专利名称：位置测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种位置测量装置及测量方法，尤其涉及一种测量在一平面上运动的物体的 空间位置的测量装置及测量方法。
背景技术：
现有技术中， 一种用于检测在一平面上运动的待测物体的位置的测量装置，包括一悬置 于该待测物体上方以撷取该待测物体的图像的图像撷取装置、 一用于处理该图像并计算出该 待测物体的空间位置的处理器及一连接该图像撷取装置和该处理器用于将该图像传输至该处 理器的一图像坐标系中的传输线，该图像撷取装置的镜头所在平面与该待测物体所在的平面 相互平行。该位置测量装置使用样板比对算法(Template Matching)来识别该待测物体并 计算该待测物体在该图像坐标系中的位置，即以该待测物体的图像制作样板图像，使用该样 板图像从该图像坐标系的原点出发在该图像坐标系中搜寻出与该样板图像相同或者最为相似 的一个区域，该区域即为该物体在该图像坐标系中的位置，相应地可换算出该待测物体在其 运动的平面上的位置。由于该待测物体可能具有各种形状，如果该待测物体发生转动，那么 该位置测量装置在使用样板比对算法前需先将该图像坐标系经过其他辅助算法进行前处理， 确定该待测物体的旋转角度，以使该即时图像中的该待测物体与样板图像中的该待测物体的 摆放角度相同，才能计算该待测物体在该图像坐标系中的位置。这样，使得该位置测量装置 的计算过程变得复杂且耗时并浪费计算机资源。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种可测量在一平面上运动的各种待测物体的位置和旋转角 度的位置测量装置。
一种位置测量装置，用于检测在一平面上运动的待测物体的位置和旋转角度，其包括一 悬置于该待测物体上方以撷取该待测物体的图像的图像撷取装置、 一用于处理该图像并计算 出该待测物体的位置和旋转角度的处理器及一连接该图像撷取装置和该处理器用于将该图像 传输至该处理器的一图像坐标系中的传输线，该图像撷取装置的镜头所在平面与该待测物体 所在的平面相互平行，该位置测量装置还包括一装设于该待测物体上的光源模组，该光源模 组上设有第一透明窗及第二透明窗，该图像撷取装置即时撷取该光源模组的图像，该处理器 中相应的以该第一透明窗和该第二透明窗的图像作为样板图像，并通过样板比对算法计算出
4该待测物体在该平面上的即时位置和旋转角度，该第一透明窗及该第二透明窗二者的形状或 尺寸满足该光源模组发生旋转后能通过样板比对算法确定该光源模组的第一透明窗和第二透 明窗在该图像坐标系中的位置变化。
一种利用该位置测量装置进行位置测量的方法，包括以下步骤将待测物体放置于一平 面上确定的一初始位置；图像撷取装置撷取该待测物体的初始图像；通过样板比对算法获得 光源模组的第一透明窗和第二透明窗的中心在处理器的图像坐标系中的初始坐标；该图像撷 取装置撷取该待测物体移动或旋转后的即时图像；通过样板比对算法获得该光源模组的第一 透明窗和第二透明窗的中心在该图像坐标系中的即时坐标；计算该待测物体在该图像坐标系 中的即时位置和旋转角度；计算该待测物体在该平面上的即时位置和旋转角度。
相较于现有技术，该位置测量装置可直接通过样板比对算法来作为图像识别算法完成在 一平面上运动的各种形状的待测物体的位置测量以及旋转角度测量。
下面结合附图及较佳实施方式对本发明作进一步的详细描述。 图l是本发明位置测 图2是本发明位置测 图3是本发明位置测 图4是本发明位置测 图5是本发明位置测
图6是本发明位置测
图7是本发明位置测
具体实施例方式
请参考图l，本发明位置测量装置的较佳实施方式，用于检测在一X-Y平面上运动的一待 测物体50的位置和旋转角度，其包括一图像撷取装置IO、 一传输线20、 一处理器30及一光源 模组40。
请参考图2及3，该光源模组40呈立方体，其包括一一端开口的容置体41、 一光源42以及 一顶板43。该顶板43上设有一圆形透明窗431和一圆环形透明窗432。该光源42收容于该容置 体41内，该顶板43装设于该容置体41的开口。该光源模组40或该容置体41的长、宽分别为 SL(mm)禾口Sw(mm)。
量装置的较佳实施方式的示意图。
量装置的较佳实施方式的光源模组的立体分解图。
量装置的较佳实施方式的光源模组的立体组合图。
量装置的较佳实施方式的样板图像。
量装置的较佳实施方式的图像撷取装置撷取的待测物体的初始图像
量装置的较佳实施方式的图像撷取装置撷取的待测物体的即时图像
量方法的较佳实施方式的流程图。本实施方式中，该图像撷取装置10为一数码相机，该处理器30为一计算机。该光源42为 一红外线光源。
请参考图1至3，该光源模组40装设于该待测物体50上，其顶板43朝上且平行于该X-Y平 面。该图像撷取装置10悬挂设置于该光源模组40和该待测物体50上方。该图像撷取装置10的 镜头所在的平面与该X-Y平面平行。该图像撷取装置10撷取该光源模组40的顶板43的图像后 通过该传输线20传输至该处理器30所定义的一图像坐标系xoy中。
请参考图4，该处理器30以与该光源模组40的圆形透明窗431和圆环形透明窗432分别对 应的一圆形61及一环形62作为一样板图像60。
请同时参考图5至7，测量前，先在该X-Y平面确定该待测物体50特定的一初始位置，该 图像撷取装置10撷取该光源模组40的初始图像，该光源模组40在该图像坐标系xoy中的长、 宽分别为TL (像素)和Tw (像素)。该处理器30进行样板比对算法，利用该样板图像60的圆 形61和环形62在该图像坐标系xoy中进行搜寻，获得该光源模组40的圆形透明窗431的圆心 C工和圆环形透明窗432的圆心C2的初始坐标分别为(XK)，yK))和(x加，y20)。
在该图像坐标系xoy中，该圆形透明窗431和该圆环形透明窗432的圆心d、 C2连线的中 点Co的初始坐标为
工IO + ^20 J^10 +少20
(1)
将该中点Co设为该光源模组40在该图像坐标系xoy中的初始位置，以该X-Y平面上对应该 中点Co的点作为坐标原点定义一物体坐标系XOY，且该物体坐标系XOY的X轴和Y轴分别平行于 该图像坐标系xoy的x轴和y轴。
该圆环形透明窗432的圆心d到该圆形透明窗431的圆心C2的初始向量为 =-^2。乂()71。 _^2。))
(2)
当该待测物体50在该X-Y平面移动或者旋转后需进行空间位置测量时，该图像撷取装置 IO撷取其即时图像(如图6所示)，该处理器30进行样板比对算法，利用该样板图像60的圆 形61和环形62在该图像坐标系xoy中的该即时图像上进行搜寻，获得该光源模组40的圆形透 明窗431和圆环形透明窗432在该图像坐标系xoy中的圆心d' 、 C2'的即时坐标分别为 (xii，yii)和(xn，yn)，该圆形透明窗431和该圆环形透明窗432圆心d' 、 C2'连线的中点Co' 的坐标(即该光源模组40在该图像坐标系xoy中的即时位置)为<formula>formula see original document page 7</formula>(3)
该圆环形透明窗432的圆心C2到该圆形透明窗431的圆心d的即时向量为<formula>formula see original document page 7</formula>(4)
请同时参考图l，根据式(1)和式(3)以及该光源模组40的实际长、宽SL(mm)和Sw(mm)和 该光源模组40在该图像坐标系xoy中的长、竟Tl (像素)和Tw (像素)可以得到该待测物体 50在该X-Y平面的位置可以用该物体坐标系XOY中对应该中点Co'的点的坐标表示为
<formula>formula see original document page 7</formula>该表达式(5)即可表示该待测物体50在该X-Y平面上的位置 根据式(2)和式(4)，用向量GG和向
、、到向
乂
_^ 的叉乘q^x^q表示向量
的旋转方向，叉乘得到的垂直于向量^^G和向量G25的向量为
(O，O，k)，则k的表达式为:<formula>formula see original document page 7</formula>根据式(2)和式(4)，设该待测物体50相对于初始位置的旋转角度为e ， e的计算公式为
<formula>formula see original document page 7</formula>
设该待测物体50在该图像坐标系xoy中逆时针旋转为正向，那么，当式(6)的k的值为正 时，e的值取正，当式(6)的k的值为负时，e的值取负。
这样，该位置测量装置可直接通过样板比对算法来作为图像识别算法就可以完成该待测 物体50在该X-Y平面的位置测量和旋转角度测量。
本发明位置测量装置的较佳实施方式的圆形透明窗431和圆环形透明窗432替换成两个大 小不同的圆形透明窗，或者两个不相同的圆环形透明窗，对应的替换该样板图像60，同样可以完成该待测物体50在该X-Y平面的位置测量和旋转角度测j
权利要求
1.一种位置测量装置，用于检测在一平面上运动的待测物体的位置和旋转角度，其包括一悬置于该待测物体上方以撷取该待测物体的图像的图像撷取装置、一用于处理该图像并计算出该待测物体的位置和旋转角度的处理器及一连接该图像撷取装置和该处理器用于将该图像传输至该处理器的一图像坐标系中的传输线，该图像撷取装置的镜头所在平面与该待测物体所在的平面相互平行，其特征在于该位置测量装置还包括一装设于该待测物体上的光源模组，该光源模组上设有第一透明窗及第二透明窗，该图像撷取装置即时撷取该光源模组的图像，该处理器中相应的以该第一透明窗和该第二透明窗的图像作为样板图像，并通过样板比对算法计算出该待测物体在该平面上的即时位置和旋转角度，该第一透明窗及该第二透明窗二者的形状或尺寸满足该光源模组发生旋转后能通过样板比对算法确定该光源模组的第一透明窗和第二透明窗在该图像坐标系中的位置变化。
2.如权利要求l所述的位置测量装置，其特征在于该光源模组包 括一一端开口的容置体、 一光源以及一顶板，该第一透明窗及该第二透明窗设于该顶板，该 光源收容于该容置体内，该顶板装设于该容置体的开口。
3.如权利要求l所述的位置测量装置，其特征在于该第一透明窗呈 圆形，该第二透明窗呈圆环形。
4.如权利要求l所述的位置测量装置，其特征在于该第一透明窗呈 圆形，该第二透明窗也呈圆形，且该第二透明窗与该第一透明窗的尺寸不同。
5.如权利要求l所述的位置测量装置，其特征在于该第一透明窗呈 圆环形，该第二透明窗也呈圆环形，且该第二透明窗与该第一透明窗的尺寸不同。
6.如权利要求l所述的位置测量装置，其特征在于该第一透明窗及 该第二透明窗是分别由不同数量的圆环组成的圆环形。
7.如权利要求l所述的位置测量装置，其特征在于该图像撷取装 置为一数码相机。
8. 一种利用如权利要求l所述的位置测量装置进行位置测量的方法，包括以下步骤将待测物体放置于一平面上确定的一初始位置；图像撷取装置撷取该待测物 体的初始图像；通过样板比对算法获得光源模组的第一透明窗和第二透明窗的中心在处理器 的图像坐标系中的初始坐标；该图像撷取装置撷取该待测物体移动或旋转后的即时图像；通 过样板比对算法获得该光源模组的第一透明窗和第二透明窗的中心在该图像坐标系中的即时 坐标；计算该待测物体在该图像坐标系中的即时位置和旋转角度；计算该待测物体在该平面 上的即时位置和旋转角度。
9.如权利要求8所述的位置测量方法，其特征在于通过计算该光源 模组的第一透明窗和第二透明窗的中心连线的中点的坐标变化来确定该待测物体在该平面上 的即时位置。
10.如权利要求8所述的位置测量方法，其特征在于通过计算该光 源模组的第二透明窗的中心到该第一透明窗的中心的向量变化来确定该待测物体的旋转角度
全文摘要
一种位置测量装置，用于检测在一平面上运动的待测物体的位置和旋转角度，其包括一悬置于该待测物体上方的图像撷取装置、一处理器及一连接该图像撷取装置和该处理器用于将该图像传输至该处理器的一图像坐标系中的传输线，该图像撷取装置的镜头所在平面与该待测物体所在的平面相互平行，该位置测量装置还包括一装设于该待测物体上的光源模组，该光源模组上设有第一透明窗及第二透明窗，该图像撷取装置即时撷取该光源模组的图像，该处理器中相应的以该第一透明窗和该第二透明窗的图像作为样板图像，并通过样板比对算法计算出该待测物体在该平面上的即时位置和旋转角度。
文档编号G01B11/26GK101561248SQ20081030117
公开日2009年10月21日 申请日期2008年4月17日 优先权日2008年4月17日
发明者张嘉桦, 张昭琳, 张灿辉, 邱垂欣, 黄国纮 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司;赐福科技股份有限公司