[發(fā)明專利]基于點陣的高精度視覺測角裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810244380.8
• 申請日: 2008-11-28
• 公開（公告）號: CN101430196A
• 公開（公告）日: 2009-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李為民;李曉峰
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 合肥金安專利事務(wù)所
• 代理人: 金惠貞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及可以測量微小角度，也可以測量大角度，且對旋轉(zhuǎn)部件的中心跳動等不敏感的高精度角度測量裝置。

背景技術(shù)

目前，角度測量是幾何量計量技術(shù)的重要組成部分，發(fā)展較為完備，各種測量手段的綜合運(yùn)用使測量準(zhǔn)確度達(dá)到了很高的水平。角度測量技術(shù)可以分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量兩種。對于靜態(tài)測量技術(shù)來說，目前的主要任務(wù)集中在如何提高測量精度和測量分辨力上。隨著工業(yè)的發(fā)展，對回轉(zhuǎn)量的測量要求也越來越多，因此人們在靜態(tài)測角的基礎(chǔ)上，對旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)角測量問題進(jìn)行了大量的研究，產(chǎn)生了許多新的測角方法。測角技術(shù)中研究最早的是機(jī)械式和電磁式測角技術(shù)，如多齒分度臺和圓磁柵等，這些方法的主要缺點大多為手工測量，不容易實現(xiàn)自動化，測量精度受到限制。

光學(xué)測角方法由于具有非接觸、高準(zhǔn)確度和高靈敏度的特點而倍受人們的重視，尤其是穩(wěn)定的激光光源的發(fā)展使工業(yè)現(xiàn)場測量成為可能，因此使光學(xué)測角法的應(yīng)用越來越廣泛，各種新的光學(xué)測角方法也應(yīng)運(yùn)而生。目前，光學(xué)測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、聲光調(diào)制法、圓光柵法、光學(xué)內(nèi)反射法、激光干涉法、平行干涉圖法及環(huán)形激光法等。這些方法中的很多方法在小角度的精密測量中已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用，并得到了較高的測量精度和測量靈敏度，通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)還可對360度整周角度進(jìn)行測量。

近幾年發(fā)展起來的小角度測量方法和可用于整周角測量的方法。目前發(fā)展較快的幾種角度測量的光學(xué)方法----圓光柵測角法、光學(xué)內(nèi)反射小角度測量法、激光干涉測角法、環(huán)形激光測角法和基于直線的視覺測角方法。

與本發(fā)明最接近的測量方法是基于直線的視覺測角方法：在2005年第4期光學(xué)學(xué)報上的發(fā)表文章《基于數(shù)字圖像的高精度面內(nèi)轉(zhuǎn)角測量方法》中，國防科技大學(xué)的李立春和于起峰采用視覺方法檢測面內(nèi)轉(zhuǎn)角，提出了一種用直線做特征標(biāo)志的基于圖像的測量方法，該方法要求直線方向避開與采樣方向成0°和45°角的方向，另外在較大的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)精密測量角度時鏡頭的畸變誤差是進(jìn)一步要考慮的問題。由于該方法沒有對視覺測量裝置的誤差進(jìn)行校正，因此當(dāng)在大轉(zhuǎn)角的情況下，該方法難以保證測角的精度。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有角度測量裝置存在的問題，消除在較大的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)精密測量角度時鏡頭的畸變誤差，降低制造成本，本發(fā)明提供一種新型的基于點陣的高精度視覺測角裝置。

具體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下：

基于點陣的高精度視覺測角裝置包括機(jī)架，所述機(jī)架工作臺上一側(cè)設(shè)有驅(qū)動部件，驅(qū)動部件的輸出端連接著旋轉(zhuǎn)部件，旋轉(zhuǎn)部件的另一端連接著被測旋轉(zhuǎn)盤，被測旋轉(zhuǎn)盤外側(cè)面上通過定位軸同軸設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)靶；在工作臺上另一側(cè)設(shè)有CCD攝像機(jī)，所述CCD攝像機(jī)的成像鏡頭與標(biāo)準(zhǔn)靶同軸對應(yīng)；

所述標(biāo)準(zhǔn)靶包括玻璃鏡遮光板，玻璃鏡遮光板嵌設(shè)在方框狀固定板內(nèi)側(cè)，被壓板固定，且通過墊板設(shè)于托板上，玻璃鏡遮光板、墊板和托板之間的空腔內(nèi)設(shè)有LED光源板；

所述玻璃鏡遮光板上橫豎均布排列有透光孔，且橫豎排列的透光孔在橫豎兩個方向正交。

所述玻璃鏡遮光板面積為140×140毫米，所述玻璃鏡遮光板上透光孔的位置精度達(dá)到0.5微米。

所述透光孔的孔徑為φ0.3毫米，采用光刻技術(shù)加工，孔徑誤差為0.5微米；相鄰?fù)腹饪椎木嚯x為5毫米。

所述標(biāo)準(zhǔn)靶與成像鏡頭之間的距離為0.75-20米。

所述驅(qū)動部件是步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，分度精度高。

本發(fā)明的具體操作方法如下：

(1)標(biāo)準(zhǔn)靶點陣圖像的獲取

通過成像鏡頭，標(biāo)準(zhǔn)靶的發(fā)光點在CCD攝像機(jī)的像面上成像，得到的標(biāo)準(zhǔn)靶光點陣列圖像，由CCD攝像機(jī)得到標(biāo)準(zhǔn)靶光點陣列的灰度圖像，通過特征點檢測算法，得到29×29個光點的像面坐標(biāo)。

(2)CCD視覺測量裝置的校準(zhǔn)

由于CCD攝像機(jī)的光學(xué)成像系統(tǒng)畸變，標(biāo)準(zhǔn)靶的點陣列在CCD像面上的位置有一定的畸變誤差，如果直接利用點陣列的像面坐標(biāo)進(jìn)行角度測量，難以實現(xiàn)高精度的角度測量。為此，在角度測量之前，需要先對CCD攝像機(jī)進(jìn)行畸變實時校準(zhǔn)?？梢酝ㄟ^CCD攝像機(jī)標(biāo)定的方法，建立CCD攝像機(jī)畸變的數(shù)學(xué)模型，利用該數(shù)學(xué)模型對CCD攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，從而提高測量系統(tǒng)的檢測精度。

在角度測量之前，旋轉(zhuǎn)部件在某一個初始位置時，直接建立物面坐標(biāo)系UOV，此時，利用CCD攝像機(jī)獲取標(biāo)準(zhǔn)靶的像面圖像，利用這841個坐標(biāo)已知標(biāo)準(zhǔn)點的物面坐標(biāo)，直接建立物面坐標(biāo)系UOV與像面坐標(biāo)系XOY的映射關(guān)系。