相机通过FullCameraLink数据线与高速图像处理单元连接，该处理单元能够对图像进行实时的目标跟踪提取，通过实时图像数据处理得到靶标在成像面坐标上的质心位置，并计算得到靶标质心的坐标，查找坐标-角度映射表（前期外标定获取）得到待测物端面的姿态数据。本发明采用了非接触式测量方式对被测物体姿态进行测量，对于物体的自由运动没有影响，且测量过程简单易操作，测量精度高，实时性好，可靠性好。

Description

一种高速实时姿态测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量系统及测量方法，尤其是涉及一种高速实时姿态测量系统及测量方法。

背景技术

物体姿态测量方法有很多，根据应用场合，通常选择不同的姿态测量传感器。传统姿态测量方法在物体所处振动环境与测量精度等方面存在矛盾。测量动态环境的传感器，测量精度较低，典型的设备如陀螺。测量精度高的传感器只能在静态环境或缓慢变化的动态环境中使用，如倾角仪。同时传统的姿态测量方法在测量姿态角度变化很快，而且要求姿态角高速输出的场合会面临困境。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的测量精度及测量环境的矛盾，在现有的姿态测量传感器精度及动态特性无法明显提高的技术问题；提供了一种集精确测量、高速成像、图像存储、实时输出、适应范围广的非接触的高速实时姿态测量系统及测量方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种高速实时姿态测量系统，其特征在于，包括：

一系统标定单元：被测物放置在该系统标定单元内，包含自准直机构、倾角传感器及姿态调整机构；用于建立成像坐标与被测物体姿态映射查找表；

一高速成像单元：包含定焦镜头、适配器、高速相机、相机姿态调整机构和数据分配器；用于对被测物体端面四个靶标进行实时成像；

一高速存储单元：包含高速存储盒及内置的固态硬盘，用于对视频图像进行采集存储；

一图像处理单元：为PCI-高速图像处理卡，用于通过高速成像单元对视频图像进行采集，并实时获取靶标质心坐标位置，通过系统标定单元建议的查表实时获取姿态运动角度的大小；

一显示控制和实时通信单元：包含计算机服务器，用于显示姿态运动输出曲线和数值，控制高速存储单元的工作，实时发送数据输出。

本发明利用高帧频成像的高速性和高清成像目标运动测量的准确性，通过使用高速摄像系统和实时图像处理系统，实现对待测量物体在两个自由度方向上运动角度的非接触式实时测量，并由此实时解算出所需要的坐标系下的角度大小。该测量系统能够用来验证物体的姿态运动的控制准确性，同时能够通过所记录的高帧频图像，回放观察物体的运动细节，评价运动特性

一种采用权利要求1所述的高速实时姿态测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将待测物体调至零位，对被测物体下方固定高对比度反光圆形靶标；为了增大目标对比度，在靶标周围设计为黑色的背景，并用照明装置对靶标进行照射；将成像传感器正对准待测物体上的靶标；此时待测靶标可能并不位于视场中央位置，可以通过调节相机姿态调整平台的上下、左右、前后调整完成调节过程，并完成相机对焦，保证靶标的成像清晰；

步骤2，对待测物体不同摆角姿态进行离散化静态标定；首先将高精度两轴倾角传感器的两个轴线与系统零位摆轴调至平行；然后，让待测物体按照固定角度绕两个自由度依次旋转，每次旋转完成后让带测物保持静止状态若干秒，并记录下靶标位置和倾角传感器的角度；外标定数据记录结束后则利用系统的计算程序建立坐标-角度映射查找表，该查找表存入高速图像处理电路板的内存中以备查询；由于靶标成像位置与待测物的姿态角度具有一一映射的关系，因此当获取了靶标的成像坐标，即可以通过查询该表实时得到待测物体摆角值；

步骤3，移除倾角传感器及其紧固装置，开始待测物姿态测量；姿态测量时，打开成像传感器和电子机柜，待高速处理和记录设备正常工作后进行待测物姿态测量；得到的待测物端面的姿态角度数据，通用PCI接口发往计算机，计算机上的内存映像卡实时通过光纤将姿态角度数据实时输出。

因此，本发明具有如下优点：采用了非接触式测量方式对被测物体姿态进行测量，对于物体的自由运动没有影响，且测量过程简单易操作，测量精度高，实时性好，可靠性好。

附图说明

附图1高精度实时姿态测量组成示意图

附图2高速相机姿态调整机构示意图

附图3高速图像处理电路原理组成硬件框图

附图4 高精度实时姿态测量系统工作流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

参见图1所示。高精度实时测量系统由1-高精度倾角仪，  2-待测物 ， 3-高对比度靶标，  4-高速相机， 5-高速数据分配器，  6-高速数据存储器，  7-计算机（内含图像处理卡和控制卡），  8-视频数据线，  9-串口控制线等组成。

一、     首先介绍本发明的硬件结构：

系统设备主要由五个单元组成：系统标定单元、高速成像单元、高速存储单元、图像处理单元，显示控制和实时通信单元。

系统标定单元包含自准直机构、倾角传感器及姿态调整机构等，主要功能是建立成像坐标与被测物体姿态映射查找表。

高速成像单元包含定焦镜头、适配器、高速相机、相机姿态调整机构和数据分配器等，主要功能是对被测物体端面四个靶标进行实时成像。

参见图2所示。高速相机可根据实际需要调整适当位置与适当高度固定，确保其视场覆盖待测物体运动范围。

高速存储单元包含高速存储盒及内置的固态硬盘，主要功能是对视频图像进行采集存储。

图像处理单元包含PCI-高速图像处理卡，主要功能是对视频图像进行采集，并实时获取靶标质心坐标位置，通过查表实时获取姿态运动角度的大小。

参见图3所示。高速图像处理电路通过FPGA实现靶标质心坐标提取，DSP通过双口RAM读取后实现姿态查表输出。

显示控制和实时通信单元包含机柜、计算机主机、显示器、键盘、鼠标，映像内存卡，eSATA控制卡，主要功能包括显示姿态运动输出曲线和数值，控制高速存储单元的工作，实时发送数据输出。

二、     本发明的工作原理如下：

采用高速摄像机作为被测物体姿态测量的传感器。当高速摄像机获取感兴趣区域的图像信息后，通过高速图像采集单元将图像采集下来，并通过高速视频记录单元记录在高速硬盘，以便于回放观察和后期处理。

利用图像处理单元对图像进行实时的目标跟踪提取，通过实时图像数据处理得到靶标在成像面坐标上的质心位置，并计算得到靶标质心的坐标，查找坐标-角度映射表得到被测物体的姿态数据。计算机将接收到的姿态数据进行实时显示和记录。

坐标-角度映射表是指当相机相对于被测物体位置固定后，靶标成像位置与被测物体角度具有一一映射的关系。坐标-角度映射表通过前期的外标定过程得到，借助高精度倾角传感器作为静态角度采样工具，通过离散采样和高精度插值最终得到。

具体操作时：

步骤1，将待测物体调至零位，对被测物体下方固定高对比度反光圆形靶标；为了增大目标对比度，在靶标周围设计为黑色的背景，并用照明装置对靶标进行照射；将成像传感器正对准待测物体上的靶标；此时待测靶标可能并不位于视场中央位置，可以通过调节相机姿态调整平台的上下、左右、前后调整完成调节过程，并完成相机对焦，保证靶标的成像清晰；

步骤2，对待测物体不同摆角姿态进行离散化静态标定；首先将高精度两轴倾角传感器的两个轴线与系统零位摆轴调至平行；然后，让待测物体按照固定角度绕两个自由度依次旋转，每次旋转完成后让带测物保持静止状态若干秒，并记录下靶标位置和倾角传感器的角度；外标定数据记录结束后则利用系统的计算程序建立坐标-角度映射查找表，该查找表存入高速图像处理电路板的内存中以备查询；由于靶标成像位置与待测物的姿态角度具有一一映射的关系，因此当获取了靶标的成像坐标，即可以通过查询该表实时得到待测物体摆角值；

步骤3，移除倾角传感器及其紧固装置，开始待测物姿态测量；姿态测量时，打开成像传感器和电子机柜，待高速处理和记录设备正常工作后进行待测物姿态测量；得到的待测物端面的姿态角度数据，通用PCI接口发往计算机，计算机上的内存映像卡实时通过光纤将姿态角度数据实时输出。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种高速实时姿态测量系统，其特征在于，包括：

一系统标定单元：被测物放置在该系统标定单元内，包含自准直机构、倾角传感器及姿态调整机构；用于建立成像坐标与被测物体姿态映射查找表；

一高速成像单元：包含定焦镜头、适配器、高速相机、相机姿态调整机构和数据分配器；用于对被测物体端面四个靶标进行实时成像；

一高速存储单元：包含高速存储盒及内置的固态硬盘，用于对视频图像进行采集存储；

一图像处理单元：为PCI-高速图像处理卡，用于通过高速成像单元对视频图像进行采集，并实时获取靶标质心坐标位置，通过系统标定单元建议的查表实时获取姿态运动角度的大小；

一显示控制和实时通信单元：包含计算机服务器，用于显示姿态运动输出曲线和数值，控制高速存储单元的工作，实时发送数据输出。

2. 一种采用权利要求1所述的高速实时姿态测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将待测物体调至零位，对被测物体下方固定高对比度反光圆形靶标；为了增大目标对比度，在靶标周围设计为黑色的背景，并用照明装置对靶标进行照射；将成像传感器正对准待测物体上的靶标；此时待测靶标可能并不位于视场中央位置，可以通过调节相机姿态调整平台的上下、左右、前后调整完成调节过程，并完成相机对焦，保证靶标的成像清晰；

步骤2，对待测物体不同摆角姿态进行离散化静态标定；首先将高精度两轴倾角传感器的两个轴线与系统零位摆轴调至平行；然后，让待测物体按照固定角度绕两个自由度依次旋转，每次旋转完成后让带测物保持静止状态若干秒，并记录下靶标位置和倾角传感器的角度；外标定数据记录结束后则利用系统的计算程序建立坐标-角度映射查找表，该查找表存入高速图像处理电路板的内存中以备查询；由于靶标成像位置与待测物的姿态角度具有一一映射的关系，因此当获取了靶标的成像坐标，即可以通过查询该表实时得到待测物体摆角值；

步骤3，移除倾角传感器及其紧固装置，开始待测物姿态测量；姿态测量时，打开成像传感器和电子机柜，待高速处理和记录设备正常工作后进行待测物姿态测量；得到的待测物端面的姿态角度数据，通用PCI接口发往计算机，计算机上的内存映像卡实时通过光纤将姿态角度数据实时输出。