专利名称：一种物体旋转角度测量系统及测量方法
技术领域：
本发明涉及物体旋转角度的测量技术，具体是指一种物体旋转角度测量系统及测
量方法。
背景技术：
目前，测量旋转角度一般使用编码器、旋转变压器和感应同步器等。在工程测量领域，旋转角度的测量一般采用旋转编码器，工作时将旋转编码器通过螺钉连接在被测物体上即可，这种测量方法具有稳定可靠、精度高、反馈及时等特点。但是当被测物体结构特殊，无法提供安装定位的基准时，将无法使用旋转编码器进行测量。并且由于旋转编码器集成度比较高，是一种精密仪器；对接收信号的控制器要求也比较高，导致旋转编码器安装、维修比较困难，需要专业技术人员参与才能完成，提高了其使用成本。另外，在某些对旋转角度测量的精度要求不高的场合，也无必要使用旋转编码器。
发明内容
本发明的目的是设计一种物体旋转角度测量系统及测量方法，具有操作简单、通用性强、能实时显示测量值、360°全覆盖测量等特点。本发明的技术方案:本发明的一种物体旋转角度测量系统包括角度基准仪器、旋转角度测量仪和角度信息处理装置，角度基准仪器包括可调节底座和置于可调节底座上的平行光管，平行光管带自准直功能，能发出平行光形式的亮线十字丝；旋转角度测量仪包括可调节测量平台和可见光数码相机；角度信息处理装置为计算机，计算机包含数据采集模块、图像处理模块和图像显示模块。所述的平行光管的焦距为200mm，视场角10°。所述的可调节底座选用北京光学仪器厂MGC105型精密角位台、PRS105型精密旋转台和VS104型精密升降台组合而成。所述的可见光数码相机的像元数为1004X1004，视场角为5°，可见光数码相机输出的视频信号为camera link LVDS差分信号。所述的可调节测量平台选用北京光学仪器厂MGC105型精密角位台、PRS105型精密旋转台、VS104型精密升降台和一块平板台面组合而成。所述的角度信息处理装置以计算机为载体，包含数据采集模块、图像处理模块和图像显示模块，数据采集模块可采集可见光相机输出的camera link视频信号；图像处理模块对采集的图像数据进行处理，计算图像中十字丝的倾斜及变化角度。本发明的一种物体旋转角度测量方法，其步骤是:I)将可见光相机安装在被测物体上，然后将被测物体放置在可调节测量平台上，可见光相机的光轴与被测物体的旋转轴平行，并且保证可见光相机随被测物体旋转时始终处于置于其前端的角度基准仪器的视场内；2)调整可调节测量平台的高度以及俯仰、偏摆角，使被测物体的旋转轴对准角度基准仪器的中心轴；3)将可见光相机连接到角度信息处理系统，打开可见光相机，摄取初始角度图像，并由角度信息处理系统进行接收、处理，得到初始状态下的十字丝倾斜角度α ；4)转动被测物体，可见光相机摄取旋转后角度图像，并由角度信息处理系统进行接收、处理，得到旋转后的十字丝倾斜角度β ;5)通过角度信息处理系统计算前后两次得到的倾斜角之差，得到测物体所旋转的角度数值。所述的步骤3)和4)角度信息处理系统对采集的图像进行图像处理方法是:根据各个像素灰度值的不同，区分出组成十字丝的像素和组成背景的像素，首先采用全局阈值选取方法大津法对获取的十字丝图像进行二值化处理，将图像分割为白色的前景十字丝和黑色的背景，然后利用HOUGH变换进行直线检测，得到十字丝的粗略定位，最后使用最小二乘法对粗略定位的十字丝的两条垂直边进行直线拟合。本发明的优点:本发明所采用的图像处理方法和角度值计算方法，实现了被测物体实时旋转角度的自动测量，避免了人为读数误差。本发明输出的角度测量值为实时数据，并且可见光相机与被测物体之间的安装精度对角度测量误差的影响很小，方便操作。总之，本发明的旋转角测量系统及测量方法具有操作简单、通用性强、能实时显示测量值、360°全覆盖测量等特点。
图1为本发明测量系统示意图；图2为本发明图像处理的流程图；图3为本发明图像处理的原始示例图；图4为图3的中心区域放大效果图；图5为图3 二值化处理后的效果图；图6为图3经过图像处理后的最终结果图；图7为本发明被测物体旋转后的图像处理结果示意图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述:图1为本发明的测量系统示意图。本发明的一种物体旋转角度测量系统包括角度基准仪器1、旋转角度测量仪2和角度信息处理装置3，其角度基准仪器I包括可调节底座Ia和置于可调节底座Ia上的平行光管lb，平行光管Ib带自准直功能，能发出平行光形式的亮线十字丝；旋转角度测量仪2包括可调节测量平台2a和可见光数码相机2b ;角度信息处理装置3为计算机，计算机包含数据采集模块、图像处理模块和图像显示模块。所述的平行光管Ib的焦距为200mm，视场角10°。所述的可调节底座Ia选用北京光学仪器厂MGC105型精密角位台、PRS105型精密旋转台和VS104型精密升降台组合而成。所述的可见光数码相机2b的像元数为1004X 1004，视场角为5°，可见光数码相机2b输出的视频信号为camera link LVDS差分信号。所述的可调节测量平台2a选用北京光学仪器厂MGC105型精密角位台、PRS105型精密旋转台、VS104型精密升降台和一块平板台面组合而成。可调节测量平台2a作为被测物体的载体，提供被测物体的升降、俯仰、方位方向的调节功能。所述的角度信息处理装置3以计算机为载体，包含数据采集模块、图像处理模块和图像显示模块，数据采集模块可采集可见光相机3输出的camera link视频信号；图像处理模块对采集的图像数据进行处理，计算图像中十字丝的倾斜及变化角度。系统置于工作平台4上，工作平台4采用大理石平台，大理石平台的精度为00级。大理石平台工作面的表面粗糙度Ra: (0.4 — 0.8) um，侧面的表面粗糙度Ra ( 6.3um。大理石平台上预留有若干螺纹孔。可调节底座Ia通过螺栓连接固定于工作平台4上。数据采集模块可采集可见光相机输出的camera link视频信号,具体是选用凌华科技有限公司的VP - CL62MP图像采集卡。本发明的物体旋转角度测量方法，其步骤是:I)将可见光相机安装在被测物体上，然后将被测物体放置在可调节测量平台上，可见光相机的光轴与被测物体的旋转轴平行，并且保证可见光相机随被测物体旋转时始终处于置于其前端的角度基准仪器的视场内；2)调整可调节测量平台的高度以及俯仰、偏摆角，使被测物体的旋转轴对准角度基准仪器的中心轴；3)将可见光相机连接到角度信息处理系统，打开可见光相机，摄取初始角度图像，并由角度信息处理系统进行接收、处理，得到初始状态下的十字丝倾斜角度α ；4)转动被测物体，可见光相机摄取旋转后角度图像，并由角度信息处理系统进行接收、处理，得到旋转后的十字丝倾斜角度β ;5)通过角度信息处理系统计算前后两次得到的倾斜角之差，得到测物体所旋转的角度数值。所述的步骤3)和4)角度信息处理系统对采集的图像进行图像处理方法是:根据各个像素灰度值的不同，区分出组成十字丝的像素和组成背景的像素，首先采用全局阈值选取方法大津法对获取的十字丝图像进行二值化处理，将图像分割为白色的前景十字丝和黑色的背景，然后利用HOUGH变换进行直线检测，得到十字丝的粗略定位，最后使用最小二乘法对粗略定位的十字丝的两条垂直边进行直线拟合。图3 图7是图像处理图:图像处理模块的主要功能是对采集的图像进行图像处理，计算图像中十字丝的倾斜角度以及旋转角度，其流程图见图2所示。图像处理的基本原理是根据各个像素灰度值的不同，区分出组成十字丝的像素和组成背景的像素，然后根据所有组成十字丝的像素位置分布计算得到十字丝的倾斜角度。采集的原始示例图像见图3所示，通过对其中心区域放大后可见(见图4所示)，组成十字丝的像素并非是一条边缘清晰的直线，十字丝边缘的像素灰度值介于十字丝中间像素和背景像素之间，而这将影响十字丝倾斜角度的计算精度，因此需要采用相关的图像处理手段，消除此影响，提高图像处理结果的精度。具体的图像处理方法是首先采用全局阈值选取方法大津法对获取的十字丝图像进行二值化处理，将图像分割为白色的前景十字丝和黑色的背景，见图5所示。然后利用HOUGH变换进行直线检测，得到十字丝的粗略定位。最后使用最小二乘法对粗略定位的十字丝的两条垂直边进行直线拟合，见图6所示，图中较细的黑色十字丝为直线拟合的结果，较粗的黑色十字丝为可见光相机3输出图像的分划理论中心，最终计算得到十字丝的倾角α ο同理，可以得到旋转后的十字丝倾斜角度β，见图7。同时图像处理模块还能对两次图像处理的结果进行差值计算，得到被测物体旋转的角度。显示模块将图像处理模块得到的结果以画面和数值的形式进行显示。
权利要求
1.一种物体旋转角度测量系统，包括角度基准仪器(I)、旋转角度测量仪(2)和角度信息处理装置(3)，其特征在于:角度基准仪器(I)包括可调节底座(Ia)和置于可调节底座(Ia)上的平行光管(lb)，平行光管(Ib)带自准直功能，能发出平行光形式的亮线十字丝；旋转角度测量仪(2)包括可调节测量平台(2a)和可见光数码相机(2b);角度信息处理装置(3)为计算机，计算机包含数据采集模块、图像处理模块和图像显示模块。
2.根据权利要求1所述的物体旋转角度测量系统，其特征在于:平行光管(Ib)的焦距为200mm，视场角10°。
3.根据权利要求1或2所述的物体旋转角度测量系统，其特征在于:所述的可调节底座(Ia)选用北京光学仪器厂MGC105型精密角位台、PRS105型精密旋转台和VS104型精密升降台组合而成。
4.根据权利要求1或2所述的物体旋转角度测量系统，其特征在于:可见光数码相机(2b)的像元数为1004X1004，视场角为5°，可见光数码相机(2b)输出的视频信号为camera link LVDS 差分信号。
5.根据权利要求1或2所述的物体旋转角度测量系统，其特征在于:可调节测量平台(2a)选用北京光学仪器厂MGC105型精密角位台、PRS105型精密旋转台、VS104型精密升降台和一块平板台面组合而成。
6.根据权利要求1或2所述的物体旋转角度测量系统，其特征在于:角度信息处理装置(3)以计算机为载体，包含数据采集模块、图像处理模块和图像显示模块，数据采集模块可采集可见光相机(3)输出的camera link视频信号；图像处理模块对采集的图像数据进行处理，计算图像中十字丝的倾斜及变化角度。
7.—种物体旋转角度测量方法，其步骤是: 1)将可见光相机安装在被测物体上，然后将被测物体放置在可调节测量平台上，可见光相机的光轴与被测物体的旋转轴平行，并且保证可见光相机随被测物体旋转时始终处于置于其前端的角度基准仪器的视场内； 2)调整可调节测量平台的高度以及俯仰、偏摆角，使被测物体的旋转轴对准角度基准仪器的中心轴； 3)将可见光相机连接到角度信息处理系统，打开可见光相机，摄取初始角度图像，并由角度信息处理系统进行接收、处理，得到初始状态下的十字丝倾斜角度α ; 4)转动被测物体，可见光相机摄取旋转后角度图像，并由角度信息处理系统进行接收、处理，得到旋转后的十字丝倾斜角度β ; 5)通过角度信息处理系统计算前后两次得到的倾斜角之差，得到测物体所旋转的角度数值。
8.根据权利要求7所述的物体旋转角度测量方法，其特征在于:步骤3)和4)角度信息处理系统对采集的图像进行图像处理方法是:根据各个像素灰度值的不同，区分出组成十字丝的像素和组成背景的像素，首先采用全局阈值选取方法大津法对获取的十字丝图像进行二值化处理，将图像分割为白色的前景十字丝和黑色的背景，然后利用HOUGH变换进行直线检测，得到十字丝的粗略定位，最后使用最小二乘法对粗略定位的十字丝的两条垂直边进行直线拟合。
全文摘要
本发明提供一种物体旋转角度测量系统及测量方法，系统包括角度基准仪器、旋转角度测量仪和角度信息处理装置，角度基准仪器包括可调节底座和置于可调节底座上的平行光管，平行光管能发出平行光形式的亮线十字丝；旋转角度测量仪包括可调节测量平台和可见光数码相机；角度信息处理装置的计算机包含数据采集模块、图像处理模块和图像显示模块。本发明的测量方法是将可见光相机安装在被测物体上，将被测物体放置在测量可调平台上，可见光相机摄取初始角度图像，由角度信息处理系统进行接收、处理，得到初始状态下的十字丝倾斜角度α；同理，得到旋转后的十字丝倾斜角度β；角度信息处理系统计算前后两次倾斜角之差，得到测物体所旋转的角度数值。
文档编号G01B11/26GK103206927SQ201310111088
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者周奂斌, 卢联杰, 陶林 申请人:湖北三江航天万峰科技发展有限公司