專利名稱：一種物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物體旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量技術(shù)，具體是指一種物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)
量方法。
背景技術(shù)：
目前，測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度一般使用編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器等。在工程測(cè)量領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量一般采用旋轉(zhuǎn)編碼器，工作時(shí)將旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)螺釘連接在被測(cè)物體上即可，這種測(cè)量方法具有穩(wěn)定可靠、精度高、反饋及時(shí)等特點(diǎn)。但是當(dāng)被測(cè)物體結(jié)構(gòu)特殊，無(wú)法提供安裝定位的基準(zhǔn)時(shí)，將無(wú)法使用旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行測(cè)量。并且由于旋轉(zhuǎn)編碼器集成度比較高，是一種精密儀器；對(duì)接收信號(hào)的控制器要求也比較高，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)編碼器安裝、維修比較困難，需要專業(yè)技術(shù)人員參與才能完成，提高了其使用成本。另外，在某些對(duì)旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量的精度要求不高的場(chǎng)合，也無(wú)必要使用旋轉(zhuǎn)編碼器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，具有操作簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、能實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值、360°全覆蓋測(cè)量等特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案:本發(fā)明的一種物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)包括角度基準(zhǔn)儀器、旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量?jī)x和角度信息處理裝置，角度基準(zhǔn)儀器包括可調(diào)節(jié)底座和置于可調(diào)節(jié)底座上的平行光管，平行光管帶自準(zhǔn)直功能，能發(fā)出平行光形式的亮線十字絲；旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量?jī)x包括可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)和可見光數(shù)碼相機(jī)；角度信息處理裝置為計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)包含數(shù)據(jù)采集模塊、圖像處理模塊和圖像顯示模塊。所述的平行光管的焦距為200mm，視場(chǎng)角10°。所述的可調(diào)節(jié)底座選用北京光學(xué)儀器廠MGC105型精密角位臺(tái)、PRS105型精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)和VS104型精密升降臺(tái)組合而成。所述的可見光數(shù)碼相機(jī)的像元數(shù)為1004X1004，視場(chǎng)角為5°，可見光數(shù)碼相機(jī)輸出的視頻信號(hào)為camera link LVDS差分信號(hào)。所述的可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)選用北京光學(xué)儀器廠MGC105型精密角位臺(tái)、PRS105型精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)、VS104型精密升降臺(tái)和一塊平板臺(tái)面組合而成。所述的角度信息處理裝置以計(jì)算機(jī)為載體，包含數(shù)據(jù)采集模塊、圖像處理模塊和圖像顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊可采集可見光相機(jī)輸出的camera link視頻信號(hào)；圖像處理模塊對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算圖像中十字絲的傾斜及變化角度。本發(fā)明的一種物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量方法，其步驟是:I)將可見光相機(jī)安裝在被測(cè)物體上，然后將被測(cè)物體放置在可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)上，可見光相機(jī)的光軸與被測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)軸平行，并且保證可見光相機(jī)隨被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)始終處于置于其前端的角度基準(zhǔn)儀器的視場(chǎng)內(nèi)；2)調(diào)整可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)的高度以及俯仰、偏擺角，使被測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)準(zhǔn)角度基準(zhǔn)儀器的中心軸；3)將可見光相機(jī)連接到角度信息處理系統(tǒng)，打開可見光相機(jī)，攝取初始角度圖像，并由角度信息處理系統(tǒng)進(jìn)行接收、處理，得到初始狀態(tài)下的十字絲傾斜角度α ；4)轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)物體，可見光相機(jī)攝取旋轉(zhuǎn)后角度圖像，并由角度信息處理系統(tǒng)進(jìn)行接收、處理，得到旋轉(zhuǎn)后的十字絲傾斜角度β ;5)通過(guò)角度信息處理系統(tǒng)計(jì)算前后兩次得到的傾斜角之差，得到測(cè)物體所旋轉(zhuǎn)的角度數(shù)值。所述的步驟3)和4)角度信息處理系統(tǒng)對(duì)采集的圖像進(jìn)行圖像處理方法是:根據(jù)各個(gè)像素灰度值的不同，區(qū)分出組成十字絲的像素和組成背景的像素，首先采用全局閾值選取方法大津法對(duì)獲取的十字絲圖像進(jìn)行二值化處理，將圖像分割為白色的前景十字絲和黑色的背景，然后利用HOUGH變換進(jìn)行直線檢測(cè)，得到十字絲的粗略定位，最后使用最小二乘法對(duì)粗略定位的十字絲的兩條垂直邊進(jìn)行直線擬合。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明所采用的圖像處理方法和角度值計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)物體實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度的自動(dòng)測(cè)量，避免了人為讀數(shù)誤差。本發(fā)明輸出的角度測(cè)量值為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且可見光相機(jī)與被測(cè)物體之間的安裝精度對(duì)角度測(cè)量誤差的影響很小，方便操作?？傊?，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法具有操作簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、能實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值、360°全覆蓋測(cè)量等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明圖像處理的流程圖；圖3為本發(fā)明圖像處理的原始示例圖；圖4為圖3的中心區(qū)域放大效果圖；圖5為圖3 二值化處理后的效果圖；圖6為圖3經(jīng)過(guò)圖像處理后的最終結(jié)果圖；圖7為本發(fā)明被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)后的圖像處理結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:圖1為本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)示意圖。本發(fā)明的一種物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)包括角度基準(zhǔn)儀器1、旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量?jī)x2和角度信息處理裝置3，其角度基準(zhǔn)儀器I包括可調(diào)節(jié)底座Ia和置于可調(diào)節(jié)底座Ia上的平行光管lb，平行光管Ib帶自準(zhǔn)直功能，能發(fā)出平行光形式的亮線十字絲；旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量?jī)x2包括可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)2a和可見光數(shù)碼相機(jī)2b ;角度信息處理裝置3為計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)包含數(shù)據(jù)采集模塊、圖像處理模塊和圖像顯示模塊。所述的平行光管Ib的焦距為200mm，視場(chǎng)角10°。所述的可調(diào)節(jié)底座Ia選用北京光學(xué)儀器廠MGC105型精密角位臺(tái)、PRS105型精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)和VS104型精密升降臺(tái)組合而成。所述的可見光數(shù)碼相機(jī)2b的像元數(shù)為1004X 1004，視場(chǎng)角為5°，可見光數(shù)碼相機(jī)2b輸出的視頻信號(hào)為camera link LVDS差分信號(hào)。所述的可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)2a選用北京光學(xué)儀器廠MGC105型精密角位臺(tái)、PRS105型精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)、VS104型精密升降臺(tái)和一塊平板臺(tái)面組合而成?？烧{(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)2a作為被測(cè)物體的載體，提供被測(cè)物體的升降、俯仰、方位方向的調(diào)節(jié)功能。所述的角度信息處理裝置3以計(jì)算機(jī)為載體，包含數(shù)據(jù)采集模塊、圖像處理模塊和圖像顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊可采集可見光相機(jī)3輸出的camera link視頻信號(hào)；圖像處理模塊對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算圖像中十字絲的傾斜及變化角度。系統(tǒng)置于工作平臺(tái)4上，工作平臺(tái)4采用大理石平臺(tái)，大理石平臺(tái)的精度為00級(jí)。大理石平臺(tái)工作面的表面粗糙度Ra: (0.4 — 0.8) um，側(cè)面的表面粗糙度Ra ( 6.3um。大理石平臺(tái)上預(yù)留有若干螺紋孔?？烧{(diào)節(jié)底座Ia通過(guò)螺栓連接固定于工作平臺(tái)4上。數(shù)據(jù)采集模塊可采集可見光相機(jī)輸出的camera link視頻信號(hào),具體是選用凌華科技有限公司的VP - CL62MP圖像采集卡。本發(fā)明的物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量方法，其步驟是:I)將可見光相機(jī)安裝在被測(cè)物體上，然后將被測(cè)物體放置在可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)上，可見光相機(jī)的光軸與被測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)軸平行，并且保證可見光相機(jī)隨被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)始終處于置于其前端的角度基準(zhǔn)儀器的視場(chǎng)內(nèi)；2)調(diào)整可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)的高度以及俯仰、偏擺角，使被測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)準(zhǔn)角度基準(zhǔn)儀器的中心軸；3)將可見光相機(jī)連接到角度信息處理系統(tǒng)，打開可見光相機(jī)，攝取初始角度圖像，并由角度信息處理系統(tǒng)進(jìn)行接收、處理，得到初始狀態(tài)下的十字絲傾斜角度α ；4)轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)物體，可見光相機(jī)攝取旋轉(zhuǎn)后角度圖像，并由角度信息處理系統(tǒng)進(jìn)行接收、處理，得到旋轉(zhuǎn)后的十字絲傾斜角度β ;5)通過(guò)角度信息處理系統(tǒng)計(jì)算前后兩次得到的傾斜角之差，得到測(cè)物體所旋轉(zhuǎn)的角度數(shù)值。所述的步驟3)和4)角度信息處理系統(tǒng)對(duì)采集的圖像進(jìn)行圖像處理方法是:根據(jù)各個(gè)像素灰度值的不同，區(qū)分出組成十字絲的像素和組成背景的像素，首先采用全局閾值選取方法大津法對(duì)獲取的十字絲圖像進(jìn)行二值化處理，將圖像分割為白色的前景十字絲和黑色的背景，然后利用HOUGH變換進(jìn)行直線檢測(cè)，得到十字絲的粗略定位，最后使用最小二乘法對(duì)粗略定位的十字絲的兩條垂直邊進(jìn)行直線擬合。圖3 圖7是圖像處理圖:圖像處理模塊的主要功能是對(duì)采集的圖像進(jìn)行圖像處理，計(jì)算圖像中十字絲的傾斜角度以及旋轉(zhuǎn)角度，其流程圖見圖2所示。圖像處理的基本原理是根據(jù)各個(gè)像素灰度值的不同，區(qū)分出組成十字絲的像素和組成背景的像素，然后根據(jù)所有組成十字絲的像素位置分布計(jì)算得到十字絲的傾斜角度。采集的原始示例圖像見圖3所示，通過(guò)對(duì)其中心區(qū)域放大后可見(見圖4所示)，組成十字絲的像素并非是一條邊緣清晰的直線，十字絲邊緣的像素灰度值介于十字絲中間像素和背景像素之間，而這將影響十字絲傾斜角度的計(jì)算精度，因此需要采用相關(guān)的圖像處理手段，消除此影響，提高圖像處理結(jié)果的精度。具體的圖像處理方法是首先采用全局閾值選取方法大津法對(duì)獲取的十字絲圖像進(jìn)行二值化處理，將圖像分割為白色的前景十字絲和黑色的背景，見圖5所示。然后利用HOUGH變換進(jìn)行直線檢測(cè)，得到十字絲的粗略定位。最后使用最小二乘法對(duì)粗略定位的十字絲的兩條垂直邊進(jìn)行直線擬合，見圖6所示，圖中較細(xì)的黑色十字絲為直線擬合的結(jié)果，較粗的黑色十字絲為可見光相機(jī)3輸出圖像的分劃理論中心，最終計(jì)算得到十字絲的傾角α ο同理，可以得到旋轉(zhuǎn)后的十字絲傾斜角度β，見圖7。同時(shí)圖像處理模塊還能對(duì)兩次圖像處理的結(jié)果進(jìn)行差值計(jì)算，得到被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)的角度。顯示模塊將圖像處理模塊得到的結(jié)果以畫面和數(shù)值的形式進(jìn)行顯示。
權(quán)利要求
1.一種物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)，包括角度基準(zhǔn)儀器(I)、旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量?jī)x(2)和角度信息處理裝置(3)，其特征在于:角度基準(zhǔn)儀器(I)包括可調(diào)節(jié)底座(Ia)和置于可調(diào)節(jié)底座(Ia)上的平行光管(lb)，平行光管(Ib)帶自準(zhǔn)直功能，能發(fā)出平行光形式的亮線十字絲；旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量?jī)x(2)包括可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)(2a)和可見光數(shù)碼相機(jī)(2b);角度信息處理裝置(3)為計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)包含數(shù)據(jù)采集模塊、圖像處理模塊和圖像顯示模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:平行光管(Ib)的焦距為200mm，視場(chǎng)角10°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述的可調(diào)節(jié)底座(Ia)選用北京光學(xué)儀器廠MGC105型精密角位臺(tái)、PRS105型精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)和VS104型精密升降臺(tái)組合而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:可見光數(shù)碼相機(jī)(2b)的像元數(shù)為1004X1004，視場(chǎng)角為5°，可見光數(shù)碼相機(jī)(2b)輸出的視頻信號(hào)為camera link LVDS 差分信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)(2a)選用北京光學(xué)儀器廠MGC105型精密角位臺(tái)、PRS105型精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)、VS104型精密升降臺(tái)和一塊平板臺(tái)面組合而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:角度信息處理裝置(3)以計(jì)算機(jī)為載體，包含數(shù)據(jù)采集模塊、圖像處理模塊和圖像顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊可采集可見光相機(jī)(3)輸出的camera link視頻信號(hào)；圖像處理模塊對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算圖像中十字絲的傾斜及變化角度。
7.—種物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量方法，其步驟是: 1)將可見光相機(jī)安裝在被測(cè)物體上，然后將被測(cè)物體放置在可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)上，可見光相機(jī)的光軸與被測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)軸平行，并且保證可見光相機(jī)隨被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)始終處于置于其前端的角度基準(zhǔn)儀器的視場(chǎng)內(nèi)； 2)調(diào)整可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)的高度以及俯仰、偏擺角，使被測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)準(zhǔn)角度基準(zhǔn)儀器的中心軸； 3)將可見光相機(jī)連接到角度信息處理系統(tǒng)，打開可見光相機(jī)，攝取初始角度圖像，并由角度信息處理系統(tǒng)進(jìn)行接收、處理，得到初始狀態(tài)下的十字絲傾斜角度α ; 4)轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)物體，可見光相機(jī)攝取旋轉(zhuǎn)后角度圖像，并由角度信息處理系統(tǒng)進(jìn)行接收、處理，得到旋轉(zhuǎn)后的十字絲傾斜角度β ; 5)通過(guò)角度信息處理系統(tǒng)計(jì)算前后兩次得到的傾斜角之差，得到測(cè)物體所旋轉(zhuǎn)的角度數(shù)值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量方法，其特征在于:步驟3)和4)角度信息處理系統(tǒng)對(duì)采集的圖像進(jìn)行圖像處理方法是:根據(jù)各個(gè)像素灰度值的不同，區(qū)分出組成十字絲的像素和組成背景的像素，首先采用全局閾值選取方法大津法對(duì)獲取的十字絲圖像進(jìn)行二值化處理，將圖像分割為白色的前景十字絲和黑色的背景，然后利用HOUGH變換進(jìn)行直線檢測(cè)，得到十字絲的粗略定位，最后使用最小二乘法對(duì)粗略定位的十字絲的兩條垂直邊進(jìn)行直線擬合。
全文摘要
本發(fā)明提供一種物體旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，系統(tǒng)包括角度基準(zhǔn)儀器、旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量?jī)x和角度信息處理裝置，角度基準(zhǔn)儀器包括可調(diào)節(jié)底座和置于可調(diào)節(jié)底座上的平行光管，平行光管能發(fā)出平行光形式的亮線十字絲；旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量?jī)x包括可調(diào)節(jié)測(cè)量平臺(tái)和可見光數(shù)碼相機(jī)；角度信息處理裝置的計(jì)算機(jī)包含數(shù)據(jù)采集模塊、圖像處理模塊和圖像顯示模塊。本發(fā)明的測(cè)量方法是將可見光相機(jī)安裝在被測(cè)物體上，將被測(cè)物體放置在測(cè)量可調(diào)平臺(tái)上，可見光相機(jī)攝取初始角度圖像，由角度信息處理系統(tǒng)進(jìn)行接收、處理，得到初始狀態(tài)下的十字絲傾斜角度α；同理，得到旋轉(zhuǎn)后的十字絲傾斜角度β；角度信息處理系統(tǒng)計(jì)算前后兩次傾斜角之差，得到測(cè)物體所旋轉(zhuǎn)的角度數(shù)值。
文檔編號(hào)G01B11/26GK103206927SQ201310111088
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月1日
發(fā)明者周奐斌, 盧聯(lián)杰, 陶林 申請(qǐng)人:湖北三江航天萬(wàn)峰科技發(fā)展有限公司