专利名称：光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法
技术领域：
本发明涉及一种光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法。
背景技术：
对于孔内螺旋导轨，目前通常采用机械接触式测量方法。即，测量传感器的前端为一触头，在弹簧力作用下始终同螺旋导轨某一侧接触，由驱动机构带动传感器沿待测孔的轴线方向移动，通过编码器分别获取传感器轴向移动的距离和触头的转动角度，通过所得到的多组数据，得到孔内螺旋导轨的方程，进而得到螺旋导轨的旋转角度。
但是这样一种测量方法，存在误差较大、测量受条件限制大的问题。
发明内容
针对现有测量方法存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种利用光学原理，以非接触的方式，准确且便利地测量孔内螺旋导轨旋转角度的方法，即，一种光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法。
本发明所提供的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，其包括以下步骤a、将激光发生器按与待测孔同轴的方式放入该待测孔内，并使之工作；b、利用与待测孔同轴配置的光拾取元件拾取图像，并制作模板；c、沿待测孔轴向，同时移动激光发生器和光拾取元件；d、再次拾取图像，并与上述模板对比，记录对比数据；e、进行一次以上的上述步骤c和d之后，通过所得到的上述数据，得到螺旋导轨的相关参数。
该光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，使用的是一种光学测量方法，而光学方法本身是一种以非接触方法。此外，由于本发明所使用的是建立模板后，与模板进行比较的方式来测量，因此，本方法还能够保证测量的准确与操作的便利性。
在技术方案1的基础上，本发明技术方案2的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法中，所述激光发生器是环形激光发生器。
采用一种环形激光发生器，不需要旋转就可以在待测孔的内壁上形成一环形光斑，因此，可以简化设备的结构和操作上的步骤，从而，提高了测量上的效率。
在技术方案1或2的基础上，本发明技术方案3的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法中，在所述激光发生器和所述光拾取元件之间还具有光反射构件，此时，在进行步骤c的移动动作时，使该光反射构件与激光发生器和光拾取元件同时移动。
设置这样的光反射构件，可缩短光束的从激光发生器到待测孔内壁之间的长度，从而，可进一步提升测量上能力。
在技术方案1的基础上，本发明技术方案4的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法中，在步骤b中，所创建的模板具有多个，且每个模板相对于所直接得到的原拾取到的图像具有不同的旋转角度，每两个相邻模板之间具有相同的旋转角度差，该旋转角度等于拾取到的图像上的曲线上2～5个象素对应的圆心角的角度值。
这样，对于不同的孔采用不同的角度值来制作模板，可提升测量的准确程度。
在技术方案1的基础上，本发明技术方案5的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法中，所述激光发生器和光拾取元件的移动是匀速运动，所述光拾取动作是以固定的频率进行的。
通过匀速运动激光发生器和光拾取元件，同时使所述光拾取动作以固定的频率进行，这样可以连续地取得数据，可以进一步提升测量的能力。
在技术方案5的基础上，本发明技术方案6的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法中，所述移动速度是1～5mm/s，所述频率是0.5～2Hz。
这样，可以进一步提高测量的能力。
在技术方案1的基础上，本发明技术方案7的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法中，所述d步骤中的对比方法为将上述模板分别与拾取到的图像相对比，并计算出模板同该拾取到的图像之间的相关系数，取相关系数最高的模板的旋转角度作为当前拾取图像相对起始检测拾取图像的旋转角度。
这样，通过计算相关系数来计算待测孔内螺旋导轨的旋转角度，可简化计算过程，可以进一步提高测量的效率，此外，还可以提高测量精度。
在技术方案1的基础上，本发明技术方案8的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法中，所述e步骤的处理包括根据每一次采样图像的旋转角度和轴向距离，采用最小二乘法拟合螺旋导轨方程，确定螺旋导轨方程后，再根据方程系数求出该螺旋导轨的相关参数值。
这样，可以提高测量的准确程度和效率。
在技术方案1的基础上，本发明技术方案9的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法中，在步骤d中，对每一次采样的图像设定环形有效区域，使该区域完全包含由激光形成的曲线，与上述模板之间的对比，仅在该环形区域内进行。
这样，可以提高测量的效率。
在技术方案1的基础上，本发明技术方案10的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法中，在步骤d中，对于所得到的图像与模板之间的对比，采用分层搜索策略，即，先在低分辨率图像上确定对比，确定大致的范围后，再在高分辨率图像上进行精确对比。
这样，可以提高测量的效率。
与现有技术相比，本发明的效果在于(1)采用结构光学方法，实现旋转角度非接触测量，避免传感器磨损和对孔壁造成划伤；(2)采用环形激光发生器照明方式，一次投射得到轮廓截面上一周完整数据，提高测量速度；(3)在起始检测位置直接创建大量不同旋转角度的模板，提高了实时检测过程中的匹配速度；(4)通过设定有效区域和建立分层搜索机制对搜索策略进行优化，可解决匹配速度较慢的问题；(5)采用最小二乘法拟合确定不同形式的螺旋导轨的方程，再根据方程系数求解相关参数值，降低了噪声对测量结果的影响，提高了测量精度。
图1是本发明所使用的光学测孔装置的工作原理图。
图2是内壁带有均匀分布的螺旋导轨的待测孔的截面模型及旋转角度测量原理示意图，其中(a)为起始检测位置的截面模型，(b)为任一与起始检测位置不同位置的截面模型。
图3是本发明采用的多级分层搜索策略示意图。
具体实施例方式 下面，结合附图对本发明的具体实施方式
进行说明。
图1是本发明所使用的光学测孔装置的工作原理图。图2是内壁带有均匀分布的螺旋导轨的待测孔的截面模型及旋转角度测量原理示意图，其中(a)为起始检测位置的截面模型，(b)为任一与起始检测位置不同位置的截面模型。图3是本发明采用的多级分层搜索策略示意图。
如图1所示，本发明所使用的光学测孔装置具有环形激光发生器1、光反射构件2、作为光拾取元件的CCD相机3以及用于安装这些构件的框架4。
将这样一种光学测孔装置与待测孔大致同轴地放入待测孔内，并使其工作。由此，可在待测孔的内表面上形成一条三维曲线。
如图2所示，本发明所要测量的孔具有多条具有特定旋转角度的导轨，从图上来看，上述导轨包括一系列槽和凸起，但并不限于此，该导轨也可以仅是槽或仅是凸起，当然，也可以是类似物。如果通过一同待测孔轴线垂直的平面横切孔，得到图2(a)所示的孔内表面截面轮廓，如图2(b)所示，如果用与上述平面处于不同的轴向位置的平面横切待测孔，则可以得到另一个与图2(a)中的图形相类似的截面轮廓。如图2(b)所示，这些截面轮廓形状与图2(a)中的截面的形状相同，仅与之存在一个旋转角度θ，该角度和两截面之间的轴向距离1及孔内螺旋导轨的旋转角度值α(以下简称为旋转角度值α)相关。
首先，将图2(a)作为起始检测位置处截面轮廓模型，并以该截面为参考创建多个模板，模板的建立过程如下利用CCD相机3拍摄由激光发生器1形成于待测孔内表面上的三维曲线，将其作为截面轮廓图像。通过图像处理，创建当前位置的多个轮廓模板，使每个模板均相对原截面轮廓图像具有不同的旋转角度，且每两个相邻模板之间的角度差相同，该旋转角度为截面轮廓图轮廓曲线上2～5个象素对应的圆心角的角度值，模板的数量和模板之间的相对旋转角度由截面轮廓曲线的象素值决定，通过程序计算得到，例如假设与图2(a)中的当前截面曲线相近似的圆的半径的象素值为500，则截面轮廓曲线上2～5个象素对应的角度为0.2～0.6度，即从0到360度，创建600～1800个模板，每两个相邻模板间的角度差也是0.2～0.6度。本实施方式中，通过在检测前创建大量模板，提高实时检测过程中的匹配速度。
采用伺服电机驱动光学测孔装置沿待测孔的轴线方向匀速前进，速度为1～5mm/s，驱动机装置用齿轮齿条机构，电机同齿轮之间降速比为10∶1，齿条传动精度为0.1％。同时，利用计算机触发同步信号，控制CCD相机3进行图像采样，同时利用位置编码器得到该CCD相机3相对于起始检测位置的轴向距离，采样频率为0.5～2Hz。
通过使用这样的光学测孔装置，分别在待测孔的沿轴向的不同位置分别获取截面轮廓图像，并将该截面轮廓图像与模板匹配，以确定不同轴向位置处相对起始检测位置截面轮廓的旋转角度θi(i＝1，2...，n，其中，n为沿轴向的采样点数)，各采样点处相对起始检测位置的轴向距离为1i(i＝1，2...，n)，该轴向距离可利用位置编码器测得。
接下来，计算每一次采样图像同先前所创建的模板间的相似性，计算方法为将采样得到的图像与模板逐个对比，计算每个模板同该采样图像之间的相关系数，取相关系数最高的模板的旋转角度为当前截面轮廓图像相对起始检测位置截面轮廓图像的旋转角度。模板同采样图像之间的相关系数计算方法为 上式中g为模板，M、N为模板大小，f为搜索图像，(i，j)为图像上第i行，第j列的象素坐标，(m，n)为模板在图像中的偏移量，使R取最大值的(m，n)即为模板在搜索图像中的位置。
然后通过一系列运算，求得螺旋导轨的相关参数值。
为了提高匹配速度，本实施方式中，采用如下两种方法进行搜索策略优化 (1)当截面轮廓曲线在图像中为一近似圆时，创建两个与该近似圆同心的圆，小圆半径比近似圆半径小10～20个象素，大圆半径比近似圆半径大10～20个象素，定义图像有效区域为大圆和小圆之间的环形区域，限定模板匹配仅在该有效区域内进行，缩小了搜索空间，提高了匹配速度； (2)可建立一种分层搜索机制，其包括两个步骤以当前图像上m×m个象素加权平均构成第二层图像上一个象素点，再以第二层图像上m×m个象素加权平均构成第三层图像上一个象素点，以此类推构成所需要的层数，对原大小为M×M的图像，第k层图像的大小为M/2k-1×M/2k-1；在最底层图像上，采用(8)式计算有效区域内模板同图像的最佳匹配位置，上一层图像上的匹配搜索范围为该位置的一个邻域，以此类推，直到最高一层图像，确定最佳匹配位置。
然后，根据每一次采样图像对应的旋转角度和轴向距离，采用最小二乘法拟合确定螺旋导轨的方程，并通过该拟合得到螺旋导轨的相关参数。
最小二乘法综合利用检测过程中的大部分数据，降低随机性误差对测量结果的影响，提高了测量精度。
此外，本实施方式中，使用CCD相机作为光学拾取构件，但并不限于此，也可以使用CMOS相机等光学拍摄装置，当然，只要是能够对在待测孔的内表面上形成的光斑进行拍摄即可。
此外，本发明使用的是环形激光发生器作为激光光源，但并不限于此，也可以是点激光光源，并通过一个旋转机构使之旋转，在待测孔的内表面形成一条三维曲线。
此外，在本实施方式的光学拾取装置中，在环形激光发生器和光拾取元件之间设置有光反射构件，但并不限于此，也可以使用扩散角度更大的激光发生器，此时，可将激光不经由光反射构件直接照射到待测孔的内壁上，这样，也可以得到与本实施方式相同的效果。
此外，在本实施方式中，使用步进电机，使得光学测孔装置沿轴向匀速移动，并以规定的频率，通过CCD相机进行采样，但并不限于此，也可以是采用其他的装置，每次使光学测孔装置沿待测孔的轴向移动一规定的距离，在移动完成后，利用CCD相机进行采样，在采样完成后，在再次移动一规定的距离后，再次利用CCD相机进行采样。通过反复进行这样的动作，可以达到与本实施方式所使用的采样方式相同的技术效果。但该采样方式并不限于上述两种方式，其也可以是其他的采样方式，只要能够达到与本发明相同的效果，即落入本发明所记载的范围之内。
权利要求
1.一种光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，其特征在于，包括以下步骤
a、将激光发生器按与待测孔同轴的方式放入该待测孔内，并使之工作；
b、利用与待测孔同轴配置的光拾取元件拾取图像，并制作模板；
c、沿待测孔轴向，同时移动激光发生器和光拾取元件；
d、再次拾取图像，并与上述模板对比，记录对比数据；
e、进行一次以上的上述步骤c和d之后，通过得到的上述数据，得到螺旋导轨的参数。
2.如权利要求1所述的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，其中，
所述激光发生器是环形激光发生器。
3.如权利要求1或2所述的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，其中，
在所述激光发生器和所述光拾取元件之间还具有光反射构件，此时，在进行步骤c的移动动作时，使该光反射构件与激光发生器和光拾取元件同时移动。
4.如权利要求1所述的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，其中，
在步骤b中，所创建的模板具有多个，且每个模板相对于所直接得到的原拾取到的图像具有不同的旋转角度，每两个相邻模板之间具有相同的旋转角度差，该旋转角度等于拾取到的图像上的曲线上2～5个象素对应的圆心角的角度值。
5.如权利要求1所述的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，其中，
所述激光发生器和光拾取元件的移动是匀速运动，所述光学拾取动作是以固定的频率进行的。
6.如权利要求5所述的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，其中，
所述移动速度是1～5mm/s，所述频率是0.5～2Hz。
7.如权利要求1所述的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，其中，
所述d步骤中的对比方法为将上述模板分别与拾取到的图像相对比，并计算出模板同该拾取到的图像之间的相关系数，取相关系数最高的模板的旋转角度作为当前拾取图像相对起始检测拾取图像的旋转角度。
8.如权利要求1所述的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，其中，
所述e步骤的处理包括根据每一次采样图像的旋转角度和轴向距离，采用最小二乘法拟合螺旋导轨方程，确定螺旋导轨方程后再根据方程系数求出该螺旋导轨的相关参数。
9.如权利要求1所述的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，其中，
在步骤d中，对每一次采样的图像设定环形有效区域，使该区域完全包含由激光形成的曲线，与上述模板之间的对比，仅在该环形区域内进行。
10.如权利要求1所述的光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，其中，
在步骤d中，对于所得到的图像与模板之间的对比，采用分层搜索策略，即，先在低分辨率图像上确定对比，确定大致的范围后，再在高分辨率图像上进行精确对比。
全文摘要
本发明提供一种光学测孔内螺旋导轨旋转角度的方法，该方法以非接触的方式，准确且便利地测量孔内螺旋导轨。该方法包括以下步骤a.将激光发生器按与待测孔同轴的方式放入该待测孔内，并使之工作；b.利用与待测孔同轴配置的光拾取元件拾取图像，并制作模板；c.沿待测孔轴向，同时移动激光发生器和光拾取元件；d.再次拾取图像，并与上述模板对比，记录对比数据；e.进行一次以上的上述步骤c和d之后，通过得到的上述数据，得到螺旋导轨的相关参数。
文档编号G01B11/26GK101109625SQ200710142860
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月1日 优先权日2007年8月1日
发明者徐春广, 肖定国, 冯忠伟, 朱文娟, 娟 郝, 周世圆 申请人:北京理工大学