CN114187361A - 一种回转壳体谐振子定位对准系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对回转壳体谐振子的定位对准系统，包括视觉传感器、图像处理模块、高精度运动平台、可微调装夹装置。所述视觉传感器主要由三个CCD相机组成；所述图像处理模块实现对谐振子图像的预处理、目标基准特征提取等功能；高精度运动平台包括三个互相空间垂直的直线运动平台，一个旋转运动平台，组成四自由度运动平台；可微调装夹装置可实现空间两自由度的旋转角度微调，平面二维的平移距离微调。由以上功能模块组成的定位对准系统解决了回转体壳体谐振子的定位对准问题。本发明也公开了一种基于视觉伺服的对谐振子进行定位对准的方法，在上述系统的基础上，通过控制运动平台与CCD相机协同工作，实现对谐振子相对基准特征偏离值的求解，反馈给可微调装夹装置进行位姿校正，实现快速、便捷、精确地实现对回转壳体谐振子的定位对准。

Description

一种回转壳体谐振子定位对准系统和方法

技术领域

本发明涉及机械装夹领域，尤其涉及一种回转壳体谐振子定位对准系统和方法。

背景技术

现今民用(工业)、军用(国防)导航需求的日益提升，推动惯性导航技术不断进步和发展，惯性导航系统越来越复杂，在航天、航空、舰船、车辆等应用领域均发挥着至关重要的作用，主要为运动载体确定自身相对惯性空间的运动速度和角位移。而在该系统中完成这一关键功能的传感器就是陀螺仪，进而可实现对运动载体的姿态监测、运动控制等等。故对于陀螺仪的研制也越来越受到诸多科研机构的关注。

陀螺仪根据工作原理不同，有多种分类，而壳体振动陀螺作为典型陀螺仪中的一种，具有低成本、高灵敏度、高可靠性和长寿命等综合特性，其基本原理是利用旋转运动的谐振子在哥氏力作用下，可通过在陀螺检测模态测出的振动信号解算出输入角速度。谐振子多为一种回转壳体的谐振结构，作为壳体振动陀螺的核心器件，谐振子的品质、精度等直接决定了陀螺的性能，即对谐振子有如下参数要求：高度的物理几何对称性，稳定的模态振型，极高的品质因数以及完全匹配的驱动和检测模态频率等，现有的关键技术也是围绕以上性能要求展开。

对于回转壳体谐振子的频率匹配，常用的方式为利用飞秒激光对谐振子特定位置进行烧蚀以去除质量，从而实现对频差的修调；振动模态测试多采用多普勒激光测振仪对谐振子进行光学原理测振，而为了测出谐振子的振型、刚性轴、阻尼轴的方位角等。为了实现以上的频差修调以及振型测试应用需求，均需要严格保证谐振子的安装定位对准精度，相关工艺基准对齐，即对谐振子的高精度装夹。

而对于在谐振子测试和修调过程中的装夹定位对准问题，现在主要采用的方式即为定制专门的高精度的夹具，再通过人工判断定位对准的位置和偏移量来调整谐振子位姿，这种方式适用范围小，成本高，针对不同尺寸的谐振子需要定制不同的夹具，且智能化程度低，人工微调的操作导致工作效率低。若将机器视觉方法应用于谐振子装配系统中，通过视觉伺服技术对谐振子的定位对准实现自动控制，那么可以很大程度上简化了操作步骤，提高工作效率，并能保证校准精度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供了一种回转壳体谐振子定位对准系统和方法。本发明针对现有对回转壳体谐振子的装夹过程中的位姿校准问题，提出基于视觉伺服技术的谐振子定位对准系统和方法，为实现谐振子高精度定位装夹的自动化，简化操作步骤并提高工作效率做准备。

(二)技术方案

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种回转壳体谐振子定位对准系统，包括：视觉传感器、图像处理模块、高精度运动平台、可微调装夹装置。

所述视觉传感器，即工业CCD相机通过专用夹具安装在实验平台上，调整合适的光源、视场和焦距后固定，采用三个工业CCD相机分别采集谐振子的前视图、左视图以及俯视图的数字图像信息。

所述图像处理模块集成在上位机中，对视觉传感器采集到的谐振子图像进行处理，主要包括图像预处理，图像分割，目标边缘检测等，来确定谐振子在图像坐标系中的基准特征。

所述高精度运动平台包括三个直线运动平台，分别控制载物台沿X轴、Y轴以及Z轴做正交直线运动(以载物台平面中心点作为原点建立X-Y-Z笛卡尔坐标系)，一个旋转平台，控制载物台绕Z轴旋转的运动，综合为四自由度运动平台。

所述可微调装夹装置上有定位孔，可实现谐振子的初步定位，并有转接板用于连接谐振子和载物台。该装置上集成有沿平行于X轴，Y轴方向直线平移微调装置，以及可绕X轴、Y轴旋转角度微调装置，其通过串行通信接口连接到上位机实现自动控制。

一种利用上述回转壳体谐振子定位对准系统进行谐振子定位对准的方法，包括步骤如下：

步骤1：完成整个系统的硬件和软件安装。

步骤1.1：将四自由度的运动平台按照设计组装起来，固定在实验台上，其中旋转运动平台即可作为载物台，将谐振子、可微调装夹装置和载物台两两用转接板连接，完成初步装夹，并通过控制器将运动平台和可微调装置与上位机建立通信，使用USB接口实现数据传输。

步骤1.2：根据整体运动系统和谐振子位置和方向，将上述三个工业CCD相机分别安装在系统的正前方、正左方以及正上方，并将光源、视场、焦距等调整合适，并保证采集到清晰的谐振子图像，并实现相机与上位机通信。

步骤1.3：在上述控制器配置与通信建立完备的基础上，于上位机的人机交互软件中集成图像处理模块，以及对运动平台和可微调装置的运动控制模块，从而实现各个功能模块的数据传输与自动化控制。

步骤2：在图像处理模块中对谐振子图像进行处理。

步骤2.1，对于谐振子图像的预处理包括灰度化、以及过滤噪声。

步骤2.2，对于谐振子预处理后的图像进行图像分割，从图像背景中提取谐振子目标区域。

步骤2.3，对谐振子图像提取到的目标区域进行边缘像素提取。

步骤2.4，对谐振子图像中提取的边缘像素点进行直线、圆拟合，从而确定谐振子在图像中的关键特征的位置坐标，并作为初步基准。

步骤3：首先完成相机标定，即确定采集图像像素尺寸与实际尺寸之间的比例关系。控制运动平台运动并采集图像、处理图像进而调整可微调装置，实现通过视觉伺服的方法对谐振子进行定位对准。

具体为通过上位机集成软件设置各功能模块协同工作的节拍，调整CCD相机的连续采集图像频率，使其与单一自由度运动平台运动速度的配合，可采集到一系列清晰的谐振子图像，并在图像处理完成后，根据求解出的谐振子图像目标基准特征，解算出单一方向的偏差量，反馈给可微调装夹装置进行谐振子位姿校正，并重复上述过程，直到偏差量达到误差精度要求即完成谐振子的定位对准。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明通过应用视觉伺服技术，实现回转壳体谐振子在系统中的定位对准，相较于传统装夹方式，定位对准精度更高。

(2)本发明通过应用视觉伺服技术，实现回转壳体谐振子在系统中的自动化定位对准，相较于传统的人工装夹方式，操作步骤简化、提高了工作效率。

(3)本发明最终实现可微调装夹装置与谐振子作为一个整体，与实验台完成高精度定位对准，而整个系统也不再拆卸，可直接作为子功能模块系统，成为模态振型测试以及陀螺频差修调实验台的一部分，为下一步工作建立基础。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例中提供的系统示意图；

图2为本发明实施例中提供的图像处理，解算目标特征基准的算法流程图；

图3为本发明实施例中提供的回转壳体谐振子定位对准的整体流程图；

图例说明

1：CCD相机夹具；2：俯视CCD相机；3：左视CCD相机；4：圆柱壳体陀螺；5：可微调装夹装置；6：Y轴运动平台；7：旋转运动平台；8：载物台；9：X轴运动平台；10：Z轴运动平台；11：运动平台控制器；12：数据线；13：上位机；14：正视CCD相机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明涉及一种回转壳体谐振子定位对准系统，系统中包括：视觉传感器、图像处理模块、高精度运动平台、可微调装夹装置。这里的回转壳体谐振子，包括圆柱壳体振动陀螺谐振子、圆盘形振动陀螺谐振子，以及半球壳体振动陀螺谐振子等等，本实施例将圆柱壳体振动陀螺谐振子作为定位对准的目标。

所述视觉传感器采用工业CCD相机，根据实验台上的定位孔，通过专用定位夹具将三个工业CCD相机安装在实验台上，如图1所示的摆放位置，采用平行光源提供充足的照明，调整三个相机的主光轴空间垂直，保证视场、焦距合适，均能聚焦到圆柱壳体谐振子的预设平面上，能采集到清晰的圆柱壳体谐振子正视图、左视图以及俯视图的图像，并通过数据线将数字图像传输给上位机。

所述图像处理模块，即在上位机的Windows系统上，基于Microsoft VisualStudio 2013集成开发环境，使用C++编程语言，配置OpenCV计算机视觉库，通过程序指令触发相机采集图像，并对采集的圆柱壳体谐振子原始图像进行灰度化、对灰度图像进行中值滤波、对滤波图像进行目标区域的分割提取、对目标图像进行边缘检测、对图像边缘像素进行拟合、求解图像中谐振子在图像坐标系中的二维位姿特征。应用微软基础类库(MFC)进行人机交互操作界面设计，将以上图像处理功能集成到该界面中。

所述高精度运动平台，包括三个直线运动平台，一个旋转平台，综合为四自由度运动平台，用于承载如图1中所示载物台运动。以载物台平面中心点作为原点建立X-Y-Z笛卡尔坐标系，三个直线运动平台直线运动重复精度为±1微米，分别控制载物台沿X轴、Y轴以及Z轴做正交直线运动，一个旋转平台旋转运动重复精度为±0.05°，控制载物台绕Z轴旋转的运动。且四个运动平台连接面粗糙度可达到定位精度需求，其通过控制器提供的串行通信接口，连接到上位机实现自动控制，软件控制单元集成到人机交互操作界面中。

所述可微调装夹装置如图1所示，该装置通过预设有定位孔的转接板，将圆柱壳体谐振子连接在载物台上，可实现谐振子的初步定位装夹。该可微调装夹装置上集成有沿平行于载物台X轴，Y轴方向的直线平移微调装置，直线运动重复精度±1微米，以及可绕X轴、Y轴旋转的微调装置，旋转重复精度±0.05°，微调装置通过控制器提供的串行通信接口，连接到上位机实现自动控制，软件控制单元集成到人机交互操作界面中。

下面结合附图和实施例进一步说明利用上述回转壳体谐振子定位对准系统进行圆柱壳体谐振子定位对准的方法，包括步骤如下：

步骤1：完成整个系统的硬件和软件安装。如图1所示，对于硬件，将三个CCD工业相机、四自由度运动平台、可微调装夹装置、圆柱壳体谐振子及照明装置使用专用夹具支架、转接板进行组装，完成硬件系统搭建；对于软件，将图像处理模块、运动控制模块以及微调控制模块集成在基于MFC的人机交互操作界面中。

步骤2：在图像处理模块中对圆柱壳体谐振子图像进行处理。如图2所示，对谐振子图像进行处理的流程步骤如下：

步骤2.1对于圆柱壳体谐振子图像的灰度化，采用Gamma校正方法灰度化，将图像中的像素值都计算为0—255的灰度值，对于灰度化图像滤波采用双边滤波的方法，在滤除噪声的同时可较好的保存图像的边界信息。

步骤2.2，对于滤波后的谐振子图像进行图像分割，应用OTSU算法(大津法—最大类间方差法)对该图像进行二值化，因为目标区域连通域面积最大，对二值化图像根据面积特征筛选，将较大面积噪声区域进一步过滤剔除，即可从图像背景中提取谐振子目标区域。

步骤2.3，对谐振子灰度图像的目标区域进行边缘检测，采用Canny算子对图像中谐振子的轮廓边缘像素提取，并将边缘像素点集合在图像坐标系中的坐标值存储到预设向量中便于拟合求解。

步骤2.4，对于圆柱壳体谐振子图像中的主视图和左视图，将顶端面的边缘直线作为目标特征，采用Hough变换的算法，原理是把图像坐标系中的坐标转换到(ρ，θ)参数空间中，利用点和线的对偶性，将图像中出现的直线通过转换表达形式变为参数空间中的一个点，该点作为峰值点，其坐标即为直线的方程参数，根据此原理可以讲图像中的所有直线都进行提取拟合，并求解出每条直线的方程，由于OpenCV计算机视觉库中设置图像坐标系原点为左上角，则可将由Hough变换算法求解出的若干直线的方程中，斜率接近0且截距最小的直线可作为圆柱壳体谐振子顶端直线基准。

步骤2.5，对于圆柱壳体谐振子图像中的俯视图，像素点是按照一个整圆轮廓分布，采用最小二乘法对该圆进行拟合，原理是根据建立的圆方程，最小化预测值与样本值的总平方和，利用最大似然法，以求得最佳的圆方程参数，即圆心坐标及半径，可将求解得到拟合圆的圆心作为圆柱壳体谐振子上端面的位置基准。

步骤3：控制运动平台运动并采集图像、处理图像进而调整可微调装置，实现通过视觉伺服的方法对圆柱壳体谐振子进行定位对准，整体操作步骤如图3所示。

步骤3.1：将标准标定板放置于载物台上，应用OpenCV计算机视觉库内置的标定算法，对CCD相机的相关参数进行标定，可确定采集的二维图像中的像素尺寸与实际空间坐标系中尺寸的比例关系，用于对实际微调量的解算。

步骤3.2：通过上位机集成软件设置各功能模块协同工作的节拍，调整CCD相机的连续采集图像频率，使其与单一自由度运动平台运动速度的配合，可采集到一系列清晰的圆柱壳体谐振子图像。

步骤3.3：在正视图对应CCD相机的视野中，控制载物台沿着X轴方向做直线运动，并控制该相机采集一系列的谐振子正视图像，根据步骤2，可提取谐振子顶端边缘直线斜率特征，取一系列斜率取平均值，解算出将该直线调水平的角度偏差量，反馈给可微调装夹装置，调整载物台绕Y轴旋转相同角度。

步骤3.4：在左视图对应CCD相机的视野中，控制载物台沿着Y轴方向做直线运动，并控制该相机采集一系列的谐振子左视图像，根据步骤2，可提取谐振子顶端边缘直线斜率特征，取一系列斜率取平均值，解算出将该直线调水平的角度偏差量，反馈给可微调装夹装置，调整载物台绕X轴旋转相同角度。

步骤3.5：在俯视图对应CCD相机的视野中，控制载物台绕Z轴做旋转运动，并控制该相机采集一系列的谐振子俯视图像，根据步骤2，可提取谐振子上端面圆的图像中圆心坐标特征，取一系列圆心坐标再做圆拟合，求解出谐振子与下面旋转平台同轴的理想圆心坐标，根据初始位置的像素圆心坐标，以及步骤3.1中标定的像素尺寸与实际尺寸的比例关系，解算出实际空间坐标系中谐振子沿X轴和Y轴方向的偏移量，反馈给可微调装夹装置，调整载物台分别沿X轴、Y轴反方向平移相同偏移量。

步骤3.6：重复以上步骤3.3—3.5，逐个计算单一方向的偏差量是否小于预设的收敛条件，即允许的最大旋转倾斜误差0.1°，最大直线偏移误差0.01mm，如果达到误差精度要求则表示完成对回转壳体谐振子的定位对准，否则就转至步骤3.2继续执行。

本发明针对圆柱壳体谐振子的定位对准问题，提出基于视觉伺服的技术，结合高精度运动平台以及可微调装夹装置，通过图像处理的方法求解谐振子偏离理想位姿的偏移量，并计算出对应的调整量反馈给微调装置，实现对谐振子位姿的校准，完成对其定位对准。该方法操作步骤简单，具有较高精度的优势，最终实现可微调装夹装置与圆柱壳体谐振子作为一个整体，与实验台完成高精度定位对准，可直接作为子功能模块系统，成为模态振型测试以及陀螺频差修调实验台的一部分，为下一步工作建立基础。

应当理解的是，上述针对本发明实施的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种回转壳体谐振子定位对准系统，其特征在于，包括视觉传感器、图像处理模块、高精度运动平台、可微调装夹装置。回转壳体谐振子，包括圆柱壳体振动陀螺谐振子、圆盘形振动陀螺谐振子，以及半球壳体振动陀螺谐振子等等；

所述视觉传感器使用专用夹具实现正交装夹，用于获取回转壳体谐振子三视图的图像，通过数据线与上位机连接，并将采集到的数字图像传入上位机进行图像处理；

所述图像处理模块对回转壳体谐振子图像进行处理，用于获取图像中回转体谐振子的目标基准特征；

所述高精度运动平台包括三个直线运动平台以及一个旋转运动平台，通过控制器与上位机连接，可通过编程，实现自动引导控制回转壳体谐振子做高精度的四自由度运动；

所述可微调装夹装置包括四自由度的微调机构，通过控制器与上位机连接，可通过编程，实现两轴的空间旋转角度微调，以及平面两维的水平直线微调的自动化控制。

2.如权利要求1所述的回转壳体谐振子定位对准系统，其特征在于视觉传感器与高精度运动平台协同工作，按照预设的平台运动速度以及CCD相机采集节拍，并对图像像素与实际尺寸的比例关系进行标定。

3.如权利要求2所述的回转壳体谐振子定位对准系统，其特征在于图像处理模块对回转壳体谐振子进行图像处理的具体步骤为：

步骤1，对谐振子图像进行预处理，包括灰度化和初步滤波；

步骤2，对去噪的谐振子图像进行图像分割，并进一步筛选目标区域；

步骤3，对谐振子的目标区域进行边缘检测，提取谐振子边缘像素；

步骤4，根据提取到的边缘像素分别进行直线与圆拟合。

4.如权利要求1和3所述的回转壳体谐振子定位对准系统，其特征在于针对图像处理后谐振子边缘拟合特征，对于不同视图的回转壳体谐振子目标基准进行筛选，正视图中，将拟合的多个直线中斜率接近0且截距最小的直线，即谐振子顶端边缘直线的斜率作为基准特征，左视图与正视图同理，俯视图中，将谐振子上端面拟合圆的圆心坐标作为基准特征。

5.如权利要求1和4所述的回转壳体谐振子定位对准系统，其特征在于根据设定的对应视图的回转壳体谐振子的基准特征，分别控制对应的运动平台进行匀速运动，并采集一系列的视图图像，都进行图像处理后，解算出相应的偏离量，并反求反馈量。

对于谐振子的正视与左视的一系列图像中，将若干顶端直线斜率求解平均值，利用反三角函数求出谐振子相对于水平面的偏转角度作为反馈量，对于谐振子的俯视的一系列图像中，将若干上端面拟合圆的圆心轨迹进行二次圆拟合，将二次拟合圆的圆心坐标作为偏离量，取负值作为反馈量。

6.如权利要求1和5所述回转壳体谐振子定位对准系统，实现对谐振子的定位对准的整体步骤流程为：

步骤1，按照预设的速度和工作节拍，控制运动平台分别进行单自由度运动，对应视图的相机采集一系列图像；

步骤2，对采集到的一系列图像进行图像处理，提取拟合的基准特征，并求解出位姿校正的反馈量；

步骤3，根据反馈量分别控制可微调装夹装置的对应轴进行自动化微调；

步骤4，微调后的回转壳体谐振子再进行以上步骤，求解相应的偏离量，与预设允许误差进行比较判断，直到符合精度，否则循环重复以上步骤。

步骤5，在通过微调完成谐振子某单一自由度的定位对准后，再进行其他自由度的定位对准，直至谐振子三视图定位对准都达到要求精度。

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