一种基于摄像头的倾角测量系统及其测量方法与流程

本发明涉及电子测量设备技术领域，具体涉及一种基于摄像头的倾角测量系统及其测量方法。

背景技术

在工程实践中，精密测量装置必不可少，其中，转角、倾角等精密角度的测量对航空航天以及军用设备开发等具有重要意义。精确的角度测量不仅保障了仪器设备的正常运行，更提高了其运行的准确度和稳定性。角度测量方法中的电学测量法容易受到电磁干扰，受环境影响大；而直接测量角度变化的机械测量方法虽然稳定性较高，但精度较低，不能保证测量准确度。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了结构合理、测量精准的一种具有摄像头的倾角测量系统及其测量方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于摄像头的倾角测量系统，其特征在于，包括盒体、设置在盒体内部顶面的相机组、设置在相机组上的镜头、设置在盒体内的固定支架、设置在固定支架上的铅垂线、设置在铅垂线末端的球型摆锤及设置在盒体上的单片机、串口屏，所述固定支架一端固定在盒体内部侧面上，另一端延伸至盒体纵向中心线位置，从而使得铅垂线、球型摆锤、相机组三者共线设置，所述单片机与相机组电路连接，所述串口屏与单片机电路连接。

所述的一种基于摄像头的倾角测量系统，其特征在于，所述固定支架为透明塑料材质的l形结构。

所述的一种基于摄像头的倾角测量系统，其特征在于，所述盒体为六块板材组成的封闭正方体结构，其内部底面上绘制有网格，网孔为正方形。

所述的一种基于摄像头的倾角测量系统，其特征在于，所述相机组采取阵列形式布置。

所述的一种基于机器视觉的倾角测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)：将倾角测量仪盒体的外部底面贴合在被测斜面上，启动单片机，控制相机组开始运作；

2)：相机组根据盒体内部底面网格确定坐标原点o，采集球形摆锤在盒体内部底面的一系列投影图像，然后对每帧图像进行分割处理，将球型摆锤作为目标分割出来，并进行质心检测处理，将第i帧的质心坐标作为此时球型摆锤的位置坐标(xi,yi)；

3)：相机组再次根据盒体内部底面的网格图像，并结合相机的分辨率进行标定，确定图像坐标系与世界坐标系的转换关系：

其中，j×k为相机的分辨率，m×n为相机视野下网格的实际大小，(xi,yi)为世界坐标系下对图像坐标系下(xi,yi)的变换坐标；

4)：根据铅垂线长度、球形摆锤的投影位置，以及相对位置关系，可得到被测斜面的实际倾角：

其中，l为铅垂线的长度；l1为铅垂线在底面的投影长度，即图像中质点至原点的距离；θi为第i帧测量得到的倾角；

5)：测量动态角度时，利用单片机将倾角θi随时间变化的曲线绘制出来，并显示在串口屏上；测量静态角度时，为提高准确率，利用单片机对一定时间范围内的倾角θi取均值作为最终的倾角。

本发明的有益效果是：1)采用铅锤线作为倾角基准，准确度较高，能够适应不同的被测结构；2)采用机器视觉技术对摆锤的位置进行定位，并利用stm32单片机处理得到最终倾角的方法，不仅具备了机械式测量的抗干扰能力，又不逊色于间接电学测量的准确度，对动态角度和静态角度均可实现精准测量；3)盒体内部底面的网格用于相机的标定，结合用于处理的stm32单片机和显示用的串口屏，整个装置整体性高，实用性强，能够对不同类型的角度变化进行测量，适应不同环境。

附图说明

图1是本发明基于摄像头的倾角测量系统示意图；

图2是相机采集示意简图；

图3是倾角与其他参量的关系示意简图。

图中：1-相机组，2-镜头，3-铅垂线，4-球型摆锤，5-固定支架，6-盒体，7-单片机，8-串口屏。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种具有摄像头的倾角测量系统及其测量方法，包括相机组1、镜头2、铅垂线3、球型摆锤4、固定支架5、盒体6、单片机7及串口屏8、

盒体6为六块板材组成的正方体结构，内部空间用于放置测量相关装置，外部放置处理和显示的相关装置。在盒体6内部的上表面的中心位置固定有相机组1，并且，配置有镜头2，相机组1的视角为盒体6的竖直方向，并且视野范围覆盖盒体6内部整个低面。在盒体6内部设置有固定支架5，固定支架5为字母“l”形结构，“l”的底部固定在盒体6内部的侧面上，另一端的端点在相机组1的视角线上，也就是端点、相机组1和盒体6的中心在同一水平线上，并且在此端连接一铅垂线3，铅垂线3另一端连接球型摆锤4，球型摆锤4始终保持铅锤状态，为保证相机组1采集图像数据时，不受固定支架5的影响，选用透明塑料作为其材料。相机组1采集的图像需要转化为可用的实际坐标数据，所以，在盒体6内部的底面绘制类似棋盘的网格，网孔为正方形，用于相机组1的标定和坐标转换。

控制与测量部分，盒体6的外部侧面上固定有stm32单片机7和串口屏8，并且stm32单片机7分别与相机组1和串口屏8之间进行电连接，stm32单片机7可控制相机组1进行采集和相关设置，相机组1采集的图像数据可传输给stm32单片机7，串口屏8可显示stm32单片机7最终的运算结果。

基于机器视觉的倾角测量仪的测量方法，具体步骤如下：

第1步：将倾角测量仪盒体6的外部底面贴合在被测斜面上，启动stm32单片机7，控制相机组1开始运作。

第2步：相机组1根据盒体6内部底面网格确定坐标原点o，采集球形摆锤在盒体6内部底面的一系列投影图像，然后对每帧图像进行分割处理，将球型摆锤4作为目标分割出来，并进行质心检测处理，将第i帧的质心坐标作为此时球型摆锤4的位置坐标(xi,yi)，如图2所示。

第3步：相机组1再次根据盒体6内部底面的网格图像，并结合相机的分辨率进行标定，确定图像坐标系与世界坐标系的转换关系：

其中，j×k为相机的分辨率，m×n为相机视野下网格的实际大小，(xi,yi)为世界坐标系下对图像坐标系下(xi,yi)的变换坐标。

第4步：根据铅垂线3长度、球形摆锤的投影位置，以及图3所示的位置关系，可得到被测斜面的实际倾角：

其中，l为铅垂线3的长度；l1为铅垂线3在底面的投影长度，即图像中质点至原点的距离；θi为第i帧测量得到的倾角。

第5步：测量动态角度时，利用stm32单片机7将倾角θi随时间变化的曲线绘制出来，并显示在串口屏8上；测量静态角度时，为提高准确率，利用stm32单片机7对一定时间范围(这与摄像机的采集频率有关，摄像机的采集频率越高，相同时间内，得出的记过更多，时间范围就可以更短。例如本实验室的摄像机是120hz，因此只需要在0.5-1s即可。)内的倾角θi取均值作为最终的倾角。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。