CN114088088A - 一种基于单目视觉的角速率与角加速度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单目视觉的角速率与角加速度测量方法，该方法主要包括：首先，利用采集与成像设备获取紧固于旋转运动发生装置工作台面的特征标志运动序列图像；其次，采用模板匹配方法确定特征标志运动序列图像上仅包含运动特征的感兴趣区域，并通过具有不同尺寸的圆形模板与标志图像循环匹配确定不同拍摄距离与旋转位置采集图像的感兴趣区域；然后，使用直线分段检测方法实现感兴趣区域内的特征直线边缘亚像素提取，并通过边缘点数的约束只保留运动方向上的直线边缘；最后，利用提取的运动方向直线边缘解算旋转运动的角速率与角加速度。

Description

一种基于单目视觉的角速率与角加速度测量方法

技术领域

本发明属于运动测量与位姿估计领域，更为具体地讲，尤其涉及一种旋转运动的角速率与角加速度测量方法。

背景技术

旋转运动的角速率与角加速度测量在位姿估计、惯性导航、角振动校准、转速测试等领域具有广泛应用。旋转运动是多自由度运动的基本组成单元，其测量精度对于实际工程应用的性能保障至关重要。为满足快速增长的工程应用高精度测量的需求，需要提高旋转运动角速率与角加速度的测量精度。因此，研究一种高精度的旋转运动角速率与角加速度测量方法变得十分重要。

目前，常用的旋转运动角速率与角加速度测量方法包括：激光干涉法与基于倾角传感器测量方法。激光干涉法具有抗干扰能力强、动态性能好、角度测量精度高、频率范围宽、线性度高等优势，能够实现宽频率范围的高精度旋转运动角速率与角加速度测量，角度测量精度可高达角秒级，但其测量系统成本高且复杂、灵活性较差、操作过程繁琐，且难以用于大角度的旋转运动测量。基于传感器的测量方法利用倾角传感器或陀螺仪实现旋转角度测量，具有测量系统简单、成本低、方便、高效等优势，但测量精度较低，通常为几十至几百角秒。此外，受传感器自身动态特性与校准灵敏度精度的限制，仅能在有限的频率范围内获得一定的测量精度。由于单目视觉法具有便携、灵活、高精度，且成本低等优势，其在实际工程中的应用越来越广泛。现有单目视觉法能够实现高达几角秒精度的旋转角度动态测量，故可采用单目视觉法测量旋转运动的角速率与角加速度。通过单目视觉法测量旋转角度获得旋转运动的角速率与角加速度，在提高测量精度与灵活性同时降低测量系统的复杂度与成本。

因此，针对现有旋转运动角速率与角加速度测量方法存在系统成本高且复杂、灵活性差等的问题，且难以满足宽频率范围内旋转运动高精度测量需求的不足。本发明提出一种高效、灵活、准确的低成本测量方法。利用单目视觉法测量旋转角度实现旋转运动角速率与角加速度的高精度测量。

发明内容

针对目前旋转运动角速率与角加速度测量方法存在系统成本高且复杂、灵活性差、测量频率范围和精度有限等不足，本发明提供一种高效、灵活、准确的旋转运动角速率与角加速度测量方法，包括：

特征标志运动序列图像的采集：特征标志安装于旋转运动发生装置的工作台面，采集与成像设备的光轴垂直于旋转运动发生装置的工作台面并采集足够帧数的特征标志运动序列图像，以保证与旋转发生装置具有相同旋转特性的特征标记的角速率与角加速度的准确测量；

特征标志运动序列图像的感兴趣区域的确定：利用具有不同尺寸的一系列圆形模板准确匹配不同拍摄距离与旋转条件下采集的标志图像上的圆，依次通过四次循环匹配可确定由这四个圆形区域中心构成的感兴趣区域；

基于直线分段检测方法的特征直线边缘提取：采用直线分段检测方法仅在感兴趣区域内检测特征直线边缘以消除背景区域内相似边缘的干扰，再利用基于最小二乘原理的直线拟合法拟合边缘点坐标获得相应的边缘直线。相似地，利用同样的方法获得参考图像的拟合边缘直线；

旋转运动的角速率与角加速度解算：选择参考图像的特征边缘直线为零度，分别计算后续帧边缘直线与参考图像边缘直线的旋转角度，进而获得相应的角速率与角加速度。

本发明旋转运动角速率与角加速度测量方法具有如下优势：

⑴本发明方法稳定、可靠、实用，可同时适用于不同频率与角度范围的旋转运动角速率与角加速度测量。

⑵本发明方法测量过程操作简单、灵活、系统成本低，对于不同频率范围的旋转运动测量只需一个采集与成像设备。

⑶本发明方法通过对旋转运动的角度测量实现高精度的旋转运动角速率与角加速度测量。

⑷本发明方法属于旋转运动测量方法，能够实现一定频率范围内的水平与垂直方向的旋转运动发生装置角速率与角加速度测量。

⑸本发明方法将旋转运动角速率与角加速度测量转换为旋转角度测量，有利于基于单目视觉的旋转运动角速率与角加速度测量量值溯源，同时为六自由度运动的准确测量提供一种行之有效的途径。

附图说明

附图1为本发明中特征标志与旋转运动发生装置的工作台面水平安装的具体实施实例装置示意图；

附图2为本发明方法中特征标志与旋转运动发生装置的工作台面垂直安装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角速率与角加速度测量流程图。

具体实施方式

为解决现有方法对于旋转运动测量存在系统复杂、成本高、灵活性差、测量精度有限的问题，本发明提供了一种基于单目视觉的旋转运动角速率与角加速度测量方法。本发明方法通过对旋转运动序列图像特征直线边缘的可靠、准确提取实现了低频范围内旋转运动角速率与角加速度的高精度测量，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：旋转运动发生装置的工作台面1、特征标志2、照明设备3、采集与成像装置固定设备4、采集与成像装置5、图像传输设备6及图像处理与显示单元7，采集与成像装置5与图像传输设备6连接，图像传输设备6与图像处理与显示单元7连接。旋转运动发生装置的工作台面1产生匀速或变速旋转运动；特征标志2紧固于旋转运动发生装置的工作台面1，转动运动发生装置的工作台面1与特征标志2具有一致的运动特性；照明设备3为采集与成像装置5提供照明；采集与成像装置固定设备4用于固定采集与成像装置5，使采集与成像装置5的光轴垂直于特征标志2；采集与成像装置5用于采集特征标志运动序列图像；图像传输设备6传输采集与成像装置5采集的特征标志运动序列图像；图像处理与显示单元7处理已采集的特征标志运动序列图像，保存与显示特征标记2的旋转运动角速率与角加速度测量结果。

参考图3为一种基于单目视觉的角速率与角加速度测量流程图。本发明测量方法主要包括以下步骤：

步骤S1：特征标志2安装于旋转运动发生装置的工作台面1，采集与成像装置5的光轴垂直于工作台面的采集与成像设备5，采集与成像设备5采集足够帧数的特征标志运动序列图像；

步骤S2：利用具有不同尺寸的一系列圆形模板实现不同拍摄距离与旋转条件下采集的标志图像上圆的匹配，依次通过四次循环匹配可确定由这四个圆形区域中心构成的感兴趣区域(即ROI)；

步骤S3：采用直线分段检测方法在序列图像的感兴趣区域内检测特征直线边缘以消除背景区域相似边缘的干扰，利用基于最小二乘原理的直线拟合法获得相应的拟合边缘直线。相似地，利用同样的方法获得参考图像的拟合边缘直线；

步骤S4：选择参考图像的特征边缘直线为零度，分别计算后续帧边缘直线与参考图像边缘直线的旋转角度，从而获得相应的角速率与角加速度。

本实施实例装置的具体参数为：频率范围为0.001～10Hz、最大旋转角度为360°的旋转运动发生装置，特征标志2选用由半径为15mm的四个圆围绕一条长为60mm、宽为0.5mm的直线构成的金属板，采集与成像设备5选用最高帧率为1000fps、最大分辨率为9百万像素的OS10-V3-4K工业相机，焦距为16mm的KOWA镜头，照明设备3选用60W的白炽灯。

为验证本发明基于单目视觉的角速率与角加速度测量方法的精度，利用本发明方法实现了0.001～10Hz频率范围内的角速率与角加速度测量。本发明方法具体实施实例与圆光栅法在0.001～10Hz范围内的角速率测量结果如表1所示，单目视觉法与圆光栅法的测量结果高度匹配，整个频率范围内的最大相对偏差不到0.3％。

表1单目视觉法与圆光栅法的角速率测量结果

表2所示位本发明方法具体实施实例与圆光栅法在0.001～10Hz范围内的角加速度测量结果，本发明方法与圆光栅法的测量结果高度相似，整个频率范围内的相对偏差小于0.2％。

表2单目视觉法与圆光栅法的角加速度测量结果

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角速率与角加速度测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤，

S1：将由四个圆围绕一条直线构成的特征标志安装于旋转运动发生装置的工作台面，特征标志与旋转运动发生装置的工作台面具有一致的旋转特性，采集与成像设备获取特征标志运动序列图像；

S2：利用模板匹配方法确定特征标志运动序列图像上由特征标志的四个圆的中心构成的感兴趣区域，并选用一组尺寸不同的圆形模板，通过所述圆形模板与标志图像循环匹配实现不同拍摄距离与旋转条件下采集的标志图像上感兴趣区域的准确确定；

S3：基于直线分段检测方法提取感兴趣区域内的所有特征直线边缘，通过边缘点数的约束仅保留运动方向上的特征直线边缘点坐标，并采用基于最小二乘原理的直线拟合法获取相应的拟合边缘直线；

S4：利用拟合边缘直线解算旋转运动的角速率与角加速度，并保存与显示测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的角速率与角加速度测量方法，其特征在于：

所述特征标志运动序列图像上的感兴趣区域确定，具体为：

对于采集的特征标志运动序列图像{F_j(x,y),j＝1,2,…,N}，j为帧数，N为采集的图像数目，选用具有不同尺寸的圆形模板{T_i(u,v),i＝1,2,…,S}，S为模板个数，通过计算相关系数R_i(x,y)实现标志图像上的圆形区域匹配，R_i(x,y)的计算如下：

式中，R与C分别为模板T_i(u,v)的行与列，

与

分别为F_j(x,y)与T_i(u,v)的灰度平均值；

模板{T_i(u,v)}与F_j(x,y)进行循环匹配计算R_i(x,y)，具有最大R_i(x,y)的F_j(x,y)区域为匹配的圆，依次确定F_j(x,y)上的四个圆即可确定由对应圆心构成的感兴趣区域。

3.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的角速率与角加速度测量方法，其特征在于：

对于所述确定感兴趣区域的F_j(x,y)，选用直线分段检测方法实现感兴趣区域内的矩形区域分类，矩形区域的中心为

其中，G(k)为矩形区域内像素k的灰度值，x(k)与y(k)分别为对应的水平和垂直像素坐标，矩形区域的方向角设置为与矩阵M的最小特征值相关联的特征向量的角度，M为：

其中，

矩形区域的中心线即为直线边缘，通过边缘点个数的限制仅保留运动方向上的直线边缘点坐标，重复N次直线分段检测，可获得序列图像{F_j(x,y)}的直线边缘点坐标{l_j(x,y)}。

4.根据权利要求1所述的基于单目视觉的角速率与角加速度测量方法，其特征在于：

利用基于最小二乘原理的直线拟合法实现{l_j(x,y)}的拟合获得对应的边缘直线{l_j}，选择第1帧图像的边缘直线l₁作为参考零度，依次计算后续帧图像边缘l_j与l₁的角度，旋转运动的角速率由旋转周期内的旋转角度与周期的比值计算获得，而角加速度首先通过计算不同采集时刻的旋转角度，再由旋转角度对时间的二次微分获得。

5.根据权利要求1所述基于单目视觉的角速率与角加速度测量装置，其特征在于：

该装置主要包括：旋转运动发生装置的工作台面(1)、特征标志(2)、照明设备(3)、采集与成像装置固定设备(4)、采集与成像装置(5)、图像传输设备(6)及图像处理与显示单元(7)，采集与成像装置(5)与图像传输设备(6)连接，图像传输设备(6)与图像处理与显示单元(7)连接；

旋转运动发生装置的工作台面(1)产生匀速或变速旋转运动；特征标志(2)紧固于旋转运动发生装置的工作台面(1)，转动运动发生装置的工作台面(1)与特征标志(2)具有一致的运动特性；照明设备(3)为采集与成像装置(5)提供照明；采集与成像装置固定设备(4)用于紧固采集与成像装置(5)，使采集与成像装置(5)的光轴垂直于特征标志(2)；采集与成像装置(5)用于采集特征标志运动序列图像；图像传输设备(6)传输采集与成像装置(5)采集的特征标志运动序列图像；图像处理与显示单元(7)处理已采集的特征标志运动序列图像，保存与显示特征标志(2)的旋转运动的角速率与角加速度测量结果。

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