专利名称：一种基于机器视觉平面摆动的摆心测试方法
技术领域：
本发明涉及摆动实时监测技木，具体是ー种基于机器视觉平面摆动的摆心测试方法。
背景技术：
精密摆动是实现喷气式飞行器推力向量控制ー种主要方法，为保证飞行器推力向量控制的精度，需要对精密摆动部件进行摆心测试，合格方能投入使用。以柔性喷管的核心部件柔性接头为例，摆心是柔性接头性能冷试中的ー项重要參数，它反映着柔性接头在冷试容压和摆角变化时实际摆心偏离理论摆心的规律。由于摆心偏离会对喷管摆动时的实际间隙、作动筒行程与摆角关系的变化及作动カ臂的变化等问题构成影响，柔性接头摆心轴向和径向偏离的实际规律又是总体设计、决策的重要依据，所以，对柔性接头摆心数据的准确测定就成了喷管测试中ー项重要内容。目前，广泛使用的摆心测试方法为位移传感器法，即在ー个平面内布置3个位移传感器同时对摆动体进行检测并通过数学模型得出柔性接头摆心状态，该方法测试设备复杂，数据采集量大，每一个位移传感器的安装测量误差都会对摆心测试数据产生较大的影响，数据处理和误差分析工作难度极大，稳定性差。随着视觉测量技术的不断发展，近年来，出现了ー种摆动喷管运动视觉測量系统， 该系统由红外相机、相机控制器、及布置在喷管上的红外反光球組成。该方法对使用环境要求高，使用的图像采集元件红外相机非常昂贵、且需要多个相机同步测量，使用起来非常不方便，没有体现视觉測量方法高效、适应性强、系统集成度高的优势，只适宜在实验室环境下使用，在エ业测试场合不具有推广性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于机器视觉的平面摆动摆心测试方法，减少测试过程中可能产生误差的环节，降低测试系统对机械基准精度的要求，简化系统重新安装后的初始化过程。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种基于机器视觉的平面摆动摆心测试方法，包括平面摆动摆心测试系统，平面摆动摆心测试系统包括摆动体、エ业相机，摆动体上固定有标志物，エ业相机对摆动体与标志物进行图像采集，エ业相机通过数据接ロ与软件系统进行数据传输，软件系统由图像处理模块、摆心计算模块、结构处理模块依次连接构成，其特征在干，利用所述平面摆动摆心测试系统进行摆心测试的方法为(1)把エ业相机安装在支架上，校准エ业相机的安装位置；(2)エ业相机对静止状态的摆动体与标志物的图像进行采集，基于静止图像对エ 业相机纵向与横向像素尺寸进行自动标定；(3)让被测摆动体开始摆动，エ业相机对摆动体与标志物图像进行连续采集，图像数据通过数据接口上传至系统软件的图像处理模块；
(4)图像处理模块通过图像处理算法得到标志物在测试系统坐标系的平面坐标， 并将平面坐标数据传输给摆心计算模块；(5)摆心计算模块依据数学模型计算得出摆心在测试系统中的坐标；(6)结果处理模块实时显示并记录摆心曲线。系统工作时将两个标志物定位在被测摆动体上，通过标志物静态图像完成视觉系统内部參数自动标定；标志物随摆动体摆动时，エ业相机对摆动体进行连续图像采样；图像数据通过数据接ロ传输给系统软件，图像处理模块通过图像处理算法获取标志物中心在测试系统坐标系的平面坐标；摆心计算模块依据数学模型计算得出两次图像采样区间的平均摆心来逼近摆动体运动过程中的瞬时摆心；结果处理模块对摆心曲线进行直观有效的显示与ル己录。本发明采用两个圆形标志物作为检测摆动体平面运动的基准，两标志物定位在摆动体中心线上，通过图像处理算法得到各标志物中心在测试系统坐标系的平面坐标，进而得出摆动体的运动状态。圆形标志物直径值为8_30mm，具体尺寸由摆动体摆动范围决定，开始测试前通过该值完成エ业像机単位像素和测试系统单位毫米之间关系自动标定。依据数学模型计算摆心在测试系统中坐标的过程为把标志物中心点A、B在时间 、和两次采样中的投影坐标Al、A2和Bi、B2的中垂线交点P定义为平均摆心，由于图像采集方式为连续采集，两次采集之间的间隔非常短，测试系统把该区间的平均摆心视作瞬时摆心的近似值。本发明-基于机器视觉平面摆动摆心测试方法，融合了机器视觉和精密测试技术的最新研究进展，相对于现有技木，本发明有以下有益的技术和经济效果1)通过单エ业相机采集数据即可完成摆心测试，减少了测试过程中可能产生误差的环节；2)检测方式为非接触式视觉测量，降低了测试系统对机械基准精度的要求；3)通过圆形标志物直径尺寸实现エ业相机系统自动标定，简化了系统重新安装后的初始化过程；4)本方法图像采集元件为普通エ业相机，对使用环境要求低，成本相对低廉。
图1是本发明一实施例平面摆动摆心测试系统的功能模块示意图；图2为本发明测试系统各坐标系的转换过程示意图；图3为本发明完成标志物识别的图像数据示意图；图4为本发明摆心计算原理示意图；其中1 图像采样操作；2 图像数据；3 获取标志物中心坐标；4 计算连续采样区间平均摆心，逼近瞬时摆心；5 摆心飘移曲线显示与记录；6 软件系统；7 摆动体。
具体实施例方式如图1所示，本发明ー实施例包括平面摆动摆心测试系统，平面摆动摆心测试系统包括摆动体、ェ业相机，摆动体上固定有标志物，ェ业相机对摆动体与标志物进行图像采集，エ业相机通过数据接ロ与软件系统进行数据传输，软件系统由图像处理模块、摆心计算模块、结构处理模块依次连接构成，标志物为直径为8mm-30m的圆，标志物具体尺寸由摆动体摆动范围決定，通过获取标志物在图像中所占的像素个数，即可完成相机纵向与横向像素尺寸自动标定，本实施例中用了两个圆形标志物，直径为8mm。完成以上步骤后测试系统就可以开始工作了。系统启动后，エ业相机开始对摆动体进行连续图像采集，エ业相机把采集到的图像数据实时传输给エ业相机上的系统软件。 系统软件通过图像处理操作得到各标志物中心在相机图像坐标系中的坐标值，并依据几何关系把该坐标值转化为测试系统坐标系的坐标值。最后，系统软件依据摆心计算几何模型计算得出摆心的状态，并实时的显示和存储摆心測量結果。经过处理的图像数据如图3所
7J\ ο系统从直接測量量到被测量需建立3个坐标系，分别为两相机的像素坐标系usv， 两相机的图像坐标系Xlolyl，测试系统坐标系zax。由像素坐标转化为图像坐标可由像素值与图像值间存在的正比关系获得，比例系数为相机标定获得的像素尺寸。而通过两图像坐标和绝对坐标间存在的几何约束关系，通过坐标变换可把图像坐标系中的坐标值分别转化为测试系统坐标系zax内的坐标值。系统坐标转换过程參见附图2。测试系统摆心计算原理參见附图4，设第i次图像采样，标志点A、B中心在平面内的位置为A1、B1 ；第i+1次图像采样，标志点A、B中心在平面内的位置为A2、B2。ClP和C2P 分别为线段Al A2和Bl B2的中垂线，由平面几何知识可知，交点P即第i次图像采样到第 i+1次图像采样的平均摆心。由于本方法中ェ业相机为连续采集模式第i次图像采样到第 i+Ι次图像采样的时间间隔非常短，该平均摆心非常接近瞬时摆心，测试系统把该区间的平均摆心视作瞬时摆心。
权利要求
1.一种基于机器视觉的平面摆动摆心测试方法，包括平面摆动摆心测试系统，平面摆动摆心测试系统包括摆动体、エ业相机，摆动体上固定有标志物，エ业相机对摆动体与标志物进行图像采集，エ业相机通过数据接ロ与软件系统进行数据传输，软件系统由图像处理模块、摆心计算模块、结构处理模块依次连接构成，其特征在干，利用所述平面摆动摆心测试系统进行摆心测试的方法为(1)把エ业相机安装在支架上，校准エ业相机的安装位置；(2)エ业相机对静止状态的摆动体与标志物的图像进行采集，基于静止图像对エ业相机纵向与横向像素尺寸进行自动标定；(3)让被测摆动体开始摆动，エ业相机对摆动体与标志物图像进行连续采集，图像数据通过数据接口上传至系统软件的图像处理模块；(4)图像处理模块通过图像处理算法得到标志物在测试系统坐标系的平面坐标，并将平面坐标数据传输给摆心计算模块；(5)摆心计算模块依据数学模型计算得出摆心在测试系统中的坐标；(6)结果处理模块实时显示并记录摆心曲线。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的平面摆动摆心测试方法，其特征在干，所述标志物为圆形，数量为两个以上。
3.根据权利要求1或2所述的基于机器视觉的平面摆动摆心测试方法，其特征在干，所述圆形标志物直径值为8mm-30mm。
4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的平面摆动摆心测试方法，其特征在干，所述摆动体为摆轴。
5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的平面摆动摆心测试方法，其特征在干，所述步骤( 中，依据数学模型计算摆心在测试系统中坐标的过程为把标志物中心点A、B在时间、和两次采样中的投影坐标A1、A2和B1、B2的中垂线交点P定义为平均摆心，测试系统把两次采集之间的间隔区间的平均摆心视作瞬时摆心的近似值。
全文摘要
本发明公开了一种基于机器视觉平面摆动的摆心测试方法，将两个标志物定位在被测摆动体上，通过标志物静态图像完成视觉系统内部参数自动标定；标志物随摆动体摆动时，工业相机对摆动体进行连续图像采样；图像数据通过数据接口传输给系统软件，系统软件图像处理模块通过图像处理算法获取标志物中心在测试系统坐标系的平面坐标；摆心计算模块依据数学模型计算得出两次图像采样区间的平均摆心来逼近摆动体运动过程中的瞬时摆心；结果处理模块对摆心曲线进行直观有效的显示与记录，本发明通过一个工业相机的非接触测量即可实现平面内摆心测试，数据处理和误差分析简便，可靠性高，实用性强。
文档编号G01B11/00GK102538671SQ20111038218
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者文跃兵, 王宪, 谭建平 申请人:中南大学