專利名稱：診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光慣性約束核聚變領(lǐng)域的檢測裝置和方法，主要涉及機(jī)器視覺測量
技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對于采用人工方式將探測設(shè)備瞄準(zhǔn)靶丸的方法在安裝調(diào)試上存在費(fèi)力費(fèi)時(shí)、自動 化程度不高等缺點(diǎn)，因而在靶場中已不宜采用傳統(tǒng)的人工瞄準(zhǔn)方法。為便于工程化、自動化 和降低運(yùn)行成本，開發(fā)將診斷設(shè)備搭載在公共診斷平臺上的瞄準(zhǔn)技術(shù)，達(dá)到相關(guān)工程技術(shù) 指標(biāo)就顯得非常重要。 診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的主要方法采用基于機(jī)器視覺的檢測方法和基于光學(xué)的 檢測方法。采用機(jī)器視覺的檢測方法涉及攝像機(jī)標(biāo)定方法和空間坐標(biāo)的測量等技術(shù)問題； 采用基于光學(xué)的檢測方法，在診斷平臺上搭載兩束或多束激光，通過兩束激光在靶丸上的 位置來判斷是否瞄準(zhǔn)，該方法的缺點(diǎn)是測量精度差。在攝像機(jī)標(biāo)定方法中，根據(jù)標(biāo)定物的維 數(shù)，可以分為三維標(biāo)定、二維標(biāo)定、一維標(biāo)定和零維標(biāo)定(自標(biāo)定)，其中三維標(biāo)定精度高， 缺點(diǎn)是標(biāo)定裝置造價(jià)昂貴；二維標(biāo)定精度較高，方法簡便易用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的高精度與造價(jià)之間存在矛盾的問 題，提供一種診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的裝置，利用二維標(biāo)定達(dá)到高精度的要求。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是利用上述裝置使診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的方法。
本發(fā)明的目的分別通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn) 診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的裝置，包括設(shè)置在診斷設(shè)備平臺上的探測設(shè)備，還包括 光學(xué)成像系統(tǒng)、與光學(xué)成像系統(tǒng)具有信號傳遞的圖像處理系統(tǒng)，以及設(shè)置于靶丸處的標(biāo)定 板，其中光學(xué)成像系統(tǒng)能夠與探測設(shè)備同步移動。 作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述光學(xué)成像系統(tǒng)包括長焦光學(xué)鏡頭和CCD成像元 件。 作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述長焦光學(xué)鏡頭和CCD成像元件為一組成像單 元，所述裝置包括兩組成像單元，構(gòu)成雙目CCD成像系統(tǒng)。 作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述標(biāo)定板上設(shè)置有多條交于靶丸質(zhì)心的直線。 作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述直線分為多段已知距離的線段。 作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述圖像處理系統(tǒng)中具有坐標(biāo)推導(dǎo)模塊，通過標(biāo)定
板上直線上各點(diǎn)的三維坐標(biāo)、各線段的已知距離，推導(dǎo)出靶丸的三維坐標(biāo)。 診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小耙丸的方法，包括如下步驟 a.把靶丸和設(shè)置有多條交于靶丸質(zhì)心直線的標(biāo)定板設(shè)置于靶室的中心位置處；
b.根據(jù)探測設(shè)備與靶丸之間的距離、光學(xué)成像系統(tǒng)的鏡頭焦距，確定安裝于診斷 平臺錐形部位處的光學(xué)成像系統(tǒng)相距靶丸的距離；
c.利用液晶顯示屏產(chǎn)生已知間距的網(wǎng)狀方格，利用張正友方法來標(biāo)定光學(xué)成像系 統(tǒng)中的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)； d.對成像于光學(xué)成像系統(tǒng)的靶丸圖像，采用亞像素提取方法，精確提取其質(zhì)心，得 到靶丸的三維空間坐標(biāo)，據(jù)此判斷探測設(shè)備是否高精度瞄準(zhǔn)靶丸； e.如果探測設(shè)備未按設(shè)定的高精度瞄準(zhǔn)靶丸，傳遞控制參數(shù)給診斷平臺自動調(diào)整 姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)診斷設(shè)備高精度瞄準(zhǔn)靶丸的目的。 本發(fā)明的方法的實(shí)施方式之一是，所述步驟c之后還有步驟c0，即調(diào)整照明光源， 使靶丸和標(biāo)定板均清晰成像于光學(xué)成像系統(tǒng)的視場中。 本發(fā)明的方法的實(shí)施方式之一是，所述光學(xué)成像系統(tǒng)具有兩個(gè)長焦光學(xué)鏡頭和與 之對應(yīng)的兩個(gè)CCD成像元件；所述步驟d中得到靶丸的三維空間坐標(biāo)的方法是，根據(jù)兩個(gè) CCD成像元件上的靶丸質(zhì)心的二維坐標(biāo)和雙目視覺算法推導(dǎo)出靶丸的三維空間坐標(biāo)。
本發(fā)明的方法的實(shí)施方式之一是，所述標(biāo)定板上的直線分為多條已知距離的線 段；所述步驟d中得到靶丸的三維空間坐標(biāo)的方法是，利用標(biāo)定板上共線的已知距離的線 段，采用幾何解析法和誤差處理方法，得到靶丸的三維空間坐標(biāo)。 本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)的裝置和/或方法，利用二維標(biāo)定的方法，造價(jià)成本低，瞄準(zhǔn) 精度高，在三維坐標(biāo)系統(tǒng)上，兩個(gè)方向的瞄準(zhǔn)精度可以達(dá)到士25微米，一個(gè)方向的瞄準(zhǔn)精 度可以達(dá)到士100微米。


本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中
圖1是本發(fā)明中裝置的結(jié)構(gòu)及安裝示意圖；
圖2是本發(fā)明中標(biāo)定板的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中標(biāo)號1是圖像處理系統(tǒng)，2是光學(xué)長焦鏡頭，3是CCD成像元件，4是診斷平 臺，5是探測設(shè)備。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 如圖l，診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的裝置包括設(shè)置于診斷平臺錐形部位的光學(xué)成像 系統(tǒng)、與光學(xué)成像系統(tǒng)具有信號連接的圖像處理系統(tǒng)，以及設(shè)置于靶丸處的標(biāo)定板。其中光 學(xué)成像系統(tǒng)能夠與設(shè)置在診斷平臺上的探測設(shè)備5同步移動。 —個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)成像系統(tǒng)如圖1所示包括兩個(gè)光學(xué)長焦鏡頭2和分別與之對 應(yīng)的兩個(gè)CCD成像元件3，光學(xué)成像系統(tǒng)安裝于診斷平臺4的位置根據(jù)探測設(shè)備1與靶丸之 間的距離、光學(xué)成像系統(tǒng)的光學(xué)長焦鏡頭2的焦距而確定。 如圖2所示，標(biāo)定板上設(shè)置有多條交于靶丸質(zhì)心的直線(如圖2中的直線AD1、直
線AD2、直線AD3)，每條直線分為距離已知的多條線段(如線段B1C1、 C1D1等)。 —個(gè)實(shí)施例中，圖像處理系統(tǒng)中具有坐標(biāo)推導(dǎo)模塊，通過標(biāo)定板上直線上各點(diǎn)的
三維坐標(biāo)、各線段的已知距離，推導(dǎo)出靶丸的三維坐標(biāo)。圖像處理系統(tǒng)主要完成雙目CCD攝
像機(jī)的標(biāo)定、根據(jù)靶丸的二維空間坐標(biāo)推導(dǎo)出靶丸的三維空間坐標(biāo)，從而判斷探測設(shè)備是
否瞄準(zhǔn)微小耙丸。
另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的上述裝置還包括光學(xué)系統(tǒng)保護(hù)裝置。
利用上述裝置使診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小耙丸的方法包括如下步驟 a.把靶丸和設(shè)置有多條交于靶丸質(zhì)心直線的標(biāo)定板通過現(xiàn)有的傳送機(jī)構(gòu)設(shè)置于 耙室的中心位置處； b.根據(jù)探測設(shè)備與靶丸之間的距離、光學(xué)成像系統(tǒng)的鏡頭焦距，確定安裝于診斷 平臺錐形部位處的光學(xué)成像系統(tǒng)相距靶丸的距離； c.利用液晶顯示屏產(chǎn)生已知間距的網(wǎng)狀方格，利用張正友方法來標(biāo)定光學(xué)成像系 統(tǒng)中的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)(即通過在液晶顯示屏上繪制15格X15格的棋盤格，調(diào)整攝像機(jī) 和標(biāo)定液晶顯示屏的距離，使得成像清晰。固定立體視覺系統(tǒng)，通過調(diào)整液晶顯示屏的位 置，拍攝5個(gè)以上不同方位的液晶顯示屏棋盤格相片，利用所獲取的照片提取角點(diǎn)的二維 坐標(biāo)通過張正友標(biāo)定算法求出攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù))； cO.調(diào)整照明光源，使靶丸和標(biāo)定板均清晰成像于光學(xué)成像系統(tǒng)的視場中。
d.對成像于光學(xué)成像系統(tǒng)的靶丸圖像，采用亞像素提取方法，精確提取其質(zhì)心，得 到靶丸的三維空間坐標(biāo)，據(jù)此判斷探測設(shè)備是否高精度瞄準(zhǔn)靶丸； e.如果探測設(shè)備未按設(shè)定的高精度瞄準(zhǔn)靶丸，傳遞控制參數(shù)給診斷平臺自動調(diào)整 姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)診斷設(shè)備高精度瞄準(zhǔn)靶丸的目的。 目前亞像素提取質(zhì)心定位方法主要有空間矩方法、擬合法、數(shù)字相關(guān)法、基于階躍 模型的邊緣檢測等。矩方法主要應(yīng)用于圓、橢圓和矩形等中心對稱目標(biāo)以及邊緣和角點(diǎn)等 目標(biāo)的亞像素定位中；基于最小二乘法的擬合法主要適用于目標(biāo)特性滿足已知或假定函數(shù) 形式，擬合法具有良好的抗噪聲的特點(diǎn)；而相關(guān)法精度受模板和相關(guān)運(yùn)算選取的影響。在眾 多的亞像素提取方法中，空間矩方法以其精度高、計(jì)算過程相對簡單、不受數(shù)據(jù)加性和乘性 因素的影響等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代高精度圖像測量系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本實(shí)施例中采 用基于空間矩的方法進(jìn)行亞像素提取質(zhì)心。 —個(gè)實(shí)施例中，上述光學(xué)成像系統(tǒng)包括兩個(gè)光學(xué)長焦鏡頭2和分別與之對應(yīng)的兩 個(gè)CCD成像元件3，構(gòu)成雙目CCD成像系統(tǒng)，根據(jù)兩個(gè)CCD成像元件上的靶丸質(zhì)心的二維坐 標(biāo)和雙目視覺算法推導(dǎo)出靶丸的三維空間坐標(biāo)。 另一個(gè)實(shí)施例中，上述光學(xué)成像系統(tǒng)可以只包括一個(gè)光學(xué)長焦鏡頭和與之對應(yīng)的 CCD成像元件，利用圖2的標(biāo)定板在CCD上的成像來得到靶丸的三維空間坐標(biāo)，具體過程是 如圖2中，由于A、B1、C1、D1四點(diǎn)共線，并且已知各線段之間的距離，B1、C1、D1三點(diǎn)在成像 系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)上已知，利用Bl、 Cl、 Dl中任意兩點(diǎn)即可求出A點(diǎn)的空間坐標(biāo)。在實(shí) 際計(jì)算中，為提高精度，可以采用D1、B1、A ;D1、C1、A ;B1、C1、A三種組合求出A點(diǎn)的三維坐 標(biāo)，然后取其平均值，還可以加入其它直線的各線段組合求出A點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)一步取平 均值，減少各種誤差的影響。本實(shí)施例中，為了提高系統(tǒng)可靠性，可以采用雙目CCD成像系 統(tǒng)，通過兩個(gè)CCD成像得到A點(diǎn)的兩組三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再通過加權(quán)平均的方法提高精度。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以按上述兩種方法得到的靶丸質(zhì)心(A點(diǎn))的三組三維坐標(biāo)， 若三組數(shù)據(jù)一致，則表明測試結(jié)果可靠。若可靠，采用平均法給出控制參數(shù)，并傳遞給診斷 平臺以調(diào)整姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)診斷設(shè)備高精度瞄準(zhǔn)靶丸的目的。若不可靠，重新進(jìn)行測量。
采用上述裝置和方法，瞄準(zhǔn)精度主要取決于如下幾方面的因素
(l)LCD顯示屏的點(diǎn)距物理參數(shù)，點(diǎn)距參數(shù)越小，攝像機(jī)標(biāo)定的內(nèi)外參數(shù)精度越高； (2)亞像素提取的精度，提取精度越高，得到的三維坐標(biāo)越精確； (3)與微小靶丸一起構(gòu)成的標(biāo)定物中已知距離的加工精度越高，推導(dǎo)出的三維坐
標(biāo)越精確； (4)光學(xué)長焦鏡頭的光學(xué)質(zhì)量要高，盡量降低其光學(xué)畸變。 因此，要提高診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)靶丸的精度，可從這四個(gè)方面入手。為提高系統(tǒng)的可靠 性，采用上述兩種方法來推導(dǎo)靶丸的三維空間坐標(biāo)，從而更可靠地判斷探測設(shè)備是否瞄準(zhǔn) 靶丸。采用本裝置和方法，如圖l所示，可達(dá)到在x和y方向上的瞄準(zhǔn)精度士25微米，在z 方向(圖1中的軸線方向)上的測量精度能達(dá)到±100微米。
采用上述裝置與三維標(biāo)定的方法相比，可大大降低造價(jià)成本。 本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法 或過程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。 本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘 述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只 是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。 本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的 新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權(quán)利要求
診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的裝置，包括設(shè)置在診斷設(shè)備平臺上的探測設(shè)備，其特征在于，還包括光學(xué)成像系統(tǒng)、與光學(xué)成像系統(tǒng)具有信號傳遞的圖像處理系統(tǒng)，以及設(shè)置于靶丸處的標(biāo)定板，其中光學(xué)成像系統(tǒng)能夠與探測設(shè)備同步移動。
2. 如權(quán)利要求1所述診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的裝置，其特征在于，所述光學(xué)成像系統(tǒng) 包括長焦光學(xué)鏡頭和CCD成像元件。
3. 如權(quán)利要求2所述診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的裝置，其特征在于，所述長焦光學(xué)鏡頭 和CCD成像元件為一組成像單元，所述裝置包括兩組成像單元，構(gòu)成雙目CCD成像系統(tǒng)。
4. 如權(quán)利要求1所述診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的裝置，其特征在于，所述標(biāo)定板上設(shè)置 有多條交于靶丸質(zhì)心的直線。
5. 如權(quán)利要求4所述診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的裝置，其特征在于，所述直線分為多段 已知距離的線段。
6. 如權(quán)利要求5所述診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的裝置，其特征在于，所述圖像處理系統(tǒng) 中具有坐標(biāo)推導(dǎo)模塊，通過標(biāo)定板上直線上各點(diǎn)的三維坐標(biāo)、各線段的已知距離，推導(dǎo)出靶 丸的三維坐標(biāo)。
7. 診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的方法，其特征在于，包括如下步驟a. 把靶丸和設(shè)置有多條交于靶丸質(zhì)心直線的標(biāo)定板設(shè)置于靶室的中心位置處；b. 根據(jù)探測設(shè)備與靶丸之間的距離、光學(xué)成像系統(tǒng)的鏡頭焦距，確定安裝于診斷平臺 錐形部位處的光學(xué)成像系統(tǒng)相距靶丸的距離；c. 利用液晶顯示屏產(chǎn)生已知間距的網(wǎng)狀方格，利用張正友方法來標(biāo)定光學(xué)成像系統(tǒng)中 的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)；d. 對成像于光學(xué)成像系統(tǒng)的靶丸圖像，采用亞像素提取方法，精確提取其質(zhì)心，得到靶 丸的三維空間坐標(biāo)，據(jù)此判斷探測設(shè)備是否高精度瞄準(zhǔn)靶丸；e. 如果探測設(shè)備未按設(shè)定的高精度瞄準(zhǔn)靶丸，傳遞控制參數(shù)給診斷平臺自動調(diào)整姿 態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)診斷設(shè)備高精度瞄準(zhǔn)靶丸的目的。
8. 如權(quán)利要求7所述診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的方法，其特征在于，所述步驟c之后還有 步驟c0，即調(diào)整照明光源，使靶丸和標(biāo)定板均清晰成像于光學(xué)成像系統(tǒng)的視場中。
9. 如權(quán)利要求7或8所述診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的方法，其特征在于，所述光學(xué)成像系 統(tǒng)具有兩個(gè)長焦光學(xué)鏡頭和與之對應(yīng)的兩個(gè)CCD成像元件；所述步驟d中得到靶丸的三維 空間坐標(biāo)的方法是，根據(jù)兩個(gè)CCD成像元件上的靶丸質(zhì)心的二維坐標(biāo)和雙目視覺方法推導(dǎo) 出靶丸的三維空間坐標(biāo)。
10. 如權(quán)利要求7或8所述診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的方法，其特征在于，所述標(biāo)定板上 的直線分為多條已知距離的線段；所述步驟d中得到靶丸的三維空間坐標(biāo)的方法是，利用 標(biāo)定板上共線的已知距離的線段，采用幾何解析法和誤差處理方法，得到靶丸的三維空間 坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的裝置和方法，涉及機(jī)器視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，目的是解決診斷設(shè)備瞄準(zhǔn)微小靶丸的高精度與造價(jià)之間存在矛盾的問題，裝置包括光學(xué)成像系統(tǒng)、與光學(xué)成像系統(tǒng)具有信號傳遞的圖像處理系統(tǒng)，以及設(shè)置于靶丸處、其上設(shè)置有多條交于靶丸質(zhì)心且被分為距離已知線段直線的標(biāo)定板；方法包括確定光學(xué)成像系統(tǒng)相距靶丸的距離；標(biāo)定光學(xué)成像系統(tǒng)中的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)；對成像于光學(xué)成像系統(tǒng)的靶丸圖像，采用亞像素提取方法，精確提取其質(zhì)心，得到靶丸的三維空間坐標(biāo)，據(jù)此判斷探測設(shè)備是否高精度瞄準(zhǔn)靶丸；如果探測設(shè)備未按設(shè)定的高精度瞄準(zhǔn)靶丸，傳遞控制參數(shù)給診斷平臺自動調(diào)整姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)診斷設(shè)備高精度瞄準(zhǔn)靶丸的目的。
文檔編號G01C11/00GK101793515SQ20091030370
公開日2010年8月4日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者唐峻, 肖德成, 范勇, 陳念年 申請人:范勇