專利名稱：主動視覺非接觸式伺服機構參數測量方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種主動視覺非接觸式伺服機構參數測量方法及其裝置，通過無接觸的方式，它實現了對二軸伺服機構的指向精度、轉角范圍、角速度、角加速度、超調量等參數的實時高精度測量。屬于計算機視覺技術領域。
背景技術：
伺服機構是廣泛應用于許多領域的一種機械裝置，如在衛星天線、雷達天線等設備中，其中對伺服機構的性能參數有嚴格的要求。傳統的測量方法是在單獨測量每個軸的轉角和角速度，分為接觸式的機械測量方法和非接觸式的光學測量方法。這些方法不僅安裝復雜，改變系統的結構，而且更為關鍵的是單獨測量各個轉軸的參數，并不能說明整個系統的精度。因為伺服機構的傳動裝置中存在機械間隙，所以實際的指向和由兩個轉角確定的矢量是存在誤差的。因此傳統的測量方法無法測量伺服機構實際的指向。
計算機視覺是通過分析圖像來獲取對客觀世界的定位、測量、認知的一個研究領域，隨著技術的進步和發展，近些年逐漸應用到工程中的某些領域。對現有文獻檢索發現 1.美國專利號，US 7,204,596 B2，名稱Projector with Tilt Angle MeasuringDevice，該專利利用投影機鏡頭周圍兩個以上的激光器產生的激光束投射在屏幕上，通過拍攝圖像中光點的相對位置關系解算投影機的傾斜角度。該專利應用于測量靜態物體的傾角，不適用于動態測量。
2.中國專利申請號200610029122.9，基于計算機視覺的轉速測量裝置，該專利采集被測物體的轉動模糊圖像，物體上的特征點模糊為弧線，經過處理后拉直為直線段，測量直線段長度推算轉速。這種方法只能測單軸旋轉的物體，無法應用于多軸旋轉的伺服測量系統。并且受攝像機快門時間和分辨率約束，測量范圍和精度不高。
3.中國專利申請號200610010435.X，名稱非接觸式三軸氣浮臺轉角測量裝置及其測量方法，專利自述為“利用計算機視覺理論并結合測量靶標及CCD攝像機安裝信息，計算出氣浮臺臺面的轉動參數”。該專利主要有以下幾個不足之處 攝像機和激光器都需要安裝到被測物體上，無法在對載荷重量要求高的場合使用； 采用彩色攝像機，與黑白攝像機相比，在同樣圖像數據量的情況下，會降低圖像的分辨率； 依靠測量標靶上安裝的LED燈測量氣浮臺的旋轉角，將測角范圍限制在很小的范圍內。
由于以上限制因素，該專利無法應用于大轉角范圍、高轉速的伺服裝置運動參數的精確測量領域中。
發明內容
(1)目的 本發明的目的在于提供一種主動視覺非接觸式伺服機構參數測量方法及其裝置，它克服了傳統接觸式測量方法的缺點和不足，能夠測量伺服機構的各運動參數，并且其轉角測量范圍及測量精度遠高于現有的無接觸測量方法，適用范圍廣。
(2)技術方案 一、一種主動視覺非接觸式伺服機構參數測量裝置，它由測量屏幕、伺服機構安裝平臺、圖像采集和處理系統、紅光激光光源構成在待測伺服機構上裝有紅光激光光源，它置于伺服機構安裝平臺上并安放在測量屏幕前，在待測伺服機構后方放置有數字攝像機對屏幕成像，圖像數據經過圖像采集卡傳送到計算機處理。
工作流程是首先通過攝像機拍攝屏幕上的棋盤格圖案，對攝像機標定；然后由伺服機構控制主機發出命令控制伺服轉動，計算機提取圖像中激光點坐標，結合攝像機標定的結果，實時計算并記錄待測伺服機構在每個時刻的轉角，由轉角計算出角速度、指向精度、超調量等待測伺服機構運動參數。
1.測量屏幕 測量屏幕的作用是接收激光束，使拍攝屏幕的攝像機能夠捕捉到激光點。同時為計算光點的三維坐標提供一個約束，即只需要計算出光點在屏幕上二維坐標系中的兩個坐標就可以獲得光點的三維坐標。這個約束條件可以避免使用兩個攝像機的雙目視覺系統，不僅降低了系統成本，使用方便，并且精度優于無約束的雙目系統。由于屏幕作為測量計算中的一個約束，所以對屏幕平面度有一定要求。
作為本發明的一個改進，在視覺測量中采用多塊屏幕板拼接，不僅極大的拓寬了角度測量的范圍，同時改善了在平面上成像分辨率不均勻的現象。屏幕的設計需要考慮眾多因素，包括測量誤差、測量環境允許的空間尺寸以及可實現性等。綜合考慮后，攝像機參數2/3英寸CCD，鏡頭焦距12mm，攝像機距離屏幕5m左右，在此條件下，屏幕高度設計為1.6m。屏幕角度設計時，需要考慮誤差因素。圖8是水平截面圖，當伺服水平轉動時，激光點E在屏幕上運動，相應的成像角度
定義參數
其值越小說明
和ψ越接近線性關系，從而量化帶來的誤差越小。根據幾何關系，可以推導出
其中α是攝像機水平視場角的1/2，是已定參數；θ是屏幕墻101和102的半夾角。當θ變化時，依次計算對應的參數var，得到最優角度為35°，但是考慮到加工和設計方便，最終設計夾角θ為45°。類似的，垂直截面9中的λ角設計為30°。
作為本發明的進一步改進，將本發明應用于室外便攜測量設備時，測量屏幕設計為輕便折疊結構，便于運輸、安裝和使用。屏幕的支撐結構為球頭網架結構，輕便易于拆裝；網架結構上使用多個可旋連接件連接屏幕，可以調節網架和屏幕局部之間的距離，以滿足屏幕平面度的要求；屏幕采用塑料蜂窩板做芯，表面貼玻璃鋼，既輕便，又滿足剛度設計要求。
2.伺服機構安裝平臺 伺服機構安裝平臺是待測伺服機構的支撐平臺。使用伺服機構安裝平臺的目的是為了能夠保證待測伺服機構安裝在合適的位置，使得激光束不超出屏幕界限。同時決定了伺服坐標系和屏幕坐標系之間的相對關系，用于計算伺服轉角。
本發明中的伺服機構安裝平臺，在對待測伺服機構進行測量之前需要進行精確調校。其調校方法為用兩臺測量精度在0.1/1000以上的經緯儀建站，并搭配專用軟件平臺，利用經緯儀調節伺服機構安裝平臺的平面度，確保伺服機構安裝平臺的平面度精度小于1/500；待測伺服機構安裝于伺服機構安裝平臺上，利用經緯儀確定待測伺服機構與測量屏幕之間的相對位置關系。
作為本發明的一個改進，伺服機構安裝平臺設計為輕便、可拆卸結構，適用于室外便攜測量設備。
3.圖像采集和處理系統 圖像采集和處理系統是本專利的關鍵部分，它由高分辨率數字攝像機、計算機系統和圖像測量軟件組成。計算機系統的硬件包括圖像采集卡、顯示器和命令輸入設備，圖像測量軟件是測量伺服機構運動參數的實現部分，由標定模塊、圖像處理模塊、運動參數計算模塊和數據管理模塊組成。
圖像采集卡安裝于計算機系統的主機機箱內，數字攝像機通過連接電纜連接到圖像采集卡的輸入接口上，圖像測量軟件安裝于計算機系統的操作系統平臺上。
本發明采用高分辨率、高速率的工業數字CCD黑白攝像機，與彩色攝像機相比，在同樣數據速率情況下，黑白攝像機的分辨率比彩色攝像機高約1.7倍。在數據速率一定條件下，攝像機分辨率和幀速率是矛盾關系，本系統既要求高精度測量，又需要足夠的幀速率解決高速測量問題，綜合考慮后，選擇分辨率1390×1024，幀速率30fps的黑白攝像機。
此外選用快門參數可編程的功能，通過軟件的圖像處理模塊，能夠自動調節快門速度，使只有高亮度的激光點在圖像中成像，同時消除運動模糊產生的拖尾現象，降低光點識別跟蹤的難度，簡化處理，從而達到實時性要求。
二、一種非接觸式伺服機構參數測量方法，其步驟如下 1.攝像機的標定 將攝像機擺放在合適位置，視場能夠覆蓋整個測量屏幕，并保證在視場中觀察到的測量屏幕的上部邊沿與矩形視場的上部邊沿平行，通過軟件的標定算法對攝像機進行標定； 圖4中列出了伺服運動參數測量方法中涉及的坐標系，101、102和103是測量屏幕的三塊幕墻，每個幕墻對應一個坐標系，分別是O1(x1，y1，z1)、O2(x2，y2，z2)和O3(x3，y3，z3)，待測伺服機構的坐標系Os(xs，ys，zs)的原點在101和102角平分面，并且xs軸和zs在角平分面上，zs和y1，y2軸平行，待測伺服機構繞zs軸轉角稱為方位角，繞ys軸轉角稱為俯仰角，繞xs軸轉角稱為滾轉角；Oi(xi，yi)是圖像坐標系。
標定的方法如下在圖像中提取101、102和103中棋盤格中的角點坐標，采用張正友提出的標定算法(Z.Zhang.A Flexible New Technique for CameraCalibration.IEEE Trans.on Pattern Analysis and Machine Intelligence，22(11)1330-1334，2000.)，根據角點的圖像坐標和屏幕坐標，對攝像機進行標定。從而確定了圖像坐標系Os(xs，ys，zs)和屏幕坐標系O1(x1，y1，z1)、O2(x2，y2，z2)和O3(x3，y3，z3)的轉換關系 2.光源標定 每次測量開始前，將待測伺服機構復位到零點初始位置，圖像測量軟件自動提取圖像中的光點，并獲取光點的零點初始位置； 3.亮度標定 經過分析采集到的圖像數據，調整快門速度至測量要求范圍內，去除掉絕大部分背景，只保留高亮度的光點； 4.實時測量 通過伺服機構控制主機發送指令，使待測伺服機構轉動，同時通過命令輸入系統控制測量系統開始工作；計算機系統調用圖像數據獲取模塊實時采集攝像機的圖像，經過預處理進行圖像增強后，分割識別光點，并進行光點提取定位和光點識別跟蹤，并實時計算光點在圖像中的亞像素坐標，由光點的圖像坐標重建出其三維坐標，計算對應的光軸矢量，最后換算為待測伺服機構的轉角，實時輸出在顯示器上顯示； 光點坐標的三維重建，方法如下 設圖像坐標(u，v)T，對應屏幕坐標(X，Y，Z)T，成像系統如下所示 其中S是比例因子，是攝像機內參數矩陣，是旋轉矩陣，是偏移向量，R和t統稱為攝像機外參數。
因為測量屏幕是平面，所以其中z≡0，所以方程有唯一解，由(u，v)T解出(X，Y，O)T。線性計算方法如式(2)和(3)所示， 其中是攝像機坐標系中的坐標，這是在假定系統是線性情況下的計算。考慮成像中的畸變，更為精確的計算方法是 其中 式(4)中的
和
是畸變修正后的坐標，k1和k2是徑向畸變系數，p1和p2是切向畸變系數，通過攝像機標定已經獲得。由方程解出
和
代人(5)式，得到最終解。在實際研制過程中，從開始的線性計算模型到后來的非線性模型，屏幕坐標定位誤差從10mm降低到1mm左右，提高了一個數量級。
設由屏幕坐標系到待測伺服機構坐標系的旋轉矩陣為Rs，偏移向量為ts，光點在屏幕坐標系下的坐標為(X，Y，O)T，在待測伺服機構坐標系下的坐標為(Xs，Ys，Zs)T，則光點在屏幕坐標系OXYZ的坐標與光點在待測伺服機構坐標系OsXsYsZs的坐標之間的轉換關系由(6)式給出 由此可以計算出光點在待測伺服坐標系OsXsYsZs下的坐標(Xs，Ys，Zs)。則待測伺服機構的轉動角度可以由式(7)、(8)計算。其中，待測伺服機構的方位角為 待測伺服機構的俯仰角為 5.后續處理 實時測量結束后，軟件自動分析記錄的光點軌跡數據，按照運動方式劃分不同階段，如靜態指向狀態、過渡運動階段、超調階段，進行實時參數計算，計算各種階段下的運動參數，最終輸出待測伺服機構的指向精度、轉動角速度、轉動角加速度、轉角范圍、超調量、過渡過程時間等參量；對照設定的檢驗指標，判斷待測伺服機構是否達到要求。
6.數據管理 測試結束后，在數據庫中記錄每次測量計算結果，可以隨時查詢、統計，并且能夠根據記錄的光點軌跡坐標重現測量過程，便于檢驗人員和設計人員分析數據，查找技術故障。
(3)優點及效果 1.無接觸、低載荷 測量過程中不接觸被測物體；被測物體的附加載荷只有激光光源，重量輕，只有十幾克到幾十克，適用范圍廣； 2.測角范圍寬 標準條件下，使用三塊幕墻組成測量屏幕，使用單攝像機，方位角有效測量范圍為-90°～+90°，俯仰角為-15°～+90°；在增加幕墻和攝像機數量的情況下，方位角和俯仰角的測量范圍還能進一步提高。
3.動態范圍寬 在30fps的圖像采集速率下，測角范圍在上述標準條件下，角速度ω的有效測量范圍0～300°/s，角加速度范圍0～1200°/s2。
4.簡化圖像處理 采用快門參數可編程的數字攝像機，通過軟件中的亮度標定，能夠根據具體環境自動調節快門時間，降低背景亮度，突出光點，便于提取；另外高的快門速度可以消除運動模糊帶來的拖尾現象，簡化光點提取算法，并且精度高； 5.測量精度高，方法靈活 在本發明測量過程中，攝像機和測量屏幕的相對位置關系固定，所以一旦標定后，測量屏幕和圖像的對應關系是精確不變的，不會像某些攝像機隨物體運動的測量系統，隨著測量的進行而變化。因此在由圖像坐標到屏幕坐標的轉換中，可以使用非線性成像模型，考慮光學系統中的徑向畸變和切向畸變系數，能夠獲得高精度的結果。
調節伺服機構和測量屏幕之間距離可以獲得不同的測角范圍和測量精度，當距離增大時，測角范圍減小，測量精度提高；距離接近時，測角范圍增大，精度降低。因此可以根據需要靈活選擇需要的測量范圍和精度。例如在標準測角范圍內，方位角和俯仰角的精度可以達到0.1°；而調整到測角范圍±12°時，精度可以達到0.01°。
6.自動化程度高，使用簡便 攝像機不需要安裝，可以根據實際環境靈活放置，室內、室外的測量均適用；攝像機的光學參數使用圖像處理的相關算法自動計算獲取，測量過程也不需要干預，自動化程度高，使用簡便。
圖1本發明結構示意圖 圖2本發明功能方框示意圖 圖3測量過程示意圖 圖4涉及的坐標系示意圖 圖5標定模塊示意圖 圖6圖像處理模塊示意圖 圖7運動參數計算模塊示意圖 圖8測量屏幕水平截面圖 圖9測量屏幕垂直截面圖 圖中符號說明如下 1 測量屏幕；2 伺服機構安裝平臺；3 紅光激光光源；4 待測伺服機構；5 數字攝像機；6 計算機系統；7 圖像采集卡；8 顯示器；9 命令輸入設備；10 標定模塊；11 圖像處理模塊；12 運動參數計算模塊；13 數據管理模塊；14 攝像機標定；15 光源標定；16 亮度標定；17 圖像數據獲取；18 預處理；19 光點提取定位；20 光點識別跟蹤；21 三維重建；22 實時參數計算；23 后續處理；24 伺服機構控制主機； 101屏幕墻1； 102屏幕墻2； 103屏幕墻3； O1(x1，y1，z1)屏幕墻1坐標系； O2(x2，y2，z2)屏幕墻2坐標系； O3(x3，y3，z3)屏幕墻3坐標系； Os(xs，ys，zs)待測伺服機構坐標系； Oi(xi，yi)圖像坐標系。
具體實施例方式 見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示，其具體實施如下 (1)一種主動視覺非接觸式伺服機構參數測量裝置，它由測量屏幕1、伺服機構安裝平臺2、圖像采集和處理系統、紅光激光光源3構成在待測伺服機構4上裝有紅光激光光源3，它置于伺服機構安裝平臺2上并安放在測量屏幕1前，在待測伺服機構4后方放置有數字攝像機5對測量屏幕1成像，圖像數據經過圖像采集卡7傳送到計算機系統6處理。
圖像采集和處理系統是由高分辨率數字攝像機5、計算機系統6和圖像測量軟件組成。計算機系統6的硬件組成包括圖像采集卡7、顯示器8和命令輸入設備9，圖像測量軟件是測量待測伺服機構4運動參數的實現部分，由標定模塊10、圖像處理模塊11、運動參數計算模塊12和數據管理模塊13組成。圖像采集卡7安裝于計算機系統6的主機機箱內，數字攝像機5通過連接電纜連接到圖像采集卡7的輸入接口上。圖像測量軟件安裝于計算機系統6的操作系統平臺上。
工作流程如下首先調整攝像機5對測量屏幕1上的棋盤格圖案進行完整的拍攝，然后啟動標定模塊10對攝像機5進行標定并保存標定數據；再由伺服機構控制主機24發出命令控制待測伺服機構4轉動；在待測伺服機構4轉動的同時，圖像處理模塊11連續提取攝像機5拍攝到的圖像中的激光點坐標，結合標定模塊10對攝像機5標定的數據，實時計算并記錄待測伺服機構4在每一拍攝圖像時刻的轉角，運動參數計算模塊12通過比較計算待測伺服機構4在不同時刻的轉角，從而得到角速度、指向精度、超調量等待測伺服機構4的運動參數。
(2)一種主動視覺非接觸式伺服機構參數測量方法，其步驟如下 1.攝像機標定14 將攝像機5擺放在合適位置，視場能夠覆蓋整個測量屏幕1，并保證在視場中觀察到的測量屏幕1的上部邊沿與矩形視場的上部邊沿平行，通過軟件的標定算法對攝像機5進行標定； 圖4中列出了伺服運動參數測量方法中涉及的坐標系，101、102和103是測量屏幕1的三塊幕墻，每個幕墻對應一個坐標系，分別是O1(x1，y1，z1)、O2(x2，y2，z2)和O3(x3，y3，z3)，待測伺服機構4的坐標系Os(xs，ys，zs)的原點在101和102角平分面，并且xs軸和zs在角平分面上，zs和y1，y2軸平行。待測伺服機構4繞zs軸轉角稱為方位角，繞ys軸轉角稱為俯仰角，繞xs軸轉角稱為滾轉角；Oi(xi，yi)是圖像坐標系。
標定的方法如下在圖像中提取101、102和103中棋盤格中的角點坐標，采用張正友提出的標定算法(Z.Zhang.A Flexible New Technique for CameraCalibration.IEEE Trans.on Pattern Analysis and Machine Intelligence，22(11)1330-1334，2000.)，根據角點的圖像坐標和屏幕坐標，對攝像機5進行標定。從而確定了圖像坐標系Os(xs，ys，zs)和屏幕坐標系O1(x1，y1，z1)、O2(x2，y2，z2)和O3(x3，y3，z3)的轉換關系。
2.光源標定15 每次測量開始前，將待測伺服機構4復位到零點初始位置，圖像測量軟件自動提取圖像中的光點，并獲取光點的零點初始位置； 3.亮度標定16 經過分析采集到的圖像數據，調整快門速度至測量要求范圍內，去除掉絕大部分背景，只保留高亮度的光點； 4.實時測量 通過伺服機構控制主機24發送指令，使待測伺服機構4轉動，同時通過命令輸入系統9控制測量系統開始工作；計算機系統6調用圖像數據獲取模塊17實時采集攝像機5的圖像，經過預處理18進行圖像增強后，分割識別光點，并進行光點提取定位19和光點識別跟蹤20，實時計算光點在圖像中的亞像素坐標；由光點的圖像坐標重建出其三維坐標，計算對應的光軸矢量，最后換算為待測伺服機構4的轉角，并實時輸出在顯示器8上顯示； 光點坐標的三維重建21，方法如下 設圖像坐標(u，v)T，對應屏幕坐標(X，Y，Z)T，成像系統如下所示 其中S是比例因子，是攝像機5內參數矩陣，是旋轉矩陣，是偏移向量，R和t統稱為攝像機5外參數。
因為測量屏幕1是平面，所以其中z≡0，所以方程有唯一解，由(u，v)T解出(X，Y，O)T。線性計算方法如式(2)和(3)所示， 其中是攝像機坐標系中的坐標，這是在假定系統是線性情況下的計算。考慮成像中的畸變，更為精確的計算方法是 其中 式(4)中的
和
是畸變修正后的坐標，k1和k2是徑向畸變系數，p1和p2是切向畸變系數，通過攝像機標定14已經獲得。由方程解出
和
代人(5)式，得到最終解。在實際研制過程中，從開始的線性計算模型到后來的非線性模型，屏幕坐標定位誤差從10mm降低到1mm左右，提高了一個數量級。
設由屏幕坐標系到待測伺服機構坐標系的旋轉矩陣為Rs，偏移向量為ts，光點在屏幕坐標系下的坐標為(X，Y，O)T，在待測伺服機構坐標系下的坐標為(Xs，Ys，Zs)T，則光點在屏幕坐標系OXYZ的坐標與光點在待測伺服機構坐標系OsXsYsZs的坐標之間的轉換關系由(6)式給出 由此可以計算出光點在待測伺服機構坐標系OsXsYsZs下的坐標(Xs，Ys，Zs)T。則待測伺服機構的轉動角度可以由式(7)、(8)計算。其中，待測伺服機構的方位角為 待測伺服機構的俯仰角為 5.后續處理23 實時測量結束后，軟件自動分析記錄的光點軌跡數據，按照運動方式劃分不同階段，如靜態指向狀態、過渡運動階段、超調階段，進行實時參數計算22，獲取各種階段下的運動參數，最終輸出待測伺服機構4的指向精度、轉動角速度、轉動角加速度、轉角范圍、超調量、過渡過程時間等參量；對照設定的檢驗指標，判斷待測伺服機構4是否達到要求。
6.數據管理 測試結束后，在數據庫中記錄每次測量計算結果，可以隨時查詢、統計，并且能夠根據記錄的光點軌跡坐標重現測量過程，便于檢驗人員和設計人員分析數據，查找技術故障。
權利要求
1、一種主動視覺非接觸式伺服機構參數測量裝置，其特征在于它由測量屏幕、伺服機構安裝平臺、圖像采集和處理系統、紅光激光光源構成，在待測伺服機構上裝有紅光激光光源，它置于伺服機構安裝平臺上并安放在測量屏幕前，在它后方放置有數字攝像機對屏幕成像；
所述測量屏幕是用塑料蜂窩板做芯，表面貼玻璃鋼材料制成的三維空間形狀，它接收激光束；測量屏幕的支撐是使用多個可旋連接件連接測量屏幕的球頭網架構件；
所述伺服機構安裝平臺是待測伺服機構的水平支撐平臺，待測伺服機構置于該安裝平臺的上部，利用經緯儀確定待測伺服機構與測量屏幕之間的相對位置關系，從而獲得待測伺服機構精確的三維空間坐標；
所述圖像采集和處理系統是由數字攝像機、計算機系統和圖像測量軟件組成；該計算機系統的硬件包括圖像采集卡、顯示器和命令輸入設備；該圖像測量軟件是標定模塊、圖像處理模塊、參數計算模塊和數據管理模塊的組合；圖像采集卡安裝于計算機系統的主機機箱內，數字攝像機通過連接電纜連接到圖像采集卡的輸入接口上并放置在伺服機構安裝平臺后方，圖像測量軟件安裝在計算機系統的操作系統平臺上。
2、根據權利要求1所述的一種主動視覺非接觸式伺服機構參數測量裝置，其特征在于該測量屏幕是由多塊屏幕板拼接而成。
3、根據權利要求1所述的一種主動視覺非接觸式伺服機構參數測量裝置，其特征在于該測量屏幕是折疊便攜結構。
4、根據權利要求1所述的一種主動視覺非接觸式伺服機構參數測量裝置，其特征在于該伺服機構安裝平臺是可拆卸結構。
5、根據權利要求1所述的一種主動視覺非接觸式伺服機構參數測量裝置，其特征在于該數字攝像機是分辨率1390×1024，幀速率30fps的CCD黑白攝像機。
6、根據權利要求1所述的一種主動視覺非接觸式伺服機構參數測量裝置的測量方法，其特征在于該方法步驟如下
(1)攝像機的標定
將攝像機擺放在合適位置，視場能夠覆蓋整個測量屏幕，并保證在視場中觀察到的測量屏幕的上部邊沿與矩形視場的上部邊沿平行，通過軟件的標定算法對攝像機進行標定；
101、102和103是測量屏幕的三塊幕墻，每個幕墻對應一個坐標系，分別是O1(x1，y1，z1)、O2(x2，y2，z2)和O3(x3，y3，z3)，待測伺服機構的坐標系Os(xs，ys，zs)的原點在101和102角平分面，并且xs軸和zs在角平分面上，zs和y1，y2軸平行，待測伺服機構繞zs軸轉角稱為方位角，繞ys軸轉角稱為俯仰角，繞xs軸轉角稱為滾轉角；Oi(xi，yi)是圖像坐標系；
標定的方法如下在圖像中提取101、102和103中棋盤格中的角點坐標，采用張正友提出的標定算法(Z.Zhang.A Flexible New Technique for CameraCalibration.IEEE Trans.on Pattern Analysis and Machine Intelligence，22(11)1330-1334，2000.)，根據角點的圖像坐標和屏幕坐標，對攝像機進行標定，從而確定了圖像坐標系Os(xs，ys，zs)和屏幕坐標系O1(x1，y1，z1)、O2(x2，y2，z2)和O3(x3，y3，z3)的轉換關系；
(2)光源標定
每次測量開始前，將待測伺服機構復位到零點初始位置，圖像測量軟件自動提取圖像中的光點，并獲取光點的零點初始位置；
(3)亮度標定
經過分析采集到的圖像數據，調整快門速度至測量要求范圍內，去除掉絕大部分背景，只保留高亮度的光點；
(4)實時測量
通過伺服機構控制主機發送指令，使待測伺服機構轉動，同時通過命令輸入系統控制測量系統開始工作；計算機實時采集攝像機的圖像，經過圖像增強后，分割識別光點，并計算光點在圖像中的亞像素坐標；由光點的圖像坐標重建出其三維坐標，計算對應的光軸矢量，最后換算為待測伺服機構的轉角，并實時輸出顯示；
光點坐標的三維重建方法如下
設圖像坐標(u，v)T，對應屏幕坐標(X，Y，Z)T，成像系統如下所示
其中S是比例因子，是攝像機內參數矩陣，是旋轉矩陣，是偏移向量，R和t統稱為攝像機外參數；
因為測量屏幕是平面，所以其中Z≡0，所以方程有唯一解，由(u，v)T解出(X，Y，0)T，線性計算方法如式(2)和(3)所示，
其中是攝像機坐標系中的坐標，這是在假定系統是線性情況下的計算，考慮成像中的畸變，更為精確的計算方法是
其中
式(4)中的
和
是畸變修正后的坐標，k1和k2是徑向畸變系數，p1和p2是切向畸變系數，通過攝像機標定已經獲得，由方程解出
和
代人(5)式，得到最終解；在實際研制過程中，從開始的線性計算模型到后來的非線性模型，屏幕坐標定位誤差從10mm降低到1mm左右，提高了一個數量級；
設由屏幕坐標系到待測伺服機構坐標系的旋轉矩陣為Rs，偏移向量為ts，光點在屏幕坐標系下的坐標為(X，Y，0)T，在待測伺服機構坐標系下的坐標為(Xs，Ys，Zs)T，則光點在屏幕坐標系OXYZ的坐標與光點在待測伺服機構坐標系OsXsYsZs的坐標之間的轉換關系由(6)式給出
由此可以計算出光點在待測伺服坐標系OsXsYsZs下的坐標(Xs，Ys，Zs)T，則待測伺服機構的轉動角度可以由式(7)、(8)計算；其中，待測伺服機構的方位角為
待測伺服機構的俯仰角為
(5)后續處理
實時測量結束后，軟件自動分析記錄的光點軌跡數據，按照運動方式劃分不同階段，如靜態指向狀態、過渡運動階段、超調階段，計算各種階段下的運動參數，最終輸出待測伺服機構的指向精度、轉動角速度、轉動角加速度、轉角范圍、超調量、過渡過程時間等參量；對照設定的檢驗指標，判斷待測伺服機構是否達到要求；
(6)數據管理
測試結束后，在數據庫中記錄每次測量計算結果，可以隨時查詢、統計，并且能夠根據記錄的光點軌跡坐標重現測量過程，便于檢驗人員和設計人員分析數據，查找技術故障。
全文摘要
一種主動視覺非接觸式伺服機構參數測量裝置，它由測量屏幕、伺服機構安裝平臺、圖像采集和處理系統、紅光激光光源構成；在待測伺服機構上裝有紅光激光光源，它置于伺服機構安裝平臺上并安放在測量屏幕前，在它后方放置有數字攝像機對屏幕成像；該裝置首先通過攝像機拍攝測量屏幕上的棋盤格圖案，對攝像機標定；然后由伺服機構控制主機發出命令控制待測伺服機構轉動，計算機提取圖像中激光點坐標，結合攝像機標定的結果，實時計算并記錄待測伺服機構在每個時刻的轉角，由轉角計算出角速度、指向精度、超調量等待測伺服機構的運動參數；該測量方法簡便、靈活，該裝置和測量方法通過無接觸的方式，實現了對二軸伺服機構的運動參數的實時高精度測量。
文檔編號G01D21/02GK101424551SQ200810227800
公開日2009年5月6日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者弘 張, 賈瑞明, 璐 李, 瀅 穆, 磊 王, 李岳成, 白以成, 奎 張, 易 周 申請人:北京航空航天大學