CN114252015B - 回转运动物体位移的非接触式测量方法 - Google Patents

回转运动物体位移的非接触式测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种回转运动物体位移的非接触式测量方法，回转物体上分布若干待测量的运动物体，将码盘固定在回转物体上，在被测运动物体贴上多个参考定位点。物体开始运动后，高速摄影机进行拍照，运动停止后，终止拍照。被测运动物体初始位置及运动中任意时刻的位置被记录下来，通过参考定位点相对圆心的位置，确定运动物体在任意时刻的运动角度。本发明的优点是基于高速摄像的非接触测量方法，利用视觉算法，对码盘和被测物体之间的相对位置进行计算，能随意安装高速摄影机的位置，对被测物没有损伤。

Description

回转运动物体位移的非接触式测量方法
技术领域
本发明涉及非接触式的测量方法，特别涉及一种回转运动物体位移的非接触式测量方法。
背景技术
根据测量设备是否与被测物体接触，运动物体位移的测量方法分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量如拉线传感器，需要在被测物体上进行固定或钻孔操作，对被测物体的运动有干扰。
非接触式测量如采用霍尔传感器或激光传感器采集数字信号，对电信号进行后处理，但也需要在被测物上进行传感器固定，受被测物体的数量和传感器安放空间的限制。而且，操作复杂，对设备安装空间以及操作水平有较高的要求，测量速度很慢。这是本申请需要着重改善的地方。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要提供一种回转运动物体位移的非接触式测量方法，基于高速摄像的非接触测量方法，利用视觉算法，对码盘和被测运动物体之间的相对位置进行计算，能随意安装高速摄影机的位置，对被测物没有损伤。
为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种回转运动物体位移的非接触式测量方法，包括以下的方法：
S1：沿自身回转中心回转的物体上分布有若干个待测量运动物体，待测量运动物体在回转物体的回转平面上运动，同时待测量运动物体也随着回转物体呈自身回转运动，将码盘固定在回转物体上，在若干个待测量运动物体上分别贴上至少三个参考定位点；
S11：在回转物体的回转表面上靠近回转中心选取用于固定码盘的位置；
码盘圆盘的中心和回转物体的回转中心重合；
S12：制作码盘；
S121：码盘为一圆盘，以圆盘的中心为起点作为极坐标的原点，以原点为起点刻有多条等角度间隔的呈放射分布的线段族，线段族中仅有唯一的一条线段的长度比其它线段短，该线段作为识别区域；
所述线段靠近圆盘的边缘有一小段断开区域；
所述射线将码盘分割成任意相等的角度；
S122：将码盘固定在回转物体上，码盘及码盘上的线段族的识别区域无任何遮挡；
S13：选取待测量运动物体表面的对应位置分别贴上至少三个参考定位点，三个参考定位点之间的相对距离是不同的，便于识别是哪个待测量运动物体；
所述三个参考定位点在运动过程中不被遮挡；
S2：回转物体运动之前，启动高速摄影机进行视频录制；回转物体运动停止后，终止拍摄，高速摄影机在拍摄过程中位置是固定的；
S3：图像识别系统识别回转物体和若干个待测量运动物体的初始位置任意时刻的位置和姿态；
所述图像识别系统包括视频导入模块、图像预处理模块和特征识别模块；视频导入模块是将拍摄的视频逐帧导入；图像预处理模块是将每一帧图像进行二值化；特征识别模块是识别出图像中每个待测量运动物体上的三个参考点和码盘上的线段族；
S31：视频导入模块将拍摄的视频逐帧导入图像识别系统，并将视频流中的每一帧图像分别存储起来，按顺序从1到N以自然数的方式编号；
S32：图像预处理模块按照编号顺序将S31存储的每一帧图像进行二值化处理，并按顺序从1到N以自然数的方式编号存储；
S331：特征识别模块读取S32步骤中编号为1的图像，作为起始图像；
S3311：识别出码盘的中心，作为极坐标的极点，从极点引出一条水平线作为极轴OX；
从码盘外沿任意选取三点，三点连成连接的两条线段，对这两条线段做两条中垂线，两条中垂线相交；
重复上述操作至少三次，已被选中过的点不再被选择，得到三个交点，排除因可能选中最短线段对应的外沿点导致中垂线交点不是圆心的情况发生，选择三个交点中相同的两个作为码盘中心；
S3312：识别出码盘中最短的线段，其与极轴的夹角设为
Figure 717010DEST_PATH_IMAGE001
，并规定逆时针角度为正，顺时针角度为负；
S3313：识别出每一个待测量运动物体的三个参考定位点的坐标，并以三个参考定位点的坐标做内切圆，计算出其内切圆圆心的坐标值作为待测量运动物体的初始位置；
三个参考定位点依次连接成两条线段，并做这两条线段的中垂线，中垂线的交点即为圆心，其与极轴OX的夹角
Figure 890502DEST_PATH_IMAGE002
作为待测量运动物体的初始位置；
每一个待测量运动物体的三个参考定位点之间的相对位置不同，特征识别模块判断出不同的待测量运动物体；
S332：特征识别模块读取S32步骤中编号为2的图像，按S3311步骤识别出码盘中心，作为极坐标的极点，从极点引出一条水平线作为极轴OX，并和起始图像中确定的极点比较坐标是否一致；
不一致导致特征识别模块报错，造成不一致的原因是码盘的固定位置有误差，或者是高速摄影机在拍摄过程中固定位置有移动；
S3321：识别出码盘中最短的线段，计算出其与极轴OX的夹角
Figure 901183DEST_PATH_IMAGE003
，将其与编号为1的图像识别出的角度
Figure 59020DEST_PATH_IMAGE001
进行比较，计算差值作为回转物体的旋转角度；
S3322：识别出每一个待测量运动物体上三个参考定位点的坐标，按S3313步骤计算出其内切圆圆心的坐标值，其与极轴的夹角
Figure 155152DEST_PATH_IMAGE004
；将该内切圆圆心的坐标值与编号为1的图像识别出的圆心的坐标值进行比较；计算差值作为待测量运动物体总的角位移，待测量运动物体自身的角位移为总的角位移减去随回转物体旋转的角位移；
S333：特征识别模块读取S32步骤中编号为i的图像, 按S3311步骤识别出码盘中心，确定极坐标的极点及极轴，并和起始图像中确定的极点比较坐标是否一致；
识别最短线段与极轴的夹角
Figure 601177DEST_PATH_IMAGE005
，与编号为1的图像识别的结果对比，计算差值作为回转物体的旋转角度；
识别出每一个待测量运动物体上三个参考定位点的坐标，计算出其内切圆圆心的坐标值，其与极轴的夹角
Figure 669627DEST_PATH_IMAGE006
，与编号为1的图像识别的结果对比，计算差值作为待测量运动物体总的角位移，待测量运动物体自身的角位移为总的角位移减去随回转物体旋转的角位移；
上述过程计算出了每一幅图像中的码盘相对于起始图像中的码盘的旋转角度，视频的总时长为t，共截取n帧图像，每两幅图像之间的时间间隔为
Figure 808484DEST_PATH_IMAGE007
；进而计算出回转物体的运动角速度
Figure 391912DEST_PATH_IMAGE008
和角加速度
Figure 641628DEST_PATH_IMAGE009
；
上述过程计算出了每一幅图像中待测量运动物体相对于起始图像时旋转角度，根据图像之间的时间间隔，进而计算出待测量运动物体的角速度
Figure 626901DEST_PATH_IMAGE010
和角加速度
Figure 123611DEST_PATH_IMAGE011
。
本发明的优越功效在于：
1）本发明基于高速摄像的非接触测量方法，利用视觉算法，对码盘和被测物体之间的相对位置进行计算，能随意安装高速摄影机的位置，对被测物没有损伤；
2）本发明测量相对复杂的一组运动物体的运动姿态，这是传统传感器因受空间限制所不能比拟的，并且传感器的安装位置，信号可靠度以及信号处理方法都会影响最终的结果。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例码盘的示意图；
图2为本发明实施例各角度的示意图；
图中标号说明：
1—码盘； 11—最短线段；
2—待测量运动物体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
图1示出了本发明实施例码盘的结构示意图，图2示出了本发明实施例各角度的示意图。如图1和图2所示，本发明提供了一种回转运动物体位移的非接触式测量方法，包括以下的方法：
本发明提供了一种回转运动物体位移的非接触式测量方法，包括以下的方法：
S1：沿自身回转中心回转的物体上分布有若干个待测量运动物体，待测量运动物体在回转物体的回转平面上运动，同时待测量运动物体也随着回转物体呈自身回转运动，将码盘固定在回转物体上，在若干个待测量运动物体上分别贴上至少三个参考定位点；
S11：在回转物体的回转表面上靠近回转中心选取用于固定码盘的位置；
码盘圆盘的中心和回转物体的回转中心重合；
S12：制作码盘；
S121：码盘为一圆盘，以圆盘的中心为起点作为极坐标的原点，以原点为起点刻有多条等角度间隔的呈放射分布的线段族，线段族中仅有唯一的一条线段的长度比其它线段短，该线段作为识别区域；
所述线段靠近圆盘的边缘有一小段断开区域；
所述射线将码盘分割成任意相等的角度；
S122：将码盘固定在回转物体上，码盘及码盘上的线段族的识别区域无任何遮挡；
S13：选取待测量运动物体表面的对应位置分别贴上至少三个参考定位点，三个参考定位点之间的相对距离是不同的，便于识别是哪个待测量运动物体；
所述三个参考定位点在运动过程中不被遮挡；
S2：回转物体运动之前，启动高速摄影机进行视频录制；回转物体运动停止后，终止拍摄，高速摄影机在拍摄过程中位置是固定的；
S3：图像识别系统识别回转物体和若干个待测量运动物体的初始位置任意时刻的位置和姿态；
所述图像识别系统包括视频导入模块、图像预处理模块和特征识别模块；视频导入模块是将拍摄的视频逐帧导入；图像预处理模块是将每一帧图像进行二值化；特征识别模块是识别出图像中每个待测量运动物体上的三个参考点和码盘上的线段族；
S31：视频导入模块将拍摄的视频逐帧导入图像识别系统，并将视频流中的每一帧图像分别存储起来，按顺序从1到N以自然数的方式编号；
S32：图像预处理模块按照编号顺序将S31存储的每一帧图像进行二值化处理，并按顺序从1到N以自然数的方式编号存储；
S331：特征识别模块读取S32步骤中编号为1的图像，作为起始图像；
S3311：识别出码盘的中心，作为极坐标的极点，从极点引出一条水平线作为极轴OX；
从码盘外沿任意选取三点，三点连成连接的两条线段，对这两条线段做两条中垂线，两条中垂线相交；
重复上述操作至少三次，已被选中过的点不再被选择，得到三个交点，排除因可能选中最短线段对应的外沿点导致中垂线交点不是圆心的情况发生，选择三个交点中相同的两个作为码盘中心；
S3312：识别出码盘中最短的线段，其与极轴的夹角设为
Figure 194335DEST_PATH_IMAGE001
，并规定逆时针角度为正，顺时针角度为负；
S3313：识别出每一个待测量运动物体的三个参考定位点的坐标，并以三个参考定位点的坐标做内切圆，计算出其内切圆圆心的坐标值作为待测量运动物体的初始位置；
三个参考定位点依次连接成两条线段，并做这两条线段的中垂线，中垂线的交点即为圆心，其与极轴OX的夹角
Figure 247741DEST_PATH_IMAGE012
作为待测量运动物体的初始位置；
每一个待测量运动物体的三个参考定位点之间的相对位置不同，特征识别模块判断出不同的待测量运动物体；
S332：特征识别模块读取S32步骤中编号为2的图像，按S3311步骤识别出码盘中心，作为极坐标的极点，从极点引出一条水平线作为极轴OX，并和起始图像中确定的极点比较坐标是否一致；
不一致导致特征识别模块报错，造成不一致的原因是码盘的固定位置有误差，或者是高速摄影机在拍摄过程中固定位置有移动；
S3321：识别出码盘中最短的线段，计算出其与极轴OX的夹角
Figure 87521DEST_PATH_IMAGE003
，将其与编号为1的图像识别出的角度
Figure 568181DEST_PATH_IMAGE001
进行比较，计算差值作为回转物体的旋转角度；
S3322：识别出每一个待测量运动物体上三个参考定位点的坐标，按S3313步骤计算出其内切圆圆心的坐标值，其与极轴的夹角
Figure 860622DEST_PATH_IMAGE004
；将该内切圆圆心的坐标值与编号为1的图像识别出的圆心的坐标值进行比较；计算差值作为待测量运动物体总的角位移，待测量运动物体自身的角位移为总的角位移减去随回转物体旋转的角位移；
S333：特征识别模块读取S32步骤中编号为i的图像, 按S3311步骤识别出码盘中心，确定极坐标的极点及极轴，并和起始图像中确定的极点比较坐标是否一致；
识别最短线段与极轴的夹角
Figure 717720DEST_PATH_IMAGE005
，与编号为1的图像识别的结果对比，计算差值作为回转物体的旋转角度；
识别出每一个待测量运动物体上三个参考定位点的坐标，计算出其内切圆圆心的坐标值，其与极轴的夹角
Figure 349690DEST_PATH_IMAGE006
，与编号为1的图像识别的结果对比，计算差值作为待测量运动物体总的角位移，待测量运动物体自身的角位移为总的角位移减去随回转物体旋转的角位移；
上述过程计算出了每一幅图像中的码盘相对于起始图像中的码盘的旋转角度，视频的总时长为t，共截取n帧图像，每两幅图像之间的时间间隔为
Figure 1251DEST_PATH_IMAGE007
；进而计算出回转物体的运动角速度
Figure 46567DEST_PATH_IMAGE008
和角加速度
Figure 441777DEST_PATH_IMAGE009
；
上述过程计算出了每一幅图像中待测量运动物体相对于起始图像时旋转角度，根据图像之间的时间间隔，进而计算出待测量运动物体的角速度
Figure 990570DEST_PATH_IMAGE010
和角加速度
Figure 78611DEST_PATH_IMAGE011
。
本发明非接触式测量方法的精度取决于高速摄影机的拍照频率以及图像识别系统的精度。
以上所述仅为本发明的优先实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种回转运动物体位移的非接触式测量方法，包括以下的方法：
S1：沿自身回转中心回转的物体上分布有若干个待测量运动物体，待测量运动物体在回转物体的回转平面上运动，同时待测量运动物体也随着回转物体呈自身回转运动，将码盘固定在回转物体上，在若干个待测量运动物体上分别贴上至少三个参考定位点；
S2：回转物体运动之前，启动高速摄影机进行视频录制；回转物体运动停止后，终止拍摄，高速摄影机在拍摄过程中位置是固定的；
S3：图像识别系统识别回转物体和若干个待测量运动物体的初始位置任意时刻的位置和姿态；
所述图像识别系统包括视频导入模块、图像预处理模块和特征识别模块；视频导入模块是将拍摄的视频逐帧导入；图像预处理模块是将每一帧图像进行二值化；特征识别模块是识别出图像中每个待测量运动物体上的三个参考点和码盘上的线段族；
S31：视频导入模块将拍摄的视频逐帧导入图像识别系统，并将视频流中的每一帧图像分别存储起来，按顺序从1到N以自然数的方式编号；
S32：图像预处理模块按照编号顺序将S31存储的每一帧图像进行二值化处理，并按顺序从1到N以自然数的方式编号存储；
S331：特征识别模块读取S32步骤中编号为1的图像，作为起始图像；
S3311：识别出码盘的中心，作为极坐标的极点，从极点引出一条水平线作为极轴OX；
从码盘外沿任意选取三点，三点连成连接的两条线段，对这两条线段做两条中垂线，两条中垂线相交；
重复上述操作至少三次，已被选中过的点不再被选择，得到三个交点，排除因可能选中最短线段对应的外沿点导致中垂线交点不是圆心的情况发生，选择三个交点中相同的两个作为码盘中心；
S3312：识别出码盘中最短的线段，其与极轴的夹角设为
Figure 460223DEST_PATH_IMAGE002
，并规定逆时针角度为正，顺时针角度为负；
S3313：识别出每一个待测量运动物体的三个参考定位点的坐标，并以三个参考定位点的坐标做内切圆，计算出其内切圆圆心的坐标值作为待测量运动物体的初始位置；
三个参考定位点依次连接成两条线段，并做这两条线段的中垂线，中垂线的交点即为圆心，其与极轴OX的夹角
Figure 393544DEST_PATH_IMAGE004
作为待测量运动物体的初始位置；
S332：特征识别模块读取S32步骤中编号为2的图像，按S3311步骤识别出码盘中心，作为极坐标的极点，从极点引出一条水平线作为极轴OX，并和起始图像中确定的极点比较坐标是否一致；
S3321：识别出码盘中最短的线段，计算出其与极轴OX的夹角
Figure 62422DEST_PATH_IMAGE006
，将其与编号为1的图像识别出的角度
Figure DEST_PATH_IMAGE008
进行比较，计算差值作为回转物体的旋转角度；
S3322：识别出每一个待测量运动物体上三个参考定位点的坐标，按S3313步骤计算出其内切圆圆心的坐标值，其与极轴的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；将该内切圆圆心的坐标值与编号为1的图像识别出的圆心的坐标值进行比较；计算差值作为待测量运动物体总的角位移，待测量运动物体自身的角位移为总的角位移减去随回转物体旋转的角位移；
S333：特征识别模块读取S32步骤中编号为i的图像，按S3311步骤识别出码盘中心，确定极坐标的极点及极轴，并和起始图像中确定的极点比较坐标是否一致；
识别最短线段与极轴的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，与编号为1的图像识别的结果对比，计算差值作为回转物体的旋转角度；
识别出每一个待测量运动物体上三个参考定位点的坐标，计算出其内切圆圆心的坐标值，其与极轴的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，与编号为1的图像识别的结果对比，计算差值作为待测量运动物体总的角位移，待测量运动物体自身的角位移为总的角位移减去随回转物体旋转的角位移；
上述过程计算出了每一幅图像中的码盘相对于起始图像中的码盘的旋转角度，视频的总时长为t，共截取n帧图像，每两幅图像之间的时间间隔为
Figure 508316DEST_PATH_IMAGE015
；进而计算出回转物体的运动角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE016
和角加速度
Figure 997066DEST_PATH_IMAGE017
；
上述过程计算出了每一幅图像中待测量运动物体相对于起始图像时旋转角度，根据图像之间的时间间隔，进而计算出待测量运动物体的角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE018
和角加速度
Figure 937340DEST_PATH_IMAGE019
。
2.根据权利要求1所述的一种回转运动物体位移的非接触式测量方法，其特征在于：所述S1步骤包括：
S11：在回转物体的回转表面上靠近回转中心选取用于固定码盘的位置；
S12：制作码盘；
S121：码盘为一圆盘，以圆盘的中心为起点作为极坐标的原点，以原点为起点刻有多条等角度间隔的呈放射分布的线段族，线段族中仅有唯一的一条线段的长度比其它线段短，该线段作为识别区域；
S122：将码盘固定在回转物体上；
S13：选取待测量运动物体表面的对应位置分别贴上至少三个参考定位点，三个参考定位点之间的相对距离是不同的。
3.根据权利要求2所述的一种回转运动物体位移的非接触式测量方法，其特征在于：所述S11步骤中的码盘圆盘的中心和回转物体的回转中心重合。
4.根据权利要求2所述的一种回转运动物体位移的非接触式测量方法，其特征在于：所述S121步骤中，射线将码盘分割成任意相等的角度。
5.根据权利要求2所述的一种回转运动物体位移的非接触式测量方法，其特征在于：所述S12步骤中，码盘及码盘上的线段族的识别区域无任何遮挡；所述S13步骤中，所述三个参考定位点在运动过程中无遮挡。
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