CN111679099B - 基于相干光视觉光流检测的加速度计标定方法及装置 - Google Patents

基于相干光视觉光流检测的加速度计标定方法及装置 Download PDF

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CN111679099B CN202010556782.2A CN202010556782A CN111679099B CN 111679099 B CN111679099 B CN 111679099B CN 202010556782 A CN202010556782 A CN 202010556782A CN 111679099 B CN111679099 B CN 111679099B
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邹旭东
熊兴崟
杨伍昊
汪政
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    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups

Abstract

本发明提供了一种基于相干光视觉光流检测的加速度计标定方法及装置。所述方法包括：将测试相干光投射于被测加速度计表面，使被测加速度计在校准全过程中保持被照射；与被测加速度计连接的载体运动带动所述被测加速度计运动，通过被测加速度计获取信号W0；同时，图像传感器持续获取完整被测加速度计表面的反射散斑，得到散斑图像序列；处理所述散斑图像序列得到被测加速度计的振动信息；根据所述振动信息得到被测加速度计的实际位移，根据所述实际位移，校准所述被测加速度计的所述信号W0，完成校准。该方法成本低、校准过程简单、操作更为方便，测量精度高，应用范围广。

Description

基于相干光视觉光流检测的加速度计标定方法及装置
技术领域
本发明涉及加速度计校准领域，尤其涉及一种基于相干光视觉光流检测的加速度计标定方法及装置。
背景技术
随着惯性测量技术的不断发展，加速度计作为用于运动与姿态感知方面的重要传感器件，被广泛地应用于载具导航、消费电子、工业检测、设施监测等各个领域，加速度计的性能优劣将直接影响所搭载系统的最终效能。由于加速度计工作时存在零漂，因此在实际应用中，用户在加速度计出厂后到使用前、应用环境及工况发生重大变化、以及长期工作后等情况下均需对加速度计进行标定校准，确保加速度计测量数据的有效性和可靠性。
现有技术提供的加速度计标定测试通常有以下几种类型：一是利用相干光束干涉方法对加速度计进行性能测试(例如公开号为CN 103063145 A，名称为多功能智能型激光散斑干涉测量装置及方法的专利文献)，测试效果精确，可实现非接触测量，但测试装置过于复杂，成本高昂，难以进行商业应用；二是采用依赖标准参考加速度计的背靠背装置测试系统，测试装置集成度高，操作方便，但精度较光束干涉法低，无法实现非接触在线测量。近年来随着图像识别技术的快速发展，出现了一些基于视觉感知技术的校准方法(例如公开号为CN 109712157 A，名称为一种基于单目视觉的重力场法加速度计校准方法的专利文献)，在实现非接触在线标定的同时，极大地降低了标定设备成本。但这些方法均需在被测加速度计上安装标靶，极大地限制了其实用性。
因此，针对现有商用加速度计标定校准方法中存在的众多缺点，亟需提出一种加速度计标定方法以适用于低成本、非接触、免安装、无标靶的在线实时快速加速度计标定校准应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
亟需提出一种加速度计标定方法以适用于低成本、非接触、免安装、无标靶的在线实时快速加速度计标定校准应用。
(二)技术方案
为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种基于相干光视觉光流检测的加速度计标定方法，所述方法包括：
步骤S1，将测试相干光投射于被测加速度计表面，使被测加速度计在校准全过程中保持被照射；
步骤S2，与被测加速度计连接的载体运动带动所述被测加速度计运动，通过被测加速度计获取信号W0；同时，图像传感器持续获取完整被测加速度计表面的反射散斑，得到散斑图像序列；
步骤S3：根据基于Farneback光流法的图像运动检测算法处理所述散斑图像序列，得到被测加速度计的振动信息；
步骤S4：根据所述振动信息得到被测加速度计的实际位移，根据所述实际位移，校准所述被测加速度计的所述信号W0，完成校准。
可选地，所述图像传感器包括相机，相机焦平面与被测加速度计之间距离L1以及相机焦距L2满足：
Figure BDA0002543320790000021
并使散斑增益Df＝L1/L2的值最大，
其中，Sr为散斑半径，Fr为图像传感器在加速度计运动方向上的最大尺寸，Amax为被测加速度计在校准全过程中相较初始位置的最大运动幅度，L3为图像传感器成像平面距镜头距离。
可选地，所述步骤S3包括：
步骤S301：将所述散斑图像序列中的散斑图像记为灰度值f(x，y)关于像素坐标(x，y)的二维信号X＝(x，y)；
步骤S302：对于散斑图像中每个像素点，根据该点及周围邻域的灰度值获取第一局部多项式：f1(X)＝XTA1X+b1 TX+c1；
其中，f1(X)＝r1+r2x+r3y+r4x2+r5y2+r6xy，
Figure BDA0002543320790000031
Figure BDA0002543320790000032
c1＝r1；
步骤S303：获取所述像素点在下一帧中的第二局部多项式：f2(X)＝XTA2X+b2 TX+c2；
其中，f2(X)＝r1′+r2′x+r3′y+r4′x2+r5′y2+r6′xy，
Figure BDA0002543320790000033
c1＝r1′；
步骤S304：根据所述第一局部多项式和所述第二局部多项式，获取所述散斑图像序列中任意两帧散斑图像之间的位移d：
Figure BDA0002543320790000034
可选地，所述步骤S3还包括：步骤S305：根据Farneback光流运动假设，对通过步骤S304得到的位移d进行优化。
可选地，所述优化包括：
采用迭代法、最小二乘法或利用OpenCV封装计算函数对通过步骤S304得到的位移d进行优化。
可选地，所述步骤S4种所述被测加速度计的实际位移D通过下式得到：
Figure BDA0002543320790000035
其中，d为所述散斑图像序列中任意两帧散斑图像之间的位移，L1为相机焦平面与被测加速度计之间距离，L2为相机焦距，L3为图像传感器距镜头距离。
可选地，所述步骤S4中根据所述实际位移，校准所述被测加速度计的所述信号W0，完成校准，包括：
校准加速度比例因子为Sa＝W0/a0，其中，a0为参考加速度，a0＝DF2，F为图像传感器获取帧率，D为所述被测加速度计的实际位移。
可选地，所述测试相干光通过激光器发出。
本发明另一方面还提供了一种利用上文所述的方法进行加速度计标定的装置，所述装置包括：
激光器，用于产生测试相干光，将测试相干光投射于被测加速度计表面，使被测加速度计在校准全过程中保持被照射；
图像传感器，用于持续获取完整被测加速度计表面的反射散斑，得到散斑图像序列；
载体，用于与被测加速度计连接，通过载体运动带动所述被测加速度计运动；
数据处理模块，与所述图像传感器连接，用于根据基于Farneback光流法的图像运动检测算法处理所述散斑图像序列，得到被测加速度计的振动信息；根据所述振动信息得到被测加速度计的实际位移，根据所述实际位移，校准所述被测加速度计的信号W0，完成校准。
(三)有益效果
本发明至少具有以下有益效果：
(1)相比于传统基于激光散斑干涉的检测方法，本发明提供的方法成本低、校准过程简单、操作更为方便；
(1)相比于传统标准传感器背靠背检测方法，本发明在校准过程中无需标准传感器进行比对，取而代之的是激光器与相机等常用设备，系统成本低，测量精度高，低频范围校准时效果尤为显著，且无需与被测加速度计刚性连接，可实现非接触在线测量；
(1)相比于采用单目视觉的校准方法，本发明无需在被测传感器上安装标靶，且精度相比普通单目视觉校准精度更高，实现方式更为简便；
(1)本发明方法所适应的被测加速度计带宽范围与所使用图像传感器最大帧率一致，应用范围广，适应加速度计种类多；
(1)本发明方法稳定、可靠、实用，适用于不同类型加速度计校准，可应用于消费电子、工业设备等各场景在线应用，市场前景更为广阔。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于相干光视觉光流检测的加速度计标定方法流程图；
图2是本发明实施例提供的基于相干光视觉光流检测的加速度计标定方法原理图；
图3是本发明实施例一提供的基于相干光视觉光流检测的加速度计标定装置示意图；
图4A-图4C为本发明实施例一提供的基于相干光视觉光流检测的加速度计标定装置在校准过程中随机选取的三个时刻所得到的反射散斑图；
图4D-图4F为本发明实施例一提供的基于相干光视觉光流检测的加速度计标定装置在校准过程中随机选取的三个时刻所得到的反射散斑图所对应的参考加速度值可视化图；
图5是本发明实施例一提供的基于相干光视觉光流检测的加速度计标定装置示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
本发明一个实施例提供了一种基于相干光视觉光流检测的加速度计标定方法，所述方法包括步骤S1-S4的内容：
步骤S1，将测试相干光投射于被测加速度计表面，使被测加速度计在校准全过程中保持被照射。
其中，所述测试相干光通过激光器发出。所述被测加速度计包括加速度计本体，或加速度计本体和与被测加速度计刚性连接的载体。所述被测加速度计所依托载体可以为振动台、转台等专业测试平台，也可为可产生振动的机床等具备自行运动能力的其他载体。
步骤S2，与被测加速度计连接的载体运动带动所述被测加速度计运动，通过被测加速度计获取信号W0；同时，图像传感器持续获取完整被测加速度计表面的反射散斑，得到散斑图像序列。
在该步骤中，所述被测加速度计获取信号W0包括但不限于：对于电压型加速度计，W0指实时被测加速度计输出电压值；对于谐振式加速度计，W0指实时被测加速度计输出频率。
其中，所述图像传感器包括相机，参见图2，相机2焦平面与被测加速度计1之间距离L1以及相机2焦距L2满足：
Figure BDA0002543320790000061
Figure BDA0002543320790000062
并使散斑增益Df＝L1/L2的值最大，其中，Sr为散斑半径，Fr为图像传感器在加速度计运动方向上的最大尺寸，Amax为被测加速度计在校准全过程中相较初始位置的最大运动幅度，L3为图像传感器成像平面202距镜头201距离。
另外，所述图像传感器包括但不限于用于精密加速度计标定使用的高速相机，消费级加速度计标定使用的微型摄像头等。
步骤S3：根据基于Farneback光流法的图像运动检测算法处理所述散斑图像序列，得到被测加速度计的振动信息。
在该步骤中，所述步骤S3包括：
步骤S301：将所述散斑图像序列中的散斑图像记为灰度值f(x，y)关于像素坐标(x，y)的二维信号X＝(x，y)；
步骤S302：对于散斑图像中每个像素点，根据该点及周围邻域的灰度值获取第一局部多项式：f1(X)＝XTA1X+b1 TX+c1；
其中，f1(X)＝r1+r2x+r3y+r4x2+r5y2+r6xy，
Figure BDA0002543320790000071
Figure BDA0002543320790000072
c1＝r1；
步骤S303：获取所述像素点在下一帧中的第二局部多项式：f2(X)＝XTA2X+b2 TX+c2；
其中，f2(X)＝r1′+r2′x+r3′y+r4′x2+r5′y2+r6′xy，
Figure BDA0002543320790000073
c1＝r1′；
步骤S304：根据所述第一局部多项式和所述第二局部多项式，获取所述散斑图像序列中任意两帧散斑图像之间的位移d：
Figure BDA0002543320790000074
步骤S305：根据Farneback光流运动假设，对通过步骤S304得到的位移d进行优化。
所述优化包括但不限于：令
Figure BDA0002543320790000075
则位移d＝(ATA)-1(ATb)，采用优化方法求得位移；构建目标函数e(X)＝||Ad-Δb||2，采用迭代法、最小二乘法等求得位移d的精确值的方法；利用OpenCV封装计算函数直接求取等方法。
步骤S4：根据所述振动信息得到被测加速度计的实际位移，根据所述实际位移，校准所述被测加速度计的所述信号W0，完成校准。
所述步骤S4种所述被测加速度计的实际位移D通过下式得到：
Figure BDA0002543320790000076
其中，d为所述散斑图像序列中任意两帧散斑图像之间的位移，L1为相机焦平面与被测加速度计之间距离，L2为相机焦距，L3为图像传感器距镜头距离。
所述步骤S4中根据所述实际位移，校准所述被测加速度计的所述信号W0，完成校准，包括：
校准加速度比例因子为Sa＝W0/a0，其中，a0为参考加速度，a0＝DF2，F为图像传感器获取帧率，D为所述被测加速度计的实际位移。
本发明另一个实施例提供一种利用上文所述的方法进行加速度计标定的装置，所述装置包括：激光器4，用于产生测试相干光，将测试相干光投射于被测加速度计1表面，使被测加速度计1在校准全过程中保持被照射；图像传感器2，用于持续获取完整被测加速度计1表面的反射散斑，得到散斑图像序列；载体3，用于与被测加速度计连接，通过载体3运动带动所述被测加速度计1运动；数据处理模块5，与所述图像传感器2连接，用于根据基于Farneback光流法的图像运动检测算法处理所述散斑图像序列，得到被测加速度计1的振动信息；根据所述振动信息得到被测加速度计1的实际位移，根据所述实际位移，校准所述被测加速度计1的信号W0，完成校准。
下面通过两个具体实施例对本发明提供的方法和装置进行进一步举例说明：
实施例一：
参见图3，该装置主要包括：振动台3、被测加速度计1、相机2、小型激光器4、上位机5。被测加速度计1固定于振动台3上，振动台3用于给被测加速度计1提供测试激励运动；小型激光器4用于产生相干光线；相机2用于获取被测加速度计1表面的散斑图像；上位机5用于处理校准信息、完成校准标定。
步骤a：利用下列参数完成本实施例中加速度计标定的装置的布置：Sr＝50mm、Fr＝21mm、Amax＝50mm、L3＝45mm、L2＝75mm、L1＝425mm；
步骤b：小型激光器、相机与振动台同时开启，小型激光器所发出的激光投射在被测加速度计表面发生漫反射，反射光线在空间中发生干涉并形成光斑。振动台的往复运动带动被测加速度计往复运动，空间中的散斑同样随着加速度计运动而发生相应位移。上位机获取此时刻被测传感器信号W0；
步骤c：在步骤b执行的同时相机实时获取的激光散斑图像序列并上传至上位机进行处理，求解d；
步骤d：上位机解算被测加速度计实际位移D，解算此时刻参考加速度a0，补偿校准步骤b中被测传感器获取信号W0，完成校准。图4A-图4F为测试校准过程中随机选取三个时刻所得到的光斑图及对应时刻参考加速度值可视化图(HSV空间表达，H通道表征加速度方向，V通道表征加速度大小)
实施例二：
图5为本发明方法实施实例装置示意图，该装置主要包括：电路模块6、电路模块6内嵌的被测加速度计1、微型摄像头2、小型激光器4、上位机5。被测加速度计1固定于电路模块6上，电路模块6与被测加速度计1刚性连接；小型激光器4用于产生相干光线；微型摄像头2用于获取被测加速度计1表面的散斑图像；上位机5用于处理校准信息、完成校准标定。
本实施例中校准方法主要包括以下步骤：
步骤A：利用下列参数完成本实施例中加速度计标定的装置的布置：Sr＝5mm、Fr＝3.096mm、Amax＝30mm、L3＝2mm、L2＝2.1mm、L1＝50mm：
步骤B：利用铅锤法测定重力参考方向，调整被测加速度计敏感轴方向与重力方向一致；
步骤C：小型激光器、微型摄像头与振动台同时开启，小型激光器所发出的激光投射在被测加速度计表面形成光斑；
步骤D：将电路板旋转一个角度，记录上位机获取此时刻被测传感器信号Va；
步骤E：在执行步骤D的同时，微型摄像头实时获取的激光散斑图像帧序列上传至上位机进行处理，各图像帧之间处理步骤与步骤4一致，求解旋转位移角度d；
步骤F：上位机解算被测加速度计实际旋转位移角度D，解算此时刻参考加速度a0，补偿校准步骤D中被测传感器获取信号W0，完成校准；
所述校准算法为定义参考加速度a0＝g0×cosθ，其中g0为当地重力加速度；
校准加速度比例因子为Sa＝W0/a0。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于相干光视觉光流检测的加速度计标定方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，将测试相干光投射于被测加速度计(1)表面，使被测加速度计(1)在校准全过程中保持被照射；
步骤S2，与被测加速度计(1)连接的载体(3)运动带动所述被测加速度计(1)运动，通过被测加速度计(1)获取信号W0；同时，图像传感器(2)持续获取完整被测加速度计(1)表面的反射散斑，得到散斑图像序列；
步骤S3：根据基于Farneback光流法的图像运动检测算法处理所述散斑图像序列，得到被测加速度计的振动信息，包括：
步骤S301：将所述散斑图像序列中的散斑图像记为灰度值f(x，y)关于像素坐标(x，y)的二维信号X＝(x，y)；
步骤S302：对于散斑图像中每个像素点，根据该像素点及周围邻域的灰度值获取第一局部多项式：f1(X)＝XTA1X+b1 TX+c1；
其中，f1(X)＝r1+r2x+r3y+r4x2+r5y2+r6xy，
Figure FDA0003650048860000011
Figure FDA0003650048860000012
C1＝r1；
步骤S303：获取所述像素点在下一帧中的第二局部多项式：f2(X)＝XTA2X+b2 TX+c2；
其中，f2(X)＝r1′+r2′x+r3′y+r4′x2+r5′y2+r6′xy，
Figure FDA0003650048860000013
Figure FDA0003650048860000014
C2＝r1′；
步骤S304：根据所述第一局部多项式和所述第二局部多项式，获取所述散斑图像序列中任意两帧散斑图像之间的位移d：
Figure FDA0003650048860000015
步骤S4：根据所述振动信息得到被测加速度计(1)的实际位移，根据所述实际位移，校准所述被测加速度计(1)的所述信号W0，完成校准。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像传感器(2)包括相机，相机焦平面与被测加速度计之间距离L1以及相机焦距L2满足：
Figure FDA0003650048860000021
并使散斑增益Df＝L1/L2的值最大，
其中，Sr为散斑半径，Fr为图像传感器在加速度计运动方向上的最大尺寸，Amax为被测加速度计在校准全过程中相较初始位置的最大运动幅度，L3为图像传感器的成像平面距镜头距离。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
步骤S305：根据Farneback光流运动假设，对通过步骤S304得到的位移d进行优化。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述优化包括：
采用迭代法、最小二乘法或利用OpenCV封装计算函数对通过步骤S304得到的位移d进行优化。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中所述被测加速度计的实际位移D通过下式得到：
Figure FDA0003650048860000022
其中，d为所述散斑图像序列中任意两帧散斑图像之间的位移，L1为相机焦平面与被测加速度计之间距离，L2为相机焦距，L3为图像传感器距镜头距离。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中根据所述实际位移，校准所述被测加速度计(1)的所述信号W0，完成校准，包括：
校准加速度比例因子为Sa＝W0/a0，其中，a0为参考加速度，a0＝DF2，F为图像传感器获取帧率，D为所述被测加速度计的实际位移。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测试相干光通过激光器发出。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的方法进行加速度计标定的装置，其特征在于，所述装置包括：
激光器(4)，用于产生测试相干光，将测试相干光投射于被测加速度计(1)表面，使被测加速度计(1)在校准全过程中保持被照射；
图像传感器(2)，用于持续获取完整被测加速度计(1)表面的反射散斑，得到散斑图像序列；
载体(3)，用于与被测加速度计(1)连接，通过载体(3)运动带动所述被测加速度计(1)运动；
数据处理模块(5)，与所述图像传感器连接，用于根据基于Farneback光流法的图像运动检测算法处理所述散斑图像序列，得到被测加速度计的振动信息；包括：
将所述散斑图像序列中的散斑图像记为灰度值f(x，y)关于像素坐标(x，y)的二维信号X＝(x，y)；
对于散斑图像中每个像素点，根据该像素点及周围邻域的灰度值获取第一局部多项式：f1(X)＝XTA1X+b1 TX+c1；
其中，f1(X)＝r1+r2x+r3y+r4x2+r5y2+r6xy，
Figure FDA0003650048860000031
Figure FDA0003650048860000032
C1＝r1；
获取所述像素点在下一帧中的第二局部多项式：f2(X)＝XTA2X+b2 TX+c2；
其中，f2(X)＝r1′+r2′x+r3′y+r4′x2+r5′y2+r6′xy，
Figure FDA0003650048860000033
Figure FDA0003650048860000034
c2＝r1′；
根据所述第一局部多项式和所述第二局部多项式，获取所述散斑图像序列中任意两帧散斑图像之间的位移d：
Figure FDA0003650048860000035
根据所述振动信息得到被测加速度计的实际位移，根据所述实际位移，校准所述被测加速度计(1)的信号W0，完成校准。
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