非接触精密测转角的单目视觉测量方法技术

非接触精密测转角的单目视觉测量方法，属于光电检测技术领域，目的是使其测量范围大、测量精度高、操作更方便。本发明专利技术基于单目视觉原理，将有双圆标志的测试靶平行于转轴固定在待测物体上；用一台位置固定的数码相机对靶面拍照；针对双圆标志的像为椭圆，选择像面一组特征点和特征参数建立一套求转角的计算方法和公式；采用亚像素处理方法处理照片，求出像面椭圆的方程和特征点的像面坐标，求出靶面的平面方程和被测物体的转角；无须标明靶面圆心位置能精确求出圆心像点位置，能用测量过程所得数据修正靶面与转轴不平行导致的测量误差，设备安装调节简单，测量精度高，实用性强，能用来在机场现场标定飞机上的方向舵、水平舵等的角位移传感器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于光电检测

技术介绍
在航空、航天以及航海等领域，经常需要用到测量范围大的非接触精密测转角的方法和技术。例如，研制新型飞机或生产飞机时，飞机制作完成后，需进行试飞以检测其飞行性能。为能获得准确的性能试验数据，试飞前，需在机场现场标定飞机上的副翼、襟翼、水平舵和方向舵的角位移传感器。因为在这种标定的过程中不允许对飞机的内部结构作任何改动，所以要用非接触的测量方法。文献《基于数字图像的高精度面内转角测量方法》(中国标准刊号CN31-1252/04《光学学报》2005年4月，25(4))报道了一种非接触精密测转角的方法，在实验室的实验条件下，测转角的精度可达到5″，测角范围为0°～360°。该方法基于计算机单目视觉原理，采用直线段做靶面的标志做成测试靶，测量时将测试靶固定在被测物体上，要求靶面同时严格地垂直于相机的主光轴和待测物体的转轴。该方法用于在机场现场标定飞机上的方向舵角位移传感器时，由于在现场很难确定飞机方向舵转轴的中心轴的准确位置和确切方向，使得其测量设备的安装调节将十分困难，很难达到要求，也使得很难修正其设备安装不到位所引起的测量误差，其实用性很差。现有其他测量范围大的非接触精密测转角的方法也存在同样的问题。为解决这些难题，我们曾经研究了一种基于计算机单目视觉的非接触精密测转角的方法。(《标定飞机方向舵角位移的视觉测量法》中国标准刊号CN51-1346/04《光电工程》2009年12月36(12))。该方法采用共面三个圆的圆心做靶面的主要标志，其圆周做辅助的标志。针对三圆标志在像面的像的特点，设计了数字图像亚像素处理方法实时处理照片，测转角的准确度比较高(在未计入相机成相误差影响和其他干扰的情况下，计算机仿真试验结果优于0.01°)；测转角范围大(±85°)，测量设备安装调节容易，初步解决了问题。但三圆标志的结构比较复杂松散，而且要用相交两直线段的交点准确标明每个圆的圆心位置，使得数字图像处理难度大，处理时间长；由于采用“三点确定一个平面”的方法求靶面的平面方程，该方法抗干扰的能力不强，测量精度不够高；尤其是，靶面的法线与相机的主光轴的夹角接近0°时，其测量误差显著增大；该方法还必须知道相机像素的中心距，数据处理时才能求出所需结果。在没有摄影测量专用数码相机的情况下，用普通数码相机进行测量时，一般很难准确知道相机像素的中心距，必须经过复杂、精密的标定求出相机的内参数，其使用还不够方便。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述已有技术的不足，提供一种测量范围大(±85°)、测量精度高(优于0.005°)、数字图像处理较容易、测量设备安装调节更简单、使用更方便的。 本专利技术方法是 (1)用共面同心双圆的圆周做靶面标志做成测试靶，称之为双圆靶，平行于待测物体的转轴固定在该待测物体上。 (2)用一台位置固定的数码相机对双圆靶拍照，拍照时，只要求靶面在相机的有效视场内，对相机与靶面的相对位置姿态无严格的要求，使得相机的安装位置很灵活，调节很简单。数码相机的图像数据通过USB接口传送给计算机处理。 (3)根据双圆标志的像为椭圆的特点，选择像面椭圆短轴的端点、“特征直径”像的端点和圆心的像点作为像面的一组特征点，它们的像面坐标和特征直径的像长作为像面的一组特征参数。 所说的“特征直径”指的是假设通过该圆的圆心作一个与像面平行的平面，将该平面与圆的交线称为该圆的特征直径。因此，特征直径与像面平行，可用来简化和加快求像面特征点在靶面的原像点的计算过程。 根据针孔成像原理和相似三角形的性质，利用特征直径与像面平行的特点，基于点对应和直线对应，建立了求像面特征点在靶面的原像点的世界坐标的公式，求出对应的原像点的世界坐标，求出靶面的平面方程 ①计算双圆标志的圆心C的世界坐标(xC，yC，zC)的公式 其中R1是双圆标志小圆的半径，XC，YC是圆心像点C′的像面坐标，d是相机像素的中心距，r1是以像素为单位表示的小圆的特征半径的像长，F是相机的焦距，f＝F/d。像面上点的像面坐标以像素为单位表示。 ②计算特征直径端点A1、A2的世界坐标(xA1，yA1，zA1)，(xA2，yA2，zA2)的公式 其中XA1，YA1，XA2，YA2分别为A1，A2的像点A′1，A′2的像面坐标。 用同样的方法得到计算A3(xA3，yA3，zA3)、A4(xA4，yA4，zA4)的公式。 ③求像面椭圆短轴端点B′1，B′2在靶面的原像点B1、B2的世界坐标(xB1，yB1，zB1)、(xB2，yB2，zB2)的公式 根据图3所示各点的对应关系，利用相似三角形的性质，以及关系式 求得z1/z2＝r12/r11； 其中XB1，YB1，XB2，YB2分别为B1，B2的像点B′1，B′2的像面坐标；C′、B′2两点间的距离C′B′2＝r12d；B′1、C′两点间的距离B′1C′＝r11d；r11，r12是以像素为单位表示的像面上对应两点间的距离。 用同样的方法求出计算B3(xB3，yB3，zB3)、B4(xB4，yB4，zB4)的公式。 从上述①至③的计算公式可见，如果已知d和F，则根据特征点的像面坐标求对应的原像点的世界坐标的公式，都是一一对应的简单而且精确的线性函数关系式。与其他的单目视觉测量方法相比，本方法的计算既简单又精确。 如果无法知道F和d，也可以根据像面的特征参数求出f，求出所需结果，克服了现有三圆靶的方案必须知道相机的像素中心距才能求出所需结果的缺点。 ④求出靶面的平面方程及其法线的方向余弦 设靶面的平面方程为ax+by+cz＝1。建立目标函数 Q＝∑(Axi+Byi+Czi-1)2 令 建立方程 将靶面上已经求出的C，A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B49个点的世界坐标代入上述方程，求出靶面的平面方程的参数a，b，c，则靶面法线的方向余弦为 采用这种计算方法，其抗干扰的能力强，计算结果精度高，是提高测量精度的一项重要措施，是其测量精度优于现有三圆靶方案的原因之一。 于是，利用像面的特征参数和双圆标志的已知半径，无须知道相机的像素中心距和拍照时相机的实际焦距，也可以求出靶面的平面方程和靶面法线的方向余弦。因此，在没有摄影测量专用数码相机，而且对测量精度的要求也不很高的情况下，采用普通数码相机不经过复杂精密的标定也可以进行测量。本方法便于普及推广应用。 (4)根据像面椭圆图像的特征，设计了专用的数字图像亚像素处理方法，用来实时处理双圆靶的数字照片，求出像面椭圆的方程，求出椭圆短轴端点的像面坐标，再求出圆心像点的像面坐标和特征直径像的端点位置以及特征直径的像长。方法如下 ①求像面椭圆的方程 双圆标志在像面的像，每个圆对应一个椭圆。数字图像处理时，分别求其椭圆的方程。设像面椭圆方程为X2+BXY+CY2+DX+EY+F＝0。 建立目标函数 令 建立方程 采用数字图像亚像素处理方法，求出像面其中一个椭圆圆周上几十个点的像面坐标代入此方程，求出该椭圆方程的参数B、C、D、E、F、得到该椭圆的方程，再求出该椭圆短轴端点的像面坐标。用同样的方法处本文档来自技高网...

【技术保护点】
非接触精密测转角的单目视觉测量方法，其特征是该方法主要由以下几个步骤组成：（１）用共面同心双圆的圆周做靶面的标志做成测试靶，平行于待测物体的转轴固定在该物体上；（２）用一台位置固定的数码相机对测试靶拍照，拍照时，只要求靶面在相机的有效视场内，对相机与靶面的相对位置姿态无严格的要求；该数码相机的图像数据通过ＵＳＢ接口传送给计算机处理；（３）根据双圆标志的像为椭圆的特点，选择像面椭圆短轴的端点、特征直径像的端点和双圆标志圆心的像点作为像面的一组特征点，它们的像面坐标和特征直径的像长作为像面的一组特征参数；特征直径指的是：通过该圆的圆心作一个与像面平行的平面，将该平面与圆的交线称为该圆的特征直径；根据针孔成像原理，利用特征直径与像面平行的特点，基于点对应和直线对应，建立了求像面特征点在靶面的原像点的世界坐标的公式，求出对应的原像点的世界坐标，用来求出靶面的平面方程；（４）根据像面椭圆图像的特点，采用数字图像亚像素处理方法实时处理数字照片，求出像面两个椭圆的方程，求出椭圆短轴端点的像面坐标；根据平面间的中心投影保持共线点仍为共线点和共线４点的交比保持不变的特性，建立了求圆心像点位置的公式，求出圆心像点的像面坐标，进一步求出特征直径像的端点的像面坐标和特征直径像的长度；（５）若待测物体从位置Ⅰ转过一个小于１８０°的角度到达位置Ⅱ，用一台位置固定的数码相机分别对在位置Ⅰ和位置Ⅱ时的测试靶的靶面拍照，求出对应位置时靶面的平面方程；这两个平面的夹角φ就是待测物体从上述位置Ⅰ转到位置Ⅱ时的转角；（６）如果靶面与被测物体的转轴不平行，则用上述方法求出的φ值小于被测物体转角的实际值，即存在系统误差，需要修正；测量时，靶面圆心的运动轨迹是一个以转轴为中心轴的圆周；利用测量过程中已求出的靶面在多个不同位置时圆心的世界坐标，应用最小二乘法拟合，求出该轨迹圆所在平面的平面方程，求出转轴的方向余弦，求出靶面法线与被测物体的转轴之间的夹角ψ；利用ψ角来修正测转角的系统误差，求出转角的实际值φ↓［ａ］，其计算公式如下：φ↓［ａ］＝２ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（φ／２）／ｓｉｎψ）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何森，张晓明，于慧，李慧生，高永全，曹美珍，何迪和，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]