CN1912534A - 非接触式三轴气浮台转角测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种非接触式三轴气浮台转角测量装置及其测量方法。在三轴气浮台台面中心安装有微型绿光激光器，台面上装有彩色CCD摄像机，CCD摄像机通过数据线与图像采集卡相连，图像采集卡装入气浮台台面控制单元PC/104，在气浮台上方安装由4个红光LED和白色底板构成的测量靶标。采用彩色CCD摄像机采集由4个红光LED和微型绿光激光器在测量靶标白色底板上形成的光点构成的图像，利用计算机视觉理论并结合测量靶标及CCD摄像机安装信息，计算出气浮台台面的转动参数，并通过连续获取图像序列，实现对三轴气浮台转角的非接触、无扰动、大范围、高频率的测量。

Description

非接触式三轴气浮台转角测量装置及其测量方法

(一)技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种非接触式三轴气浮台转角的无干扰、廉价的、高精度视觉测量系统。

(二)背景技术

利用三轴气浮台实现卫星控制系统全物理仿真能够验证控制系统方案设计的正确性，检验实际控制系统的功能和性能，是卫星研制过程中的重要手段和方法。

卫星控制系统全物理仿真实现过程中的核心问题就要在地面上模拟卫星在轨失重条件下的姿态运动，三轴气浮台依靠压缩空气在球面气浮轴承与轴承座间形成的气膜，产生向上的作用力，抵消台面的重力，使台面浮起，从而利用台面的角运动近似模拟在轨运行时处于失重状态下的卫星姿态运动。

卫星姿态控制过程中需要通过姿态敏感器动态地测量卫星相对某一坐标系的姿态信息，反馈给姿态控制计算机，经分析计算后形成控制指令，驱动执行机构实现卫星姿态控制。因此为模拟卫星姿态控制过程，需进行气浮台转角的动态测量，且其测量精度的高低直接影响了卫星姿态控制系统物理仿真的效果。传统上，通常利用光电码盘来测量刚体角运动，由于该方法具有结构简单、测量精度高、完全数字化等受到广泛关注和应用，也涌现了多种光电码盘产品，例如中国专利申请号：200410086057.4，名称：转动编码器的专利文献中记载的技术方案等，但光电码盘只能用于单轴转动的角度测量，在三轴气浮台的角运动测量应用中具有局限性。

经文献检索发现，中国发明专利申请号：200410009083.7，专利名称为：刚体空间位姿测量装置及其测量方法，该专利采用拉线式编码器实现了一种接触式的低成本、高精度的刚体空间位置和姿态地测量装置和测量方法。但由于三轴气浮台需要为卫星姿态控制系统物理仿真提供一个无干扰的环境，因此本专利文件提供的接触式测量装置和测量方法无法满足三轴气浮台角运动测量需求。

哈尔滨工业大学的张晓友、刘暾和北京控制工程研究所的李季苏等提出了一种三轴气浮台单框伺服测角系统，该系统在气浮台基座上安装一个可以绕气浮台中心铅垂线转动的圆弧臂，并在其上安装可以移动的滑架，通过敏感圆弧臂的转动和滑架的移动测量气浮台的三个姿态角(张晓友，刘暾，李季苏。三轴气浮台单框伺服测角系统的研究。宇航学报。第17卷，第4期，1996年，pp.71-74)。但该系统需要增加复杂的机械系统和敏感器系统，结构过于复杂。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够动态地测量出三轴气浮台包括绕垂直转轴的旋转角和绕其他两轴的倾斜角三个姿态角的测量装置，且装置结构简单、成本低、精度高、不会对三轴气浮台产生干扰。本发明的目的还在于提供三轴气浮台转角的测量方法。

本发明的目的是这样实现的：在三轴气浮台台面中心安装有微型绿光激光器，气浮台台面上安装有彩色CCD摄像机，CCD摄像机通过数据线与图像采集卡相连，图像采集卡装入台面上的控制单元PC/104，在三轴气浮台上方安装由4个红光LED和白色底板构成的测量靶标。

本发明的非接触式三轴气浮台转角测量装置的组成还可以包括这样一些特征：

1、所述的CCD摄像机是普通的彩色CCD摄像机。

2、所述的测量靶标由构成等腰三角形的3个红光LED和位于三角形中心的红光LED及白色底板构成。

3、测量靶标安装在三轴气浮台上方，且三角形中心的红光LED位于三轴气浮台垂直转轴的正上方。

本发明的测量方法包括如下几个步骤：

1)对CCD摄像机进行标定；

2)测量靶标和气浮台台面中心的微型绿光激光器加电；

3)由彩色CCD摄像机采集由4个红光LED和气浮台台面中心的微型绿光激光器在测量靶标白色底板上形成的光点构成的彩色图像，通过图像采集卡采集到控制单元PC/104；

4)对测量靶标图像上的五个特征像点进行分割和匹配；

5)对测量靶标图像上的五个特征像点中心进行亚像素定位；

6)计算气浮台台面转角；

7)重复步骤3-6，实现非接触式三轴气浮台转角的连续测量。

本发明的非接触式三轴气浮台转角测量系统由测量靶标、CCD摄像机、图像采集卡、气浮台台面控制单元PC/104及微型绿光激光器等组成。测量靶标由构成等腰三角形的3个红光LED和位于三角形中心的红光LED及白色底板构成，测量靶标安装于三轴气浮台台面上方，且三角形中心的红光LED位于三轴气浮台垂直转轴的正上方；微型绿光激光器安装在三轴气浮台台面中心，在气浮台台面没有倾斜时，在测量靶标上产生的光斑在三角形中心红光LED处，转动过程中在测量靶标的白色底板上产生绿色光点，能够辅助测量三轴气浮台台面的两个倾斜角；CCD摄像机采用市场上普通的彩色CCD摄像机，固定在三轴气浮台台面上，能对测量靶标进行成像，并通过数据线与装有图像采集卡的气浮台台面控制单元PC/104相连，完成测量靶标的图像采集。

该系统的基本工作原理是在三轴气浮台转动过程中，安装于气浮台台面中心的微型绿光激光器在测量靶标上产生绿色光点，由CCD摄像机采集测量靶标的四个LED及绿色光点构成的图像，并经过图像采集卡，变成数字图像信号，其次由控制单元PC/104对数字图像信号进行运算处理，主要包括图像预处理、图像分割、特征提取、识别和匹配，然后利用采集到的特征靶标图像信息计算三轴气浮台三个转角。

作为本发明的一个改进，选用了普通的彩色CCD摄像机实现对由测量靶标进行成像，系统结果简单且成本低，并且能够选择高性能的CCD摄像机提高三轴气浮台台面转角的测量精度。

作为本发明的另一个改进，为避免环境光照条件的影响，提高测量靶标与环境的对比度，采用多个具有一定构型的红光LED，为辅助测量气浮台的两个倾角，且有利于光标点的识别，在气浮台台面中心安装微型绿光激光器，能够在气浮台倾斜时在测量靶标的白色底板上产生绿色光点。

本发明采用一套彩色CCD摄像机采集由测量靶标上的4个红光LED和气浮台台面中心微型绿光激光器在测量靶标白色底板上形成的光点构成的图像，利用计算机视觉理论并结合测量靶标和CCD摄像机的安装信息，计算出气浮台台面的三个转角，并通过连续获取图像序列，实现对三轴气浮台转角的非接触、无扰动、大范围、高频率的测量。其主要优点体现在：

1、该系统采用非接触式的视觉测量，气浮台转角测量过程不会对三轴气浮台运动造成干扰；

2、采用红光LED构成的测量靶标和辅助测量的微型绿光激光器相配合的手段，能够提高测量光标点与周围环境光照的对比度，并能够大大简化图像处理过程；

3、系统所使用的设备都是通用的商用产品，因此系统结构简单、成本低、容易实现；

4、采用高分辨率的CCD摄像机和图像采集卡，并利用亚像素高精度定位技术，能够实现高精度的转角测量。

(四)附图说明

图1是非接触式三轴气浮台转角测量系统的基本原理示意图。

图2是测量靶标结构示意图。

图3为本发明测量系统涉及到的坐标系。

图4-5是三轴气浮台仅有绕垂直转轴转动时的靶标成像示意图。

图6-7是三轴气浮台有倾斜转动时的靶标成像示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明：

结合图1，其中各标号分别代表：1是测量靶标，2是微型绿光激光器，3是三轴气浮台台面电源系统，4是气浮台台面控制单元PC-104，5是图像采集卡，6是球面气浮轴承，7是彩色CCD摄像机，8是三轴气浮台台面电源系统，9是三轴气浮台基座，10是压缩氮气瓶。

本发明所述的测量系统包括：测量靶标、微型绿光激光器、彩色CCD摄像机、图像采集卡、气浮台台面控制单元PC/104。

测量靶标采用红光LED，提高了同周围环境的对比度，避免了环境光照条件变化的影响，多个LED按照一定的构型安装构成测量靶标。一种实施方式是采用4个红光LED(201，...，204)，几何结构示意如图2所示，其中的三个LED(201，202，203)构成锐角等腰三角形，LED(204)在由LED(201，202，203)构成的等腰三角形的中心，且满足H_c＜H/2，测量靶标固定在三轴气浮台上方，使得LED(204)位于三轴气浮台的正上方，也就是在气浮台垂直转轴的延长线上。

为辅助测量气浮台的两个倾斜角，在气浮台台面中心安装微型绿光激光器，当气浮台台面没有倾斜时，微型绿光激光器在测量靶标上产生的光点位于红光LED(204)处，当气浮台台面倾斜转动时，在测量靶标的白色底板上产生绿色光点，有别于测量靶标上的红光LED，便于特征光标点的识别。

CCD摄像机采用市场上普通的彩色CCD摄像机，CCD摄像机固定在三轴气浮台台面上，随三轴气浮台台面转动，使其能够在三轴气浮台台面运动时对整个测量靶标清晰成像，并通过数据线与装有图像采集卡的气浮台台面控制单元PC/104相连，完成测量靶标彩色图像的采集。采用红光LED的测量靶标以及微型绿光激光器在测量靶标的白色底板上成绿色光点，成像背景简单，因此前期图像处理变得特别简单，甚至可以省略，直接进行特征提取、匹配和亚像素定位等处理操作。

在详细介绍如何利用CCD摄像机实现三轴气浮台转角非接触式测量之前，首先介绍一下三轴气浮台转角测量系统所涉及的坐标系。如附图3所示，该系统共涉及了4种坐标系系统：

1)气浮台基座坐标系 近似认为是一静止坐标系，

轴同测量靶标的LED(204)指向LED(201)的方向相一致，

轴垂直向上，并通过LED(204)，

与

构成右手坐标系；

2)气浮台台面坐标系 原点在气浮台球面轴承球心，固连与气浮台台面，随气浮台台面一同转动，气浮台无转动时，三坐标轴方向同气浮台基座坐标系坐标轴方向相一致；

3)CCD摄像机坐标系 坐标原点在CCD摄像机投影中心，坐标轴指向与气浮台台面坐标系一致；

4)像平面坐标系

坐标原点在像平面的左下角，坐标轴方向与CCD摄像机坐标系的

轴一致；

显然，对于本发明的转角视觉测量系统来讲，最关心的是气浮台台面绕气浮台基座坐标系三轴的转角，包括三轴气浮台台面绕

的旋转角θ及绕

轴的倾斜角φ，θ，定义为气浮台台面的姿态角，测量时假设CCD摄像机内参数及安装信息、测量靶标构型参数及安装信息等已知。

由于气浮台基座坐标系

轴同测量靶标的LED(204)指向LED(201)的方向相一致，因此由附图4-5可以看出，三轴气浮台台面绕

轴的旋转角θ为LED(204)指向LED(201)的矢量与CCD摄像机坐标系

轴的夹角，表示为：

            θ＝cos^-1( b ₁· n ₁)      (1)

其中， b ₁为 轴上的单位矢量； n ₁为

上的单位矢量。

在像平面坐标系中， b ₁， n ₁可分别表示为：

${\underset{\‾}{b}}_1=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)$

${\underset{\‾}{n}}_1=\frac{1}{\sqrt{{(x_1-x_4)}^2+{(y_1-y_4)}^2}}\left(\begin{array}{c}{x}_1-x_4\\ y_1-y_4\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中(x₁，y₁)，(x₄，y₄)分别为LED(201)和LED(204)在像平面坐标系内的像点坐标。

由附图6-7可知，在三轴气浮台台面有绕 轴的倾斜转动时，绕

的φ和绕

轴的两转角可表示为：

$\mathrm{\φ}={\tan }^{-1}\left(\frac{x_G-x_4}{(x_G/r_u)L_u}\right)$

其中，(x_G，y_G)为微型绿光激光器在测量靶标白色底板上所成光点在像平面的像点坐标；r_u为CCD摄像机安装位置与气浮台台面中心的距离，为已知量；L_u为三轴气浮台台面旋转中心与测量靶标之间的距离，为已知量。

综上，三轴气浮台转角非接触式测量系统的信息处理流程如下：

a)标定摄像机内部参数，标定方法和步骤参见周富强等的发明专利“一种基于平面靶标的结构光视觉传感器标定方法”，申请号：03142658.1，公开日：2005年1月19日，将标定参数保存到计算机；

b)获取测量靶标的一幅彩色图像；

c)提取出测量光标点，进行特征点的亚像素定位，得到特征点的像坐标，并进行特征识别和匹配，相关算法参见于起峰等的著作“基于图像的精密测量与运动测量”，科学出版社出版，2002年7月第一版；

d)根据提取的测量光标点的像坐标，利用式(1)、式(4)和式(5)计算三轴气浮台三个转角。

根据本发明提出的姿态角视觉测量装置和测量方法，建立了实际系统，对三轴气浮台转角进行了现场动态测量，选取测量靶标的4个红光LED构形参数为H＝391.9mm，H_c＝72.6mm，W＝351.6mm；CCD摄像机为1/3″CCD彩色摄像机，像素分辨率768×582，水平清晰度570线，CCD摄像机安装在三轴气浮台上方1.5m处；选用微型绿光激光器参数为输出功率1mw，输出波长532nm，光斑直径0.1mm，光束发散角10mrad；亚像素精度定位误差小于0.2像素；控制单元选用通用的主频66MHz的PC/104。最后的姿态角测量精度优于0.1度，满足三轴气浮台转角测量精度要求。

本发明的测量精度受CCD摄像机性能及光标点定位精度等因素的影响，因此能够通过选择高性能的CCD摄像机和高精度定位算法来提高系统的测量精度。

Claims (5)

1、一种非接触式三轴气浮台转角测量装置，其特征在于：在三轴气浮台的台面中心安装有微型绿光激光器，气浮台面上装有测量CCD摄像机，CCD摄像机通过数据线与图像采集卡相连，图像采集卡装入台面上的控制单元PC/104，在三轴气浮台上方安装由4个红光LED和白色底板构成的测量靶标。

2、根据权利要求1所述的非接触式三轴气浮台转角测量装置，其特征在于：所述的CCD摄像机是普通的彩色CCD摄像机。

3、根据权利要求1或2所述的非接触式三轴气浮台转角测量装置，其特征在于：所述的测量靶标由构成等腰三角形的3个红光LED和位于三角形中心的红光LED及白色底板构成。

4、根据权利要求3所述的非接触式三轴气浮台转角测量装置，其特点在于：测量靶标安装在三轴气浮台上方，且三角形中心的红光LED位于三轴气浮台垂直转轴的正上方。

5、一种非接触式三轴气浮台转角测量的方法，其特征在于：该测量方法包括如下几个步骤：

1)对CCD摄像机进行标定；

2)测量靶标和气浮台台面中心的微型绿光激光器加电；

3)由彩色CCD摄像机采集由4个红光LED和气浮台台面中心的微型绿光激光器在测量靶标白色底板上形成的光点构成的彩色图像，通过图像采集卡采集到控制单元PC/104；

4)对测量靶标图像上的五个特征像点进行分割和匹配；

5)对测量靶标图像上的五个特征像点中心进行亚像素定位；

6)计算气浮台台面转角；

7)重复步骤3-6，实现非接触式三轴气浮台转角的连续测量。

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