CN114047358A - 一种基于单目视觉的线角振动校准方法 - Google Patents

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杨明
刘志华
吕琦
刘文峰
杨平
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Abstract

本发明公开了一种基于单目视觉的线角振动校准方法，该方法主要包括：首先，利用工业相机与数据采集卡分别采集紧固于直线与旋转振动发生装置工作台面的特征标志运动序列图像与线角加速度计的输出信号；其次，采用由可靠摄像机标定方法与基于直线分段检测的亚像素边缘提取方法构成的单目视觉方法实现线角加速度计的激励加速度测量；然后，利用正弦逼近法分别拟合单目视觉方法测量的激励加速度与线角加速度计的输出信号，并获得对应的拟合峰值；最后，通过获得的激励加速度峰值与线角加速度计的输出信号峰值解算线角加速度计的灵敏度。

Description

一种基于单目视觉的线角振动校准方法
技术领域
本发明属于振动计量与测试领域，更为具体地讲，尤其涉及一种基于单目视觉的线角振动校准方法。
背景技术
线角加速度计广泛应用于位姿估计、惯性导航、地震预警、桥梁与建筑结构健康监测、风力发电安全、医疗辅助诊断等领域的振动测量。线角加速度计的灵敏度在其工程应用中通常作为已知值，其测量精度直接影响实际工程应用系统或装置的性能。随着线角加速度计种类与应用的增多，为满足快速增长的工程应用高精度测量的需求，迫切需要研究一种有效与准确的校准方法，以保证线角加速度计灵敏度的校准精度。
目前，常用的振动校准方法主要分为比较法与绝对法两大类，绝对法进一步分为激光干涉法与地球重力法。比较法通过背靠背安装被校线角加速度计与参考加速度计于振动发生装置的工作台面上，利用二者输出与参考加速度计灵敏度已知的关系实现校准。该方法具有简单、成本低、方便、灵活、高效等优势，但其校准精度较低，通常约为1％。激光干涉法是最为常用的校准方法，其基于多普勒测速与激光干涉原理复现振动发生装置为线角加速度计的激励加速度实现其灵敏度校准。该方法能够实现低至0.1Hz与高至20kHz的宽范围校准，但其测量系统成本高且复杂、灵活性较差、操作过程繁琐，且在低频时由于受到散斑噪声、弱准直、激励发生装置导轨弯曲等因素的影响导致校准精度下降。地球重力法利用当地重力加速度作为线角加速度计的输入激励进行校准，该方法简单、方便，但其校准频率范围有限，上限频率通常小于10Hz。由于单目视觉方法具有方便、灵活、高效、成本低等优势，在线角振动测量领域具有广泛使用，但目前的单目视觉方法只能实现线振动校准。
因此，针对现有的线角加速度计校准方法存在系统成本高且复杂、灵活性差等的问题，且难以实现线角加速度计高效、准确校准需求的不足。本发明提出一种高效、灵活的低成本校准方法，通过研究一种可同时复现线角加速度计的激励加速度得单目视觉方法，以实现线角加速度计的高效、可靠校准。
发明内容
针对目前线角加速度计校准方法存在系统成本高且复杂、灵活性差、校准频率范围和能力有限等不足，本发明提供一种高效、灵活、可靠的线角加速度计校准方法，包括：
特征标志运动序列图像与线角加速度计输出信号的采集：特征标志与被校线角加速度计同时安装于线角振动发生装置的工作台面上，分别利用工业相机与数据采集卡获取特征标志的运动序列图像与线角加速度计的输出信号；
线角加速度计的激励加速度测量：利用摄像机标定方法确定像素坐标与世界坐标的对应关系矩阵，采用基于直线分段检测的边缘提取方法序列图像上的直线边缘点坐标，基于最小二乘原理拟合边缘点坐标获得相应的拟合边缘直线，从而计算得到线角加速度计的激励加速度；
激励加速度与输出信号的拟合峰值求解：采用正弦逼近法分别拟合单目视觉方法测量的激励加速度与线角加速度计的输出，通过求解由采样时刻与相应的激励加速度或线角加速度计输出电压构成的超定方程组，可得到线角加速度计的激励加速度与输出拟合峰值；
线角加速度计的灵敏度解算：依据ISO 16063-1中灵敏度的定义，利用求解的线角加速度计输出拟合峰值与激励加速度拟合峰值的比值计算得到线角加速度计的灵敏度。
本发明基于单目视觉的线角振动校准方法具有如下优势：
⑴本发明方法稳定、可靠、实用，可同时适用于不同频率与幅值范围的线角加速度计校准。
⑵本发明方法测量过程操作简单、灵活、系统成本低，对于线角加速度计的校准只需同一套视觉测量设备。
⑶本发明方法通过对线角振动的高精度测量实现线角加速度计灵敏度的高效、可靠校准。
⑷本发明方法属于振动校准方法，能够实现一定频率范围内的不同型号与厂家的线角加速度计校准。
⑸本发明方法利用单目视觉方法同时实现线角激励加速度的测量，有利于线角加速度计校准的量值溯源，同时为统一线角振动计量体系提供一种行之有效的途径。
附图说明
附图1为本发明方法的线振动校准的具体实施实例装置示意图；
附图2为本发明方法的角振动校准的具体实施实例装置示意图；
附图3为一种基于单目视觉的线角振动校准流程图；
附图4为本发明方法的线加速度计灵敏度校准结果图；
附图5为本发明方法的角加速度计灵敏度校准结果图。
具体实施方式
为解决现有方法对于线角加速度计校准存在系统复杂、成本高、校准频率范围与能力有限的问题，本发明提供了一种基于单目视觉的线角振动校准方法。本发明方法通过单目视觉方法同时对线角振动进行高效、灵活、准确、可靠的测量实现线角加速度计灵敏度的高精度校准，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。
参考图1与2为本发明方法的实施实例装置示意图，该装置主要包括：线角振动发生装置的工作台面1、特征标志2、线角加速度计3、照明设备4、工业相机固定设备5、工业相机6、序列图像传输设备7、电压信号采集与传输设备8、图像与信号处理及显示单元9，工业相机6与序列图像传输设备7连接，电压信号采集与传输设备8与图像与信号处理及显示单元9连接。线角振动发生装置的工作台面1产生线角激励加速度；特征标志2与线角加速度计3紧固于线角振动发生装置的工作台面1，特征标志2与线角加速度计3具有一致的振动特性；照明设备4为工业相机6提供照明；工业相机固定设备5用于紧固工业相机6，使工业相机6的光轴垂直于特征标志2；工业相机6用于采集特征标志2的运动序列图像；序列图像传输设备7传输采集的特征标志2的运动序列图像；电压信号采集与传输设备8用于线角加速度计3输出电压信号的采集与传输；图像与信号处理及显示单元9处理已采集的运动序列图像与电压信号，保存与显示线角加速度计3的灵敏度校准结果。
参考图3为一种基于单目视觉的线角振动校准流程图。本发明校准方法主要包括以下步骤：
步骤S1：将特征标志与被校线角加速度计同时安装于线角振动发生装置的工作台面，特征标志直线与线角加速度计具有一致的振动特性，分别利用工业相机与数据采集卡获取特征标志的运动序列图像与线角加速度计的输出信号；
步骤S2：利用可靠的摄像机标定方法确定像素坐标与世界坐标的对应关系矩阵，并采用基于直线分段检测的边缘提取方法实现特征标志运动序列图像的直线边缘亚像素提取；
步骤S3：基于正弦逼近法分别拟合测量的线角加速度计激励加速度与输出信号，通过求解由多个采样时刻与对应激励加速度或输出电压构成的超定方程组获得对应的激励加速度峰值与输出信号峰值；
步骤S4：利用拟合的激励加速度峰值与输出信号峰值解算线角加速度计的灵敏度，并保存与显示测量结果。
在式(VI)中，线角加速计的灵敏度定义为其输出信号拟合峰值与激励加速度拟合峰值的比值，即：
Smag＝up/ap
式中，Smag为线角加速度计的灵敏度，是由ISO 16063-1的定义可知。
本实施实例装置的具体参数为：频率范围为0.01～100Hz、最大线位移为400mm的线振动台，频率范围为0.001～10Hz、最大角位移为360°的角振动台，高对比度特征标志选用由半径为15mm的四个圆围绕一长度为60mm、宽度为0.5mm的直线构成的金属板，摄像机选用最大分辨率为9百万像素、最高帧率为1000fps的IDT OS10-V3-4K工业相机，焦距为16mm的KOWA镜头，照明设备选用60W的白炽灯。
为验证本发明基于单目视觉的线角振动校准方法的精度，利用本发明方法实现了0.05～10Hz频率范围的线加速度计校准与0.01～5Hz范围的角加速度计校准。参考图4为本发明方法与激光干涉法的线加速度计灵敏度校准结果，参考图5为本发明方法与圆光栅方法的角加速度计灵敏度校准结果。由如图4和图5所示的结果可知，本发明方法与激光干涉法以及圆光栅方法具有高度相似的校准结果。在0.05～10Hz范围内，本发明方法与激光干涉法的最大相对偏差为0.878％。本发明方法与圆光栅方法在0.01～5Hz范围内的相对偏差小于0.546％。
上述描述为本发明实施实例的详细介绍，其并非用于对本发明作任何形式上的限定。本领域相关技术人员可在本发明的基础上可做出一系列的优化、改进及修改等。因此，本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种基于单目视觉的线角振动校准方法，其特征在于：所述校准方法包括以下步骤，
S1：将特征标志与被校线角加速度计同时安装于线角振动发生装置的工作台面，特征标志直线与线角加速度计具有一致的振动特性，分别利用工业相机与数据采集卡获取特征标志的运动序列图像与线角加速度计的输出信号；
S2：利用摄像机标定方法确定像素坐标与世界坐标的对应关系矩阵，并选用基于直线分段检测的边缘提取方法实现特征标志运动序列图像的直线边缘亚像素提取；
S3：基于正弦逼近法分别拟合单目视觉方法测量的线角加速度计激励加速度与其输出信号，通过求解由多个采样时刻与对应激励加速度构成的超定方程组获得对应的激励加速度峰值与输出信号峰值；
S4：利用拟合的激励加速度峰值与输出信号峰值解算线角加速度计的灵敏度，并保存与显示测量结果。
2.根据权利要求1所述的基于单目视觉的线角振动校准方法，其特征在于：
所述线角加速度计的激励加速度测量，具体为：
选择棋盘格靶标图像的X角点作为摄像机标定的特征点，采用亚像素角点定位方法获取X角点的位置坐标。首先通过如下的投射投影模型
Figure FDA0003355598120000011
求解单应性矩阵H，式中(xd,yd)与(xw,yw)分别为的P点的实际像素坐标与世界坐标，H可实现像素坐标与世界坐标的转换；其次，采用基于最小二乘原理的非线性优化方法求解基于多项式模型的二阶径向畸变系数；然后，将经畸变优化的像素坐标与对应的世界坐标代入式(I)求解得到H；
采用无需参数训练的基于直线分段检测的边缘提取方法获取序列图像上的直线边缘点亚像素坐标，通过特征边缘直线的边缘点个数约束仅保留运动方向上的特征边缘；
利用H将检测的边缘点亚像素坐标转换为对应的世界坐标，然后基于最小二乘拟合得到相应的拟合边缘直线，通过序列图像的拟合边缘直线可计算得到采样时刻tj图像边缘对应的线角位移d(tj)，由于线角振动发生装置的激励信号为正弦，则对应的激励加速度为
Figure FDA0003355598120000021
其中，ωv为振动角频率。
3.根据权利要求1所述的基于单目视觉的线角振动校准方法，其特征在于：
对于线角加速度计的激励加速度a(tj)与对应的采样时刻tj，采用如下式的四参数正弦逼近法进行拟合：
a(tj)＝Avcos(ωvtj)-Bvcos(ωvtj)+Cvtj+Dv (III)
其中，Av与Bv为激励加速度分量，Cv为干扰量，Dv为偏移量，通过求解由N个采样时刻tj与对应的激励加速度a(tj)构成的形如式(III)的超定方程组可得到参数Av、Bv、Cv及Dv，通过对由采样时刻ti与线角加速度计输出u(ti)构成的形如式(IV)超定方程组求解可得到参数Au、Bu、Cu及Du；
u(ti)＝Aucos(ωvti)-Bucos(ωvti)+Cuti+Du (IV)
最后得到的单目视觉方法测量激励加速度的拟合峰值与线角加速度输出拟合峰值为：
Figure FDA0003355598120000022
4.根据权利要求1所述的基于单目视觉的线角振动校准方法，其特征在于：
线角加速计的灵敏度定义为其输出信号拟合峰值与激励加速度拟合峰值的比值，即：
Smag＝up/ap (VI)
式中，Smag为线角加速度计的灵敏度。
5.根据权利要求1所述基于单目视觉的线角振动校准装置，其特征在于：
该装置包括线角振动发生装置的工作台面(1)、特征标志(2)、线角加速度计(3)、照明设备(4)、工业相机固定设备(5)、工业相机(6)、序列图像传输设备(7)、电压信号采集与传输设备(8)、图像与信号处理及显示单元(9)，工业相机(6)与序列图像传输设备(7)连接，电压信号采集与传输设备(8)与图像与信号处理及显示单元(9)连接；
线角振动发生装置的工作台面(1)产生线角激励加速度；特征标志(2)与线角加速度计(3)紧固于线角振动发生装置的工作台面(1)，特征标志(2)与线角加速度计(3)具有一致的振动特性；照明设备(4)为工业相机(6)提供照明；工业相机固定设备(5)用于紧固工业相机(6)，使工业相机(6)的光轴垂直于特征标志(2)；工业相机(6)用于采集特征标志(2)的运动序列图像；序列图像传输设备(7)传输工业相机(6)采集的特征标志(2)的运动序列图像；电压信号采集与传输设备(8)用于线角加速度计(3)输出电压信号的采集与传输；图像与信号处理及显示单元(9)处理电压信号采集与传输设备(8)已采集的运动序列图像与电压信号，保存与显示线角加速度计(3)的灵敏度校准结果。
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