CN109540084B - 一种浮液中零件三维姿态的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种浮液中零件三维姿态的测量方法及装置,由机械部分、图像采集部分和图像处理部分，共三部分组成。机械部分由玻璃油罐、支撑架、设备安装台、恒温油箱及其恒温油箱控制器、俯仰偏摆台、二维滑台、2个一维滑台及其滑台控制器组成。图像采集部分由被测零件、3个镜头、3个相机传感器、3个环形光源及其光源控制器组成。图像处理部分由计算机和图像处理算法组成。本发明具有非接触、测量环境温度可调、高效、高精度和自动化测量等优点。

Description

一种浮液中零件三维姿态的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种浮液中零件三维姿态的测量领域，特别是一种用于检测零件在常温或者高温浮液中三维姿态的测量装置。

背景技术

浮子组件是惯性仪表中的一种关键组件，形状类似于圆柱体，浮子的静不平衡量(即质心与浮心的重合度)会使得浮子在浮液中悬浮时，产生轴向的倾斜和径向的旋转。浮子在浮液中的三维姿态信息直接影响了惯性仪表的精度水平，决定了浮子能否装入惯性仪表并投入实战使用。

浮子在浮液中三维姿态信息的传统测量方法，采用手动调节浮液温度和使用人眼观测。由于在浮子静不平衡量时较小时，浮子组件的旋转速度较慢，需要操作人员进行长时间的观测，容易造成视觉疲劳。并且由于不同操作人员的熟练程度不同和人眼观测具有误差，导致测量的一致性较差，测量结果与实际结果不一致，人的主观性对测量的精度和准确性的影响较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种浮液中零件三维姿态的测量方法及装置，用于被测零件或物体在常温、高温浮液中的三维姿态(即俯仰角、横滚角和偏摆角)检测。将被测零件放至玻璃油罐中，调节恒温油箱的温度，光源分别从油箱的正面、侧面以及上方照射在被测零件上，使用计算机软件触发的方式控制正面、侧面以及上方的相机传感器采集图像，并将图像传输给计算机，使用图像处理算法对图像进行处理、特征提取和计算，实现零件在浮液中三维姿态的精密测量，具有非接触、测量环境温度可调、高效、高精度和自动化测量等优点。

本发明的技术方案是：一种浮液中零件三维姿态的测量装置，包括恒温油箱、玻璃油罐、二维滑台、俯仰偏摆台、相机传感器A、镜头A、环形光源A、一维滑台A、相机传感器B、镜头B、环形光源B、一维滑台B、相机传感器C、镜头C、环形光源C、支撑架、设备安装台、滑台控制器、光源控制器、恒温油箱控制器、计算机；

被测零件放置在玻璃油罐中，玻璃油罐固定在恒温油箱中；镜头A、镜头B、镜头C对应与相机传感器A、相机传感器B、相机传感器C连接；相机传感器A和环形光源A安装在俯仰偏摆台上，俯仰偏摆台安装在二维滑台上；相机传感器B和环形光源B安装在一维滑台A上，相机传感器C和环形光源C安装在一维滑台B上；支撑架与一维滑台B连接；恒温油箱、二维滑台、一维滑台A、一维滑台B均固定安装在设备安装台上。

所述恒温油箱内装有二甲基硅油作为导热介质。

所述恒温油箱用于浮液温度的在线控制和监测，温度调节范围为20℃～200℃，温度均匀性<0.2℃，测温精度＜0.05℃；

所述恒温油箱四周开有观察窗，观察窗的材质为钢化玻璃，透射率>90％；

所述玻璃油罐采用无色透明的石英玻璃材料制成，玻璃油罐内部装有浮液。

所述俯仰偏摆台用于实现相机传感器A、镜头A和环形光源A的俯仰和偏摆调节，调节角度范围为±5°，最小调节角度<0.01°，重复定位精度<0.01°，负载能力＞3Kg。

所述二维滑台、一维滑台A和一维滑台B的行程为±50mm，重复定位精度＜0.05mm，分辨率＜1μm，负载能力＞10Kg；二维滑台、一维滑台A、一维滑台B到恒温油箱的距离均为150mm-300mm。

所述环形光源A、环形光源B和环形光源C均为LED光源；所述光源控制器具有256级亮度控制和断电保护功能；所述相机传感器A、相机传感器B和相机传感器C为面阵CCD或COMS，像素数>200万像素，采样速率>20帧。

一种浮液中零件三维姿态的测量方法，步骤如下：

1)将被测零件放置在玻璃油罐中，使得被测零件的正面朝向镜头A，被测零件的侧面朝向镜头B，被测零件的上面朝向镜头C，计算机启动测量程序自检和初始化，直到图像传感器A、图像传感器B、图像传感器C采集到的图像能够在计算机的屏幕上正常显示；调节二维滑台、俯仰偏摆台、一维滑台A和一维滑台B，保证图像传感器A、图像传感器B和图像传感器C能够分别接收到完整的被测零件正面、侧面以及上面的图像，初始化完成，处于待测状态；

2)计算机控制图像传感器A、图像传感器B、图像传感器C进行被测零件正面、侧面以及上面图像的图像采集；

3)计算机接收到图像数据进行被测零件三维姿态的计算，对被测零件侧面或上面的图像进行图像预处理和特征提取，计算被测零件的俯仰角θ和偏摆角ψ；所述对被测零件侧面或上面的图像进行图像预处理，包括图像滤波、图像增强和二值化，对处理后的图像进行特征提取，包括边界检测和最小外接矩形拟合，对拟合出来的最小外界矩形，求取最小外界矩形的轴线，即得到被测零件侧面或上面图像的轴线，计算两张图像轴线的斜率k、k，得到被测零件的俯仰角θ或偏转角ψ；

4)根据俯仰角θ和偏摆角ψ，移动二维滑台和调整俯仰偏摆台，确保相机传感器A、镜头A、环形光源A和被测零件同轴，计算被测零件的横滚角φ，分为图像预处理、特征提取两个步骤；先对被测零件正面的图像进行图像预处理，包括图像滤波、图像增强和二值化；再对处理后的图像进行特征提取，包括边界检测、椭圆拟合、霍夫圆检测，将通过霍夫圆检测得出的特征圆，对其进行编号和标记，匹配两张图像具有相同标记的特征圆并计算其旋转角度，即可得到被测零件横滚角φ；最后将三维姿态信息横滚角φ、俯仰角θ和偏转角ψ，实时显示在计算机的屏幕中。

所述步骤3)中通过公式a＝arctan((k₁-k₂)/(1+k₁*k₂))得到被测零件的俯仰角θ或偏转角ψ，其中当对被测零件侧面进行处理时，a表示俯仰角θ；当对被测零件正面进行处理时，a表示偏转角ψ。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用恒温油箱自动调节浮液温度，可以实现在不同浮液温度下进行零件的三维姿态检测，对于需要在不同温度环境下进行三维姿态检测的零件有较好的适用性；

(2)本发明采用机器视觉的方法对零件的三维姿态进行测量，解决了人的主观性对测量精度和准确性影响较大的问题，提高了测量的精度、一致性和测量效率，具有测量信息全、非接触、高效、高精度的特点；

(3)本发明采用了模块化设计方法，提高了测量装置的集成度，便于系统搭建、维护和升级。

附图说明

图1是本发明测量装置结构示意图；

图2是装置的测量流程图；

图3是被测零件正面图像的图像处理流程图；

图4是被测零件侧面/上面图像的图像处理流程图；

图5是被测零件示意图，其中a是被测零件三维示意图，b是被测零件正面示意图，c是被测零件侧面示意图，d是被测零件上面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明测量装置结构示意图，由图可知，所述的一种浮液中零件三维姿态的测量方法及装置包括：恒温油箱1、玻璃油罐2、被测零件3、二维滑台4、俯仰偏摆台5、相机传感器A6、镜头A7、环形光源A8、一维滑台A9、相机传感器B10、镜头B11、环形光源B12、一维滑台B13、相机传感器C14、镜头C15、环形光源C16、支撑架17、设备安装台18、滑台控制器19、光源控制器20、恒温油箱控制器21、计算机22，上述组件的安装与位置关系如下：

所述被测零件3放置在玻璃油罐2中，玻璃油罐2内装有浮液，材质为石英玻璃，透射率>90％；所述玻璃油罐2固定在恒温油箱1中，恒温油箱1内装有二甲基硅油作为导热介质，恒温油箱1的温度调节范围为20℃～280℃，温度均匀性<0.2℃，测温精度为0.05℃；所述恒温油箱四周开300×200mm的观察窗，观察窗的材质为钢化玻璃，透射率>90％；所述恒温油箱1与恒温油箱控制器21连接；所述恒温油箱控制器21与计算机22连接。

所述镜头A7和相机传感器A6连接；所述镜头B11和相机传感器B10连接；所述镜头C15和相机传感器C14连接；所述镜头A7、镜头B11、镜头C15具有自动对焦功能；所述相机传感器A6、相机传感器B10和相机传感器C14采用2/3英寸CMOS传感器，每秒可达53帧的采样速率，其分辨率为1920×1200像素；所述相机传感器A6、相机传感器B10和相机传感器C14与计算机22连接；所述环形光源A8、环形光源B12和环形光源C16采用白色LED光源；所述环形光源A8、环形光源B12和环形光源C16与光源控制器20连接，所述光源控制器20与计算机22连接，具有256级亮度控制、断电保护功能。

所述相机传感器A6、镜头A7和环形光源A8安装在俯仰偏摆台5上；所述俯仰偏摆台5安装在二维滑台4；所述相机传感器B10、镜头B11和环形光源B12安装在一维滑台A9上；所述一维滑台B13与支撑架17连接；所述相机传感器C14、镜头C15和环形光源C16安装在一维滑台B13上；所述二维滑台4、一维滑台A9和一维滑台B13分别固定在恒温油箱1的正面、侧面以及上面200mm的位置，并且保证二维滑台4的水平移动方向与恒温油箱1正面观察窗平行，一维滑台A9的移动方向与恒温油箱1侧面观察窗平行，一维滑台B13的移动方向与玻璃油罐2上表面平行；所述俯仰偏摆台5的调节角度范围为±5°，最小调节角度为0.001°，重复定位精度为0.001°，负载能力为5Kg；所述二维滑台4、一维滑台A9和一维滑台B13的行程为±50mm，重复定位精度为0.02mm，分辨率为0.5μm，最大负载为10Kg；所述二维滑台4、俯仰偏摆台5、一维滑台A9和一维滑台B13与滑台控制器19连接，所述滑台控制器19与计算机22连接。

图2是装置的测量流程图，测量前先将被测零件3放置在玻璃油罐2中，使得被测零件3的正面朝向镜头A7，被测零件3的侧面朝向镜头B11，被测零件3的上面朝向镜头C15，在计算机22中启动测量程序软件，程序进行自检和初始化，直到相机传感器A6、相机传感器B10和相机传感器C14采集到的图像能够在计算机22的屏幕上正常显示，调节二维滑台4、俯仰偏摆台5、一维滑台A9和一维滑台B13，保证相机传感器A6、相机传感器B10和相机传感器C14能够分别接收到清晰、完整的被测零件3正面、侧面以及上面的图像，初始化完成，处于待测状态。

测量时运行计算机22中的测量程序，点击测量程序中的开始按钮，计算机22控制相机传感器A6、相机传感器B10和相机传感器C14进行被测零件3正面、侧面以及上面图像的图像采集，随后计算机22接收到图像数据进行被测零件3三维姿态的计算，在进行三维姿态的计算过程中，为了保证拍摄到的浮子正面图像保持原有的形状，需要先计算出被测零件3的俯仰角θ和偏摆角ψ，再根据实时计算出的俯仰角θ和偏摆角ψ，移动二维滑台4和调整俯仰偏摆台5，确保相机传感器A6、镜头A7、环形光源A8和被测零件3同轴，最后计算被测零件3的横滚角φ，计算后的三维姿态信息实时显示在计算机22的屏幕中。

图3是被测零件3正面图像的图像处理流程图，对被测零件3的两张正面图像分别依次进行灰度处理、高斯滤波、自适应阈值化、边界检测、形状拟合、特征区域检测，可以得到两组被测零件3正面图像的特征区域位置，对两组特征区域分别进行标记并计算旋转角度，即可得到被测零件的横滚角度。

图4是被测零件3侧面/上面图像的图像处理流程图，对被测零件3的两张侧面/上面图像分别一次进行灰度处理、高斯滤波、自适应阈值化、边界检测、形状拟合、轴线拟合，可以得到两条被测零件3侧面/上面图像的轴线，计算这两条轴线之间的夹角，可以得出被测零件3的俯仰/偏摆角度。

下面以测量一个正面含有三个特征点的圆柱体为例来说明本发明装置的具体测量过程。

图5是被测零件3示意图，通过图3中的图像处理流程，可以得到3个已检测出来的特征圆的圆心坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，被测零件正面的中心位置为(x_c,y_c)，计算每个特征圆圆心与中心位置之间的斜率k_i＝(y_i-y_c)/(x_i-x_c)，其中i＝1,2,3。根据斜率k_i，可以计算出每个特征圆的圆心与中心位置之间的连线和水平线之间的夹角a_i＝|arctan(k_i)|。以中心位置(x_c,y_c)向右的水平延长线作为0°位置，将a_i按照下列公式，改写为以0°位置为起始点，以顺时针方向为正方向的角度值a_i’：

由于特征区域分布在正面图像的不同位置，且在径向上不重合，故a_i’可以代表每一个特征区域在图像中的角度位置。计算特征区域角度位置之间的距离△a_i’＝a_i+1’-a_i’，其中i＝1,2。若△a_i’>90，则将△a_i’标记为L，否则将△a_i’标记为S。以0°位置为起始点，顺时针开始标记，假设△a’＝{△a_i’}₁ ²，则△a’一共有三种标记集合，分别为{S、L}、{S、S}、{L、L}。对于每一种标记集合，都能唯一确定一种对特征区域角度位置a_i’的标记方式。给定两幅图像，根据上述算法可以得出两组被标记过的a_i’，可以保证两组a_i’中属于同一个特征区域的标记是相同的，将相同标记对应的a_i’作差，得出每一个特征区域在两幅图像间的旋转角度。计算所有特征区域的旋转角度集合，对该集合取平均值，即得出被测零件的旋转角。

通过图4中的图像处理流程，给定两张被测零件3侧面/上面的图像，可以得到被测零件3侧面/上面图像的轴线，计算两张图像轴线的斜率k₁、k₂，通过公式a＝arctan((k₁-k₂)/(1+k₁*k₂))即可得出被测零件3的俯仰/偏转角。

综上所述，本发明装置能够用于零件在浮液中三维姿态角度的精密测量，测量精度优于0.3°，具有非接触、测量环境温度可调、高效、高精度和自动化测量等优点。

Claims (2)

1.一种浮液中零件三维姿态的测量方法，其特征在于步骤如下：

1)将被测零件(3)放置在玻璃油罐(2)中，使得被测零件(3)的正面朝向镜头A(7)，被测零件(3)的侧面朝向镜头B(11)，被测零件(3)的上面朝向镜头C(15)，计算机(22)启动测量程序自检和初始化，直到相机传感器A(6)、相机传感器B(10)、相机传感器C(14)采集到的图像能够在计算机(22)的屏幕上正常显示；调节二维滑台(4)、俯仰偏摆台(5)、一维滑台A(9)和一维滑台B(13)，保证相机传感器A(6)、相机传感器B(10)和相机传感器C(14)能够分别接收到完整的被测零件(3)正面、侧面以及上面的图像，初始化完成，处于待测状态；

2)计算机(22)控制相机传感器A(6)、相机传感器B(10)和相机传感器C(14)进行被测零件(3)正面、侧面以及上面图像的图像采集；

3)计算机(22)接收到图像数据进行被测零件(3)三维姿态的计算，对被测零件(3)侧面或上面的图像进行图像预处理和特征提取，计算被测零件(3)的俯仰角θ和偏摆角ψ；所述对被测零件(3)侧面或上面的图像进行图像预处理，包括图像滤波、图像增强和二值化，对处理后的图像进行特征提取，包括边界检测和最小外接矩形拟合，对拟合出来的最小外界矩形，求取最小外界矩形的轴线，即得到被测零件(3)侧面或上面图像的轴线，计算两张图像轴线的斜率k₁、k₂，得到被测零件(3)的俯仰角θ或偏摆 角ψ；

4)根据俯仰角θ和偏摆角ψ，移动二维滑台(4)和调整俯仰偏摆台(5)，确保相机传感器A(6)、镜头A(7)、环形光源A(8)和被测零件(3)同轴，计算被测零件(3)的横滚角φ，分为图像预处理、特征提取两个步骤；先对被测零件(3)正面的图像进行图像预处理，包括图像滤波、图像增强和二值化；再对处理后的图像进行特征提取，包括边界检测、椭圆拟合、霍夫圆检测，将通过霍夫圆检测得出的特征圆，对其进行编号和标记，匹配两张图像具有相同标记的特征圆并计算其旋转角度，即可得到被测零件(3)横滚角φ；最后将三维姿态信息横滚角φ、俯仰角θ和偏摆 角ψ，实时显示在计算机(22)的屏幕中。

2.根据权利要求1所述的一种浮液中零件三维姿态的测量方法，其特征在于：步骤3)中通过公式a＝arctan((k₁-k₂)/(1+k₁*k₂))得到被测零件(3)的俯仰角θ或偏摆 角ψ，其中当对被测零件(3)侧面进行处理时，a表示俯仰角θ；当对被测零件(3)正面进行处理时，a表示偏摆 角ψ。

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