专利名称：：基于点阵的高精度视觉测角装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及可以测量微小角度，也可以测量大角度，且对旋转部件的中心跳动等不敏感的高精度角度测量装置。
背景技术：
：目前，角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，发展较为完备，各种测量手段的综合运用使测量准确度达到了很高的水平。角度测量技术可以分为静态测量和动态测量两种。对于静态测量技术来说，目前的主要任务集中在如何提高测量精度和测量分辨力上。随着工业的发展，对回转量的测量要求也越来越多，因此人们在静态测角的基础上，对旋转物体的转角测量问题进行了大量的研究，产生了许多新的测角方法。测角技术中研究最早的是机械式和电磁式测角技术，如多齿分度台和圆磁栅等，这些方法的主要缺点大多为手工测量，不容易实现自动化，测量精度受到限制。光学测角方法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视，尤其是稳定的激光光源的发展使工业现场测量成为可能，因此使光学测角法的应用越来越广泛，各种新的光学测角方法也应运而生。目前，光学测角法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码器法、衍射法、自准直法、光纤法、声光调制法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法、平行干涉图法及环形激光法等。这些方法中的很多方法在小角度的精密测量中己经得到了成功的应用，并得到了较高的测量精度和测量灵敏度，通过适当的改进还可对360度整周角度进行测量。近几年发展起来的小角度测量方法和可用于整周角测量的方法。目前发展较快的几种角度测量的光学方法-一-圆光栅测角法、光学内反射小角度测量法、激光干涉测角法、环形激光测角法和基于直线的视觉测角方法。与本发明最接近的测量方法是基于直线的视觉测角方法在2005年第4期光学学报上的发表文章《基于数字图像的高精度面内转角测量方法》中，国防科技大学的李立春和于起峰采用视觉方法检测面内转角，提出了一种用直线做特征标志的基于图像的测量方法，该方法要求直线方向避开与采样方向成0。和45。角的方向，另外在较大的转角范围内精密测量角度时镜头的畸变误差是进一步要考虑的问题。由于该方法没有对视觉测量装置的误差进行校正，因此当在大转角的情况下，该方法难以保证测角的精度。
发明内容为了解决现有角度测量装置存在的问题，消除在较大的转角范围内精密测量角度时镜头的畸变误差，降低制造成本，本发明提供一种新型的基于点阵的高精度视觉测角装置。具体结构设计方案如下基于点阵的高精度视觉测角装置包括机架，所述机架工作台上一侧设有驱动部件，驱动部件的输出端连接着旋转部件，旋转部件的另一端连接着被测旋转盘，被测旋转盘外侧面上通过定位轴同轴设有标准靶；在工作台上另一侧设有CCD摄像机，所述CCD摄像机的成像镜头与标准靶同轴对应；所述标准靶包括玻璃镜遮光板，玻璃镜遮光板嵌设在方框状固定板内侧，被压板固定，且通过垫板设于托板上，玻璃镜遮光板、垫板和托板之间的空腔内设有LED光源板；所述玻璃镜遮光板上横竖均布排列有透光孔，且横竖排列的透光孔在横竖两个方向正交。所述玻璃镜遮光板面积为140X140毫米，所述玻璃镜遮光板上透光孔的位置精度达到0.5微米。所述透光孔的孔径为小0.3毫米，采用光刻技术加工，孔径误差为0.5微米；相邻透光孔的距离为5毫米。所述标准靶与成像镜头之间的距离为0.75-20米。所述驱动部件是步进电机或伺服电机，分度精度高。本发明的具体操作方法如下Cl)标准靶点阵图像的获取通过成像镜头，标准靶的发光点在CCD摄像机的像面上成像，得到的标准靶光点阵列图像，由CCD摄像机得到标准耙光点阵列的灰度图像，通过特征点检测算法，得到29x29个光点的像面坐标。(2)CCD视觉测量装置的校准由于CCD摄像机的光学成像系统畸变，标准靶的点阵列在CCD像面上的位置有一定的畸变误差，如果直接利用点阵列的像面坐标进行角度测量，难以实现高精度的角度测量。为此，在角度测量之前，需要先对CCD摄像机进行畸变实时校准。可以通过CCD摄像机标定的方法，建立CCD摄像机畸变的数学模型，利用该数学模型对CCD摄像机进行标定，从而提高测量系统的检测精度。在角度测量之前，旋转部件在某一个初始位置时，直接建立物面坐标系UOV，此时，利用CCD摄像机获取标准耙的像面图像，利用这841个坐标已知标准点的物面坐标，直接建立物面坐标系UOV与像面坐标系XOY的映射关系。对于标准靶上的任意一个点，物面坐标(w，v)可以用像面坐标(x,力表示为公式(1)、(2):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>则对于视场内的841个标准点的物面坐标和像面坐标，都可以列出841组这样的方程，然后用非线性最小二乘方法求解出方程参数(s。，s,，…，aM，6。，&，…，6")。这样，可以建立物面和像面之间的映射关系。这里，采用4次方程拟合的方法，得到从XOY像面坐标系转换到UOV物面坐标系的转换方程中的各个参数，这些参数中已经包含了镜头几何畸变、像面与成像光学系统不垂直等误差的影响。(3)标准靶点阵坐标的测量当CCD视觉测量装置在初始位置完成摄像机的标定后，得到标定方程参数(a。，s,，…，a"，&，&，…，Z7")，就可以进行标准耙点阵列物面坐标的计算。当旋转部件从初始位置I旋转到工作位置II时，由摄像机获取旋转部件上标准靶点阵列的像面图像。在位置I，摄像机得到标准耙上点的像面坐标为Uu，凡)(fl，2，...，841)。在位置II，摄像机得到标准革巴上点的像面坐标为(a,，/2,)G'二l，2,...，841)。位置I、II处的标准耙上点的像面坐标得到后，通过标定方程的校准后，分别得到位置I、n处的标准点的物面坐标(〃"，k丄"，(j'二1,2，…，841)。(4)旋转角度的计算将初始位置标准靶点阵(""，(^1，2，...，841)和待测角度位置标准靶的点阵坐标d，&)0'=1，2，...，841)带入角度测量方程组(3)、(4)，通过非线性最小二乘法计算，可以计算标准靶旋转的角度a。其中j'二l，2，…，841。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(4)其中，("。，为标准靶在初始位置I时的中心点坐标，("2,，为标准靶在待测角度位置II时的中心点坐标。采用本发明装置进行角度测量与现有的测量技术相比较，可以实现非接触角度测量，测量误差小于2角秒，测量范围0°360°，实时控制，实现测量系统实时自标定，修正镜头几何畸变、像面与成像光学系统不垂直等误差的影响，对环境要求不严格，具有广阔的应用前景，在工业上、军事上有潜在的应用价值。同时本发明对测点的误差不敏感，对旋转中心跳动不敏感，对长时间温度变化不敏感。图l为本发明结构示意图，图2为图1中局部放大图，图3为标准靶结构剖视图，图4为标准耙耙面结构图，图5为标准靶旋转角测量示意图。附图标记驱动部件l，旋转部件2，被测旋转盘3，定位轴4，标准靶5，成像镜头6，CCD摄像机7，机架8，垫板9，托板10，固定板ll，玻璃镜遮光板12，LED光源板13，压板14，透光孔13。具体实施例方式下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。实施例1:参见图1和图2，基于点阵的高精度视觉测角装置包括机架8，机架8的工作台上一侧设有驱动部件l，驱动部件l是步进电机或伺服电机，分度精度高；驱动部件1的输出端连接着旋转部件2，旋转部件2的另一端连接着被测旋转盘3，被测旋转盘3外侧面上通过定位轴4同轴安装有标准靶5;在工作台上另一侧通过支架安装有CCD摄像机7，CCD摄像机7的成像镜头6与标准耙5同轴对应；标准靶5包括玻璃镜遮光板12，玻璃镜遮光板12嵌设在方框状固定板ll内侧，被压板固定14，方框状固定板11通过垫板9安装于托板10上，玻璃镜遮光板12、垫板9和托板10之间的空腔内安装有LED光源板13，见图3和图4;玻璃镜遮光板12面积为140X140毫米，玻璃镜遮光板12上横竖均布排列有透光孔15，透光孔的孔径为巾0.3毫米，采用光刻技术加工，孔径误差为0.5微米，且横竖排列的透光孔13在横竖两个方向正交，相邻透光孔的距离为5毫米，玻璃镜遮光板上透光孔的位置精度达到0.5微米。标准靶与成像镜头之间的距离为0.75-20米。在用于小角度测量时，见图5，测量范围在0°1°，测量精度为2角秒，如在测量纳米微动旋转平台时，首先把标准靶5连接在被测旋转盘3的定位轴4上，然后通过成像镜头，得到标准靶光点阵列图像，通过特征点检测算法，得到29x29个光点的像面坐标(力y)，通过物面坐标(仏r)的公式(1)、(2):7w="o+a；c+a2iy+a3x+a4>y+a5<xy+"6;c+"7少+o8>x少+^9xy(，)+"10x4+"UJ^4+a12J(y3+"13义3少+"14:￡:2少2v=Z0十Z)jX+62少+Z3X2+64少2+65义^+66乂3+67少3十68x27十69X少2+6I0X4十Z^少4+6121少3+、3义3少+64JC2j;2用非线性最小二乘方法求解出方程参数("。，"/，...，"/￥，6。，6/，...，6"):<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>从而修正镜头几何畸变、像面与成像光学系统不垂直等误差的影响。再分别得到位置1、位置2标准靶上点的像面坐标为(Xh.，;^)、fe，》,.)(/=1，2,...,841)，通过标定方程的校准后，分别得到位置1、2处的标准点的物面坐标Ou,vh)、(w2,.，v2!)(/=l，2,.."841)。将(uli,vli)、(u2i，v2i)(i=l,2，...,841)标准靶的点阵坐标带入角度测量方程组(3)、(4):〃2厂〃2f("厂〃1。)xcos(3T(Ki,'i。)xsina(3)p^.—K2cF(〃u.—"0)xsino+(^厂n》xcosa(4)通过非线性最小二乘法计算，可以计算标准靶旋转的角度a=20.12564934254602角秒，角度误差1.12564934254602角秒。实施例2:标准靶与成像镜头之间的距离为0.75-20米。其它同实施例1。在用于大角度测量时，测量范围在0。360°，测量精度为2角秒，如通过在测量天文望远镜旋转平台时，首先把标准靶5连接在被测旋转盘3的定位轴4上，然后通过成像镜头，得到标准耙光点阵列图像，通过特征点检测算法，得到29x29个光点的像面坐标Or,y)，通过物面坐标("，r)的公式(1)、(2):<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>12-0.008599867879860.0015656106986813-0.00383179418120-0.00472708288195140.00516185891277-0.00971628877456从而修正镜头几何畸变、像面与成像光学系统不垂直等误差的影响。再分别得到位置I、位置II标准靶上点的像面坐标为(:^,力0、(/=1,2，...,841)，通过标定方程的校准后，分别得到位置I、II处的标准点的物面坐标(W,，v!,)、(的,,v2,)(/=l，2,...，841)。将(uli,vli)、(u2i,v2i)(i=l，2，...，841)标准靶的点阵坐标带入角度测量方程组(3)、(4):〃2厂〃2f("i厂"。)xcosor(k厂klft)xsinor(3)K厂xsincr1"(n厂Kw)xcosa(4)通过非线性最小二乘法计算，可以计算标准靶旋转的角度oc=45.88392585414675度，角度误差1.13308204312943角秒。权利要求1、基于点阵的高精度视觉测角装置，其特征在于包括机架，所述机架工作台上一侧设有驱动部件，驱动部件的输出端连接着旋转部件，旋转部件的另一端连接着被测旋转盘，被测旋转盘外侧面上通过定位轴同轴设有标准靶；在工作台上另一侧设有CCD摄像机，所述CCD摄像机的成像镜头与标准靶同轴对应；所述标准靶包括玻璃镜遮光板，玻璃镜遮光板嵌设在方框状固定板内侧，被压板固定，且通过垫板设于托板上，玻璃镜遮光板、垫板和托板之间的空腔内设有LED光源板；所述玻璃镜遮光板上横竖均布排列有透光孔，且横竖排列的透光孔在横竖两个方向正交。2、根据权利要求l所述的基于点阵的高精度视觉测角装置，其特征在于所述玻璃镜遮光板面积为140X140毫米，所述玻璃镜遮光板上透光孔的位置精度达到0.5微米。3、根据权利要求l所述的基于点阵的高精度视觉测角装置，其特征在于所述透光孔的孔径为小0.3毫米，孔径误差为0.5微米；相邻透光孔的距离为5毫米。4、根据权利要求1所述的基于点阵的高精度视觉测角装置，其特征在于所述标准靶与成像镜头之间的距离为0.75-20米。5、根据权利要求1所述的基于点阵的高精度视觉测角装置，其特征在于所述驱动部件是步进电机或伺服电机。全文摘要本发明涉及既可测量微小角度，也可测量大角度，且对旋转部件的中心跳动等不敏感的基于点阵的高精度视觉测角装置。本发明的机架工作台上一侧设有驱动部件，其输出端连接着旋转部件；旋转部件的另一端连接着被测旋转盘，被测旋转盘外侧面上通过定位轴同轴设有标准靶；在工作台上另一侧设有CCD摄像机，所述CCD摄像机的成像镜头与标准靶同轴对应；所述标准靶包括玻璃镜遮光板、方框状固定板和托板，玻璃镜遮光板、垫板和托板之间的空腔内设有LED光源板；玻璃镜遮光板上横竖均布排列有透光孔。本发明装置可以实现非接触角度测量，测量误差小于2角秒，测量范围0°～360°，实时控制，且本发明对测点的误差、对旋转中心跳动、对长时间温度变化不敏感。文档编号G01B11/26GK101430196SQ200810244380公开日2009年5月13日申请日期2008年11月28日优先权日2008年11月28日发明者李为民,李晓峰申请人:中国科学技术大学