專(zhuān)利名稱：一種伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精確角度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精確角度測(cè)量方法，即利用圖像分析的方法得出伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精確角度。
背景技術(shù)：
角度是機(jī)械、儀器儀表和電子產(chǎn)品制造業(yè)中的重要幾何參數(shù)之一，它的準(zhǔn)確度直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量與壽命。角度測(cè)量是計(jì)量科學(xué)的重要組成部分，特別是微小角度的測(cè)量在精密加工、航空航天、軍事和通訊等許多領(lǐng)域都具有極其重要的意義和作用，現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、精密零件的制造等等，對(duì)角度測(cè)量的精度提出了很高的要求。高精度的控制系統(tǒng)需要在一定的角度范圍內(nèi)，測(cè)量誤差小于幾個(gè)角秒的角位移測(cè)量傳感器。隨著數(shù)字跟蹤系統(tǒng)的出現(xiàn)，對(duì)測(cè)量角度的精度提出了更高的要求。傳統(tǒng)的角度測(cè)量采用接觸式測(cè)量或者光干涉測(cè)量的方法，由于接觸式測(cè)量精度低，難以達(dá)到高精度，而干涉測(cè)量結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝置較大，價(jià)格偏高，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。為此，探索價(jià)格低廉、使用方便的高精度的轉(zhuǎn)角測(cè)量技術(shù)一直是近年來(lái)迫切希望解決的難題。目前，光學(xué)測(cè)角法除眾所周知的光學(xué)分度頭法和多面棱體法外，常用的還有光電編碼器法、衍射法、自準(zhǔn)直法、光纖法、圓光柵法、光學(xué)內(nèi)反射法以及激光干涉法等。以上方法在精密測(cè)量中已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用，并得到了較高的測(cè)量精度和測(cè)量靈敏度。但是，當(dāng)在室外進(jìn)行角度測(cè)量時(shí)，由于伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)慣性、風(fēng)力和震動(dòng)的影響會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)相對(duì)地面發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而相對(duì)光電編碼器沒(méi)有發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致了角度測(cè)量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精確角度測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的準(zhǔn)確檢測(cè)，能做到實(shí)時(shí)處理，具有較強(qiáng)的抗外界干擾能力。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精確角度測(cè)量方法，其特征在于，步驟如下步驟I、安裝攝像機(jī)和參考標(biāo)志物的設(shè)計(jì)；步驟2、標(biāo)定攝像機(jī)光心，標(biāo)定伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、攝像機(jī)和參考標(biāo)準(zhǔn)物的基準(zhǔn)頭和基準(zhǔn)尾；步驟3、利用圖像分析的方法，實(shí)時(shí)計(jì)算伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的角度偏差；步驟4、返回角度偏差，修正角度測(cè)量值，得到精確測(cè)量結(jié)果。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為I、基于視覺(jué)反饋和視覺(jué)定位，矯正了伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)受慣性、風(fēng)吹、震動(dòng)等影響而造成的角度測(cè)量結(jié)果偏差；2、彌補(bǔ)了圖像傳感器對(duì)亮度的適應(yīng)，采用等角度間隔的紅外LED光源作為角度計(jì)算參照物；3、系統(tǒng)時(shí)間復(fù)雜度低，能實(shí)時(shí)處理；
4、基于環(huán)形地標(biāo)，這種合作目標(biāo)，系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，安裝方便、易于大規(guī)模推廣。


圖I是本發(fā)明的角度測(cè)量流程圖。圖2是本發(fā)明的LED光源設(shè)計(jì)圖。圖3是本發(fā)明的整體安裝示意圖。圖4是本發(fā)明的攝像機(jī)與圓環(huán)參考標(biāo)準(zhǔn)物標(biāo)定示意圖。圖5是本發(fā)明的圖像分析轉(zhuǎn)臺(tái)角度原理示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一種伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精確角度測(cè)量方法分四個(gè)步驟，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā) 明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。第一步，安裝攝像機(jī)和參考標(biāo)志物的設(shè)計(jì)。本發(fā)明需要將攝像機(jī)安裝在伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)部位(如雷達(dá)頂部)，在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，攝像機(jī)能隨其一起轉(zhuǎn)動(dòng)。為了保持測(cè)量精度，攝像機(jī)鏡頭的視場(chǎng)角為a度，攝像機(jī)橫向分辨率為N。參考標(biāo)志物的設(shè)計(jì)要求為以轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)為圓心，放置半徑D米圓環(huán)形參考標(biāo)志物，要求其半徑為D米、每隔a度安裝一個(gè)光源，共需要安裝360/a個(gè)光源。參考標(biāo)準(zhǔn)物應(yīng)固定牢靠，不受外界環(huán)境的影響。光源采用LED光源，由于光源的衍射，在拍攝到的圖像中光源的中心很難精確描述，故本發(fā)明采用圓環(huán)形陣列光源，圓環(huán)不發(fā)光區(qū)域的圓心中心即為光源的中心。圖2顯示了 LED光源的設(shè)計(jì)。圖3顯示了本發(fā)明的整體安裝圖。在夜晚及低照度情況下，攝像機(jī)采用紅外攝像機(jī)，光源采用紅外光源，同樣可以完成角度的測(cè)量。第_■步，標(biāo)定攝像機(jī)光心，標(biāo)定伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、攝像機(jī)和參考標(biāo)準(zhǔn)物的基準(zhǔn)頭和基準(zhǔn)尾。I、攝像機(jī)光心的標(biāo)定，對(duì)測(cè)角的攝像機(jī)進(jìn)行光心的標(biāo)定。2、將伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的0度與參考標(biāo)志物的0度LED光源的圓心對(duì)齊，即攝像機(jī)鏡頭的光心對(duì)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)物上的0度光源；3、將伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的a度與參考標(biāo)志物的a度LED光源的圓心對(duì)齊，即攝像機(jī)鏡頭的光心對(duì)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)物上的a度光源；4、計(jì)算圖像中參考標(biāo)志物背景下的像素點(diǎn)和攝像機(jī)鏡頭視角的關(guān)系。假設(shè)攝像機(jī)鏡頭的視場(chǎng)角為a，攝像機(jī)橫向分辨率為N，在半徑為D米的圓環(huán)參考標(biāo)準(zhǔn)物上，每隔C度放置一個(gè)光源，則攝像機(jī)具有的角度精度為
aP ——
N如果采用的攝像機(jī)鏡頭視場(chǎng)角為6度，攝像機(jī)橫向分辨率為2000，攝像機(jī)具有的角度精度為0. 003度。圖4為攝像機(jī)與圓環(huán)參考標(biāo)準(zhǔn)物標(biāo)定示意圖。第三步，利用圖像分析的方法，實(shí)時(shí)計(jì)算伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的角度偏差。
啟動(dòng)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，攝像機(jī)將和平臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，分析采集到的圖像，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算在參考標(biāo)志物背景下鏡頭光心位置可得到平臺(tái)的精確旋轉(zhuǎn)角度，與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)自測(cè)角度(通過(guò)光電編碼器測(cè)得)相減即得到實(shí)際值與自測(cè)值的偏差。圖5為圖像分析轉(zhuǎn)臺(tái)角度原理圖。具體步驟為I、讀出由光電編碼器測(cè)出的伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的自測(cè)角度。2、由于外界原因造成伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)角度測(cè)量值的偏差一般在I度以內(nèi)，所以總能在圖像中找到與自測(cè)角度絕對(duì)值差小于a度的光源基準(zhǔn)點(diǎn)。3、如果光源點(diǎn)出現(xiàn)在圖像的左半部分，假設(shè)上步得到的自測(cè)角度為Cl，則該光源
基準(zhǔn)點(diǎn)表示的角度為@ * 。假設(shè)此時(shí)光源基準(zhǔn)點(diǎn)到圖像光軸中心垂直線的像素個(gè)數(shù)為
NI，則轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)水平方向的精確角度為C2= — *a + p*N\a

4、如果光源點(diǎn)出現(xiàn)在圖像的右半部分，假設(shè)上步得到的自測(cè)角度為Cl，則該光源
基準(zhǔn)點(diǎn)表示的角度為@ 假設(shè)此時(shí)光源基準(zhǔn)點(diǎn)到圖像光軸中心垂直線的像素個(gè)數(shù)為
NI，則轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)水平方向的精確角度為C2= — *a-p*Nl。5、C2與Cl的差C3即為伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)在水平方向上實(shí)際值與自測(cè)值的偏差。6、同理，如果光源點(diǎn)出現(xiàn)在圖像的上半部分或下半部分，可利用以上方法測(cè)出伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)垂直方向上發(fā)生的偏差。第四步，返回角度偏差，修正角度測(cè)量值，得到精確測(cè)量結(jié)果。利用圖像方法測(cè)到的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精確角度，實(shí)時(shí)對(duì)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的角度進(jìn)行修正，從而得到精確的測(cè)量結(jié)果。如果采用的攝像機(jī)鏡頭視場(chǎng)角為6度，攝像機(jī)橫向分辨率為2000，則本發(fā)明的角度精度可達(dá)到0. 003度，高于傳統(tǒng)測(cè)量方法的0. 057度，且能有效修正由于慣性、風(fēng)吹和震動(dòng)等原因造成的角度測(cè)量誤差，具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精確角度測(cè)量方法，其特征在于，步驟為 步驟I:安裝攝像機(jī)和參考標(biāo)志物的設(shè)計(jì)； 步驟2 :標(biāo)定攝像機(jī)光心，標(biāo)定伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、攝像機(jī)和參考標(biāo)準(zhǔn)物的基準(zhǔn)頭和基準(zhǔn)尾； 步驟3 :利用圖像分析的方法，實(shí)時(shí)計(jì)算伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的角度偏差； 步驟4:返回角度偏差，修正角度測(cè)量值，得到精確測(cè)量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精確角度測(cè)量方法，其特征在于，在所述步驟I中，即在安裝攝像機(jī)和參考標(biāo)志物設(shè)計(jì)中采用的步驟如下 將攝像機(jī)安裝在伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)部位，其中攝像機(jī)鏡頭的視場(chǎng)角為a度，攝像機(jī)橫向分辨率為N ;以轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)為圓心，放置半徑D米圓環(huán)形參考標(biāo)志物，其設(shè)計(jì)為半徑為D米、每隔a度安裝一個(gè)光源，共需要安裝360/a個(gè)光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精確角度測(cè)量方法，其特征在于，在所述步驟2中，即在標(biāo)定基準(zhǔn)頭和基準(zhǔn)尾中采用的步驟如下 步驟I、攝像機(jī)光心的標(biāo)定，對(duì)測(cè)角的攝像機(jī)進(jìn)行光心的標(biāo)定。
步驟2、將伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的0度與參考標(biāo)志物的0度對(duì)齊，即攝像機(jī)鏡頭的光心對(duì)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)物上的0度光源； 步驟3、將伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的a度與參考標(biāo)志物的a度光源對(duì)齊，即攝像機(jī)鏡頭的光心對(duì)準(zhǔn)參考標(biāo)準(zhǔn)物上的a度光源； 步驟4、計(jì)算圖像中參考標(biāo)準(zhǔn)物背景下的像素點(diǎn)和攝像機(jī)鏡頭視角的關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精確角度測(cè)量方法，其特征在于，在所述步驟3中，即實(shí)時(shí)計(jì)算伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的角度偏差中采用的步驟如下 啟動(dòng)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，攝像機(jī)將和平臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，分析采集到的圖像，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算在參考標(biāo)志物背景下鏡頭光心位置可得到平臺(tái)的精確旋轉(zhuǎn)角度，與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)自測(cè)角度(通過(guò)光電編碼器測(cè)得)相減即得到實(shí)際值與自測(cè)值的偏差。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精確角度測(cè)量方法，其特征在于，在所述步驟4中，即在修正角度測(cè)量值中采用的步驟如下 根據(jù)步驟3得到的伺服轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差，修正角度值，得到精確角度測(cè)量結(jié)果。
全文摘要
一種基于標(biāo)定物(合作目標(biāo))的視覺(jué)精確測(cè)角方法，其能夠精確、實(shí)時(shí)的返回轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的角度，有效矯正了由于慣性、風(fēng)吹和震動(dòng)等原因造成的角度測(cè)量誤差。本發(fā)明主要利用圖像分析的方法通過(guò)對(duì)攝像機(jī)所拍圖像進(jìn)行處理，得出轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的角度誤差，使其修正。具有高實(shí)時(shí)性、高魯棒性、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，可推廣到精確角度測(cè)量等學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01B11/26GK102798356SQ20111023717
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)明者孫涵, 程剛, 呂太之 申請(qǐng)人:南京金柏圖像技術(shù)有限公司