一種高速實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高速實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，系統(tǒng)包括系統(tǒng)標(biāo)定單元、高速成像單元、高速存儲(chǔ)單元、圖像處理單元，顯示控制和實(shí)時(shí)通信單元；在姿態(tài)測(cè)量時(shí)，首先通過(guò)高速圖像采集單元將圖像采集下來(lái)，另一方面高速相機(jī)通過(guò)FullCameraLink數(shù)據(jù)線與高速圖像處理單元連接，該處理單元能夠?qū)D像進(jìn)行實(shí)時(shí)的目標(biāo)跟蹤提取，通過(guò)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)處理得到靶標(biāo)在成像面坐標(biāo)上的質(zhì)心位置，并計(jì)算得到靶標(biāo)質(zhì)心的坐標(biāo)，查找坐標(biāo)-角度映射表（前期外標(biāo)定獲取）得到待測(cè)物端面的姿態(tài)數(shù)據(jù)。本發(fā)明采用了非接觸式測(cè)量方式對(duì)被測(cè)物體姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于物體的自由運(yùn)動(dòng)沒(méi)有影響，且測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單易操作，測(cè)量精度高，實(shí)時(shí)性好，可靠性好。
【專利說(shuō)明】一種高速實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，尤其是涉及一種高速實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]物體姿態(tài)測(cè)量方法有很多，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，通常選擇不同的姿態(tài)測(cè)量傳感器。傳統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量方法在物體所處振動(dòng)環(huán)境與測(cè)量精度等方面存在矛盾。測(cè)量動(dòng)態(tài)環(huán)境的傳感器，測(cè)量精度較低，典型的設(shè)備如陀螺。測(cè)量精度高的傳感器只能在靜態(tài)環(huán)境或緩慢變化的動(dòng)態(tài)環(huán)境中使用，如傾角儀。同時(shí)傳統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量方法在測(cè)量姿態(tài)角度變化很快，而且要求姿態(tài)角高速輸出的場(chǎng)合會(huì)面臨困境。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的測(cè)量精度及測(cè)量環(huán)境的矛盾，在現(xiàn)有的姿態(tài)測(cè)量傳感器精度及動(dòng)態(tài)特性無(wú)法明顯提高的技術(shù)問(wèn)題；提供了一種集精確測(cè)量、高速成像、圖像存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)輸出、適應(yīng)范圍廣的非接觸的高速實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。
[0004]本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的:
一種高速實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括:
一系統(tǒng)標(biāo)定單元:被測(cè)物放置在該系統(tǒng)標(biāo)定單元內(nèi)，包含自準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)、傾角傳感器及姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)；用于建立成像坐標(biāo)與被測(cè)物體姿態(tài)映射查找表；
一高速成像單元:包含定焦鏡頭、適配器、高速相機(jī)、相機(jī)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)分配器；用于對(duì)被測(cè)物體端面四個(gè)靶標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像；
一高速存儲(chǔ)單元:包含高速存儲(chǔ)盒及內(nèi)置的固態(tài)硬盤，用于對(duì)視頻圖像進(jìn)行采集存儲(chǔ)；
一圖像處理單元:為PC1-高速圖像處理卡，用于通過(guò)高速成像單元對(duì)視頻圖像進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)獲取靶標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)位置，通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定單元建議的查表實(shí)時(shí)獲取姿態(tài)運(yùn)動(dòng)角度的大小；
一顯示控制和實(shí)時(shí)通信單元:包含計(jì)算機(jī)服務(wù)器，用于顯示姿態(tài)運(yùn)動(dòng)輸出曲線和數(shù)值，控制高速存儲(chǔ)單元的工作，實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)輸出。
[0005]本發(fā)明利用高幀頻成像的高速性和高清成像目標(biāo)運(yùn)動(dòng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，通過(guò)使用高速攝像系統(tǒng)和實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)量物體在兩個(gè)自由度方向上運(yùn)動(dòng)角度的非接觸式實(shí)時(shí)測(cè)量，并由此實(shí)時(shí)解算出所需要的坐標(biāo)系下的角度大小。該測(cè)量系統(tǒng)能夠用來(lái)驗(yàn)證物體的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的控制準(zhǔn)確性，同時(shí)能夠通過(guò)所記錄的高幀頻圖像，回放觀察物體的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)，評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)特性
一種采用權(quán)利要求1所述的高速實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，包括以下步驟:
步驟1，將待測(cè)物體調(diào)至零位，對(duì)被測(cè)物體下方固定高對(duì)比度反光圓形靶標(biāo)；為了增大目標(biāo)對(duì)比度，在靶標(biāo)周圍設(shè)計(jì)為黑色的背景，并用照明裝置對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行照射；將成像傳感器正對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物體上的靶標(biāo)；此時(shí)待測(cè)靶標(biāo)可能并不位于視場(chǎng)中央位置，可以通過(guò)調(diào)節(jié)相機(jī)姿態(tài)調(diào)整平臺(tái)的上下、左右、前后調(diào)整完成調(diào)節(jié)過(guò)程，并完成相機(jī)對(duì)焦，保證靶標(biāo)的成像清晰；
步驟2，對(duì)待測(cè)物體不同擺角姿態(tài)進(jìn)行離散化靜態(tài)標(biāo)定；首先將高精度兩軸傾角傳感器的兩個(gè)軸線與系統(tǒng)零位擺軸調(diào)至平行；然后，讓待測(cè)物體按照固定角度繞兩個(gè)自由度依次旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)完成后讓帶測(cè)物保持靜止?fàn)顟B(tài)若干秒，并記錄下靶標(biāo)位置和傾角傳感器的角度；外標(biāo)定數(shù)據(jù)記錄結(jié)束后則利用系統(tǒng)的計(jì)算程序建立坐標(biāo)-角度映射查找表，該查找表存入高速圖像處理電路板的內(nèi)存中以備查詢；由于靶標(biāo)成像位置與待測(cè)物的姿態(tài)角度具有一一映射的關(guān)系，因此當(dāng)獲取了靶標(biāo)的成像坐標(biāo)，即可以通過(guò)查詢?cè)摫韺?shí)時(shí)得到待測(cè)物體擺角值；
步驟3，移除傾角傳感器及其緊固裝置，開始待測(cè)物姿態(tài)測(cè)量；姿態(tài)測(cè)量時(shí)，打開成像傳感器和電子機(jī)柜，待高速處理和記錄設(shè)備正常工作后進(jìn)行待測(cè)物姿態(tài)測(cè)量；得到的待測(cè)物端面的姿態(tài)角度數(shù)據(jù)，通用PCI接口發(fā)往計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上的內(nèi)存映像卡實(shí)時(shí)通過(guò)光纖將姿態(tài)角度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出。
[0006]因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):采用了非接觸式測(cè)量方式對(duì)被測(cè)物體姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于物體的自由運(yùn)動(dòng)沒(méi)有影響，且測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單易操作，測(cè)量精度高，實(shí)時(shí)性好，可靠性好。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]附圖1高精度實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量組成示意圖附圖2高速相機(jī)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖
附圖3高速圖像處理電路原理組成硬件框圖附圖4高精度實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)工作流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0008]下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。
[0009]實(shí)施例:
參見(jiàn)圖1所示。高精度實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)由1-高精度傾角儀，2-待測(cè)物，3-高對(duì)比度靶標(biāo)，4-高速相機(jī)，5-高速數(shù)據(jù)分配器，6-高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，7-計(jì)算機(jī)(內(nèi)含圖像處理卡和控制卡)，8-視頻數(shù)據(jù)線，9-串口控制線等組成。
[0010]一、首先介紹本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu):
系統(tǒng)設(shè)備主要由五個(gè)單元組成:系統(tǒng)標(biāo)定單元、高速成像單元、高速存儲(chǔ)單元、圖像處理單元，顯示控制和實(shí)時(shí)通信單元。
[0011]系統(tǒng)標(biāo)定單元包含自準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)、傾角傳感器及姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)等，主要功能是建立成像坐標(biāo)與被測(cè)物體姿態(tài)映射查找表。
[0012]高速成像單元包含定焦鏡頭、適配器、高速相機(jī)、相機(jī)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)分配器等，主要功能是對(duì)被測(cè)物體端面四個(gè)靶標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。
[0013]參見(jiàn)圖2所示。高速相機(jī)可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整適當(dāng)位置與適當(dāng)高度固定，確保其視場(chǎng)覆蓋待測(cè)物體運(yùn)動(dòng)范圍。
[0014]高速存儲(chǔ)單元包含高速存儲(chǔ)盒及內(nèi)置的固態(tài)硬盤，主要功能是對(duì)視頻圖像進(jìn)行采集存儲(chǔ)。
[0015]圖像處理單元包含PC1-高速圖像處理卡，主要功能是對(duì)視頻圖像進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)獲取靶標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)位置，通過(guò)查表實(shí)時(shí)獲取姿態(tài)運(yùn)動(dòng)角度的大小。
[0016]參見(jiàn)圖3所示。高速圖像處理電路通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)祀標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)提取,DSP通過(guò)雙口 RAM讀取后實(shí)現(xiàn)姿態(tài)查表輸出。
[0017]顯示控制和實(shí)時(shí)通信單元包含機(jī)柜、計(jì)算機(jī)主機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)，映像內(nèi)存卡，eSATA控制卡，主要功能包括顯示姿態(tài)運(yùn)動(dòng)輸出曲線和數(shù)值，控制高速存儲(chǔ)單元的工作，實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)輸出。
[0018]二、本發(fā)明的工作原理如下:
采用高速攝像機(jī)作為被測(cè)物體姿態(tài)測(cè)量的傳感器。當(dāng)高速攝像機(jī)獲取感興趣區(qū)域的圖像信息后，通過(guò)高速圖像采集單元將圖像采集下來(lái)，并通過(guò)高速視頻記錄單元記錄在高速硬盤，以便于回放觀察和后期處理。
[0019]利用圖像處理單元對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的目標(biāo)跟蹤提取，通過(guò)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)處理得到靶標(biāo)在成像面坐標(biāo)上的質(zhì)心位置，并計(jì)算得到靶標(biāo)質(zhì)心的坐標(biāo)，查找坐標(biāo)-角度映射表得到被測(cè)物體的姿態(tài)數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)將接收到的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄。
[0020]坐標(biāo)-角度映射表是指當(dāng)相機(jī)相對(duì)于被測(cè)物體位置固定后，靶標(biāo)成像位置與被測(cè)物體角度具有一一映射的關(guān)系。坐標(biāo)-角度映射表通過(guò)前期的外標(biāo)定過(guò)程得到，借助高精度傾角傳感器作為靜態(tài)角度采樣工具，通過(guò)離散采樣和高精度插值最終得到。
[0021]具體操作時(shí):
步驟1，將待測(cè)物體調(diào)至零位，對(duì)被測(cè)物體下方固定高對(duì)比度反光圓形靶標(biāo)；為了增大目標(biāo)對(duì)比度，在靶標(biāo)周圍設(shè)計(jì)為黑色的背景，并用照明裝置對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行照射；將成像傳感器正對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物體上的靶標(biāo)；此時(shí)待測(cè)靶標(biāo)可能并不位于視場(chǎng)中央位置，可以通過(guò)調(diào)節(jié)相機(jī)姿態(tài)調(diào)整平臺(tái)的上下、左右、前后調(diào)整完成調(diào)節(jié)過(guò)程，并完成相機(jī)對(duì)焦，保證靶標(biāo)的成像清晰；
步驟2，對(duì)待測(cè)物體不同擺角姿態(tài)進(jìn)行離散化靜態(tài)標(biāo)定；首先將高精度兩軸傾角傳感器的兩個(gè)軸線與系統(tǒng)零位擺軸調(diào)至平行；然后，讓待測(cè)物體按照固定角度繞兩個(gè)自由度依次旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)完成后讓帶測(cè)物保持靜止?fàn)顟B(tài)若干秒，并記錄下靶標(biāo)位置和傾角傳感器的角度；外標(biāo)定數(shù)據(jù)記錄結(jié)束后則利用系統(tǒng)的計(jì)算程序建立坐標(biāo)-角度映射查找表，該查找表存入高速圖像處理電路板的內(nèi)存中以備查詢；由于靶標(biāo)成像位置與待測(cè)物的姿態(tài)角度具有一一映射的關(guān)系，因此當(dāng)獲取了靶標(biāo)的成像坐標(biāo)，即可以通過(guò)查詢?cè)摫韺?shí)時(shí)得到待測(cè)物體擺角值；
步驟3，移除傾角傳感器及其緊固裝置，開始待測(cè)物姿態(tài)測(cè)量；姿態(tài)測(cè)量時(shí)，打開成像傳感器和電子機(jī)柜，待高速處理和記錄設(shè)備正常工作后進(jìn)行待測(cè)物姿態(tài)測(cè)量；得到的待測(cè)物端面的姿態(tài)角度數(shù)據(jù)，通用PCI接口發(fā)往計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上的內(nèi)存映像卡實(shí)時(shí)通過(guò)光纖將姿態(tài)角度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出。
[0022]本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高速實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括: 一系統(tǒng)標(biāo)定單元:被測(cè)物放置在該系統(tǒng)標(biāo)定單元內(nèi)，包含自準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)、傾角傳感器及姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)；用于建立成像坐標(biāo)與被測(cè)物體姿態(tài)映射查找表； 一高速成像單元:包含定焦鏡頭、適配器、高速相機(jī)、相機(jī)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)分配器；用于對(duì)被測(cè)物體端面四個(gè)靶標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像； 一高速存儲(chǔ)單元:包含高速存儲(chǔ)盒及內(nèi)置的固態(tài)硬盤，用于對(duì)視頻圖像進(jìn)行采集存儲(chǔ)； 一圖像處理單元:為PC1-高速圖像處理卡，用于通過(guò)高速成像單元對(duì)視頻圖像進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)獲取靶標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)位置，通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定單元建議的查表實(shí)時(shí)獲取姿態(tài)運(yùn)動(dòng)角度的大??； 一顯示控制和實(shí)時(shí)通信單元:包含計(jì)算機(jī)服務(wù)器，用于顯示姿態(tài)運(yùn)動(dòng)輸出曲線和數(shù)值，控制高速存儲(chǔ)單元的工作，實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)輸出。
2.一種采用權(quán)利要求1所述的高速實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，將待測(cè)物體調(diào)至零位，對(duì)被測(cè)物體下方固定高對(duì)比度反光圓形靶標(biāo)；為了增大目標(biāo)對(duì)比度，在靶標(biāo)周圍設(shè)計(jì)為黑色的背景，并用照明裝置對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行照射；將成像傳感器正對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物體上的靶標(biāo)；此時(shí)待測(cè)靶標(biāo)可能并不位于視場(chǎng)中央位置，可以通過(guò)調(diào)節(jié)相機(jī)姿態(tài)調(diào)整平臺(tái)的上下、左右、前后調(diào)整完成調(diào)節(jié)過(guò)程，并完成相機(jī)對(duì)焦，保證靶標(biāo)的成像清晰； 步驟2，對(duì)待測(cè)物體不同擺角姿態(tài)進(jìn)行離散化靜態(tài)標(biāo)定；首先將高精度兩軸傾角傳感器的兩個(gè)軸線與系統(tǒng)零位擺軸調(diào)至平行；然后，讓待測(cè)物體按照固定角度繞兩個(gè)自由度依次旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)完成后讓帶測(cè)物保持靜止?fàn)顟B(tài)若干秒，并記錄下靶標(biāo)位置和傾角傳感器的角度；外標(biāo)定數(shù)據(jù)記錄結(jié)束后則利用系統(tǒng)的計(jì)算程序建立坐標(biāo)-角度映射查找表，該查找表存入高速圖像處理電路板的內(nèi)存中以備查詢；由于靶標(biāo)成像位置與待測(cè)物的姿態(tài)角度具有一一映射的關(guān)系，因此當(dāng)獲取了靶標(biāo)的成像坐標(biāo)，即可以通過(guò)查詢?cè)摫韺?shí)時(shí)得到待測(cè)物體擺角值； 步驟3，移除傾角傳感器及其緊固裝置，開始待測(cè)物姿態(tài)測(cè)量；姿態(tài)測(cè)量時(shí)，打開成像傳感器和電子機(jī)柜，待高速處理和記錄設(shè)備正常工作后進(jìn)行待測(cè)物姿態(tài)測(cè)量；得到的待測(cè)物端面的姿態(tài)角度數(shù)據(jù)，通用PCI接口發(fā)往計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上的內(nèi)存映像卡實(shí)時(shí)通過(guò)光纖將姿態(tài)角度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出。
【文檔編號(hào)】G01C11/00GK104075694SQ201410314172
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】閔志方, 賀世超, 董靜, 程煉, 孫建華 申請(qǐng)人:武漢華中天勤光電系統(tǒng)有限公司