基于c#的動(dòng)態(tài)姿態(tài)角測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于c#的動(dòng)態(tài)姿態(tài)角測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0光學(xué)測(cè)角方法所有部門(mén)都需要測(cè)量很多角度。根據(jù)不同的技術(shù)要求和應(yīng)用環(huán)境，產(chǎn)生了各種角測(cè)量方法和角測(cè)量裝置。傳統(tǒng)的角度測(cè)量方法主要包括機(jī)械式和電磁式,雖然應(yīng)用于很多場(chǎng)合,但是其大多為手工測(cè)量,不容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,使測(cè)量精度受到限制。隨著光電技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)光學(xué)方法與光電接收器件相結(jié)合的光電測(cè)角方法精度高、可靠性高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、可維護(hù)性好,在測(cè)角領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。光電準(zhǔn)直姿態(tài)角測(cè)量是光學(xué)準(zhǔn)直技術(shù)與光電技術(shù)相結(jié)合的最佳的測(cè)角方法,尤其是與圖像處理技術(shù)相結(jié)合的姿態(tài)角測(cè)量方法是目前姿態(tài)角測(cè)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),但目前這些角度測(cè)量方法大都是針對(duì)小角度和高精度的靜態(tài)測(cè)量。尚鴻雁、張廣軍等利用基于二維PSD的方法和激光自準(zhǔn)直原理動(dòng)態(tài)測(cè)量三自由度轉(zhuǎn)角;王建林提出了采用單線陣CCD器件和特殊的分化板刻線相結(jié)合測(cè)量二維角度,這些姿態(tài)角測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)性能好,但是量程范圍小,因此,不能適用于某些大量程的動(dòng)態(tài)測(cè)量場(chǎng)合。文中基于機(jī)器視覺(jué)中點(diǎn)結(jié)構(gòu)光的測(cè)量原理及CMOS圖像傳感器局部感興趣窗口(ROI)功能研制動(dòng)態(tài)平面姿態(tài)角的測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)大量程、在線及非接觸動(dòng)態(tài)三自由度的測(cè)量。1結(jié)構(gòu)光算法實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)工作原理是機(jī)器視覺(jué)中點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用姿態(tài)敏感器在線拍攝位于待測(cè)平面上的至少3個(gè)激光光斑,由位于敏感器內(nèi)部的FPGA實(shí)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的ROI功能,實(shí)時(shí)并行計(jì)算ROI內(nèi)的激光光斑質(zhì)心的坐標(biāo),并傳輸至PC上位機(jī)的軟件平臺(tái)。再由軟件根據(jù)離線標(biāo)定好系統(tǒng)參數(shù),以及從敏感器內(nèi)部實(shí)時(shí)讀取的結(jié)果,使用結(jié)構(gòu)光算法測(cè)得待測(cè)平面上激光光斑質(zhì)心的空間坐標(biāo),最終測(cè)得它們所在平面的姿態(tài)角。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中,由于采用硬件實(shí)現(xiàn)了CMOS圖像傳感器的ROI功能,大大減少了圖像數(shù)據(jù)量,提高了幀頻,同時(shí),由于實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)光斑質(zhì)心定位,并且僅傳輸質(zhì)心坐標(biāo)數(shù)據(jù),極大地減少了軟硬件平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸量,提高了整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量速度。系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)合理的視場(chǎng),可以達(dá)到大的測(cè)量范圍。待測(cè)平面的歸一化平面方程為:它的方向矢量同空間坐標(biāo)軸的夾角(α,β,γ)即為所求的姿態(tài)角信息,其中。2光斑圖像的輸出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組合而成。硬件由點(diǎn)結(jié)構(gòu)光和姿態(tài)敏感器構(gòu)成,點(diǎn)結(jié)構(gòu)光用于產(chǎn)生光斑,姿態(tài)敏感器用于獲取光斑圖像并實(shí)現(xiàn)光斑質(zhì)心坐標(biāo)的實(shí)時(shí)快速提取。軟件包含系統(tǒng)標(biāo)定和測(cè)量?jī)刹糠?實(shí)現(xiàn)最終的姿態(tài)輸出。整個(gè)系統(tǒng)由PC上位機(jī)主控,通過(guò)接口協(xié)議向姿態(tài)角敏感器的控制芯片F(xiàn)PGA發(fā)送讀取指令。如果FPGA沒(méi)有接收到來(lái)自PC的指令,則持續(xù)產(chǎn)生CMOS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào),然后在讀取激光光斑圖像的同時(shí)將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA實(shí)時(shí)并行提取光斑質(zhì)心坐標(biāo),并將計(jì)算結(jié)果緩存在片內(nèi)寄存器中。如果FPGA接收到來(lái)自PC的讀取指令,將光斑質(zhì)心結(jié)果傳輸給PC上位機(jī),然后由測(cè)量算法根據(jù)離線標(biāo)定好的系統(tǒng)參數(shù)和姿態(tài)敏感器參數(shù)加以處理,最終得到CMOS圖像傳感器所拍攝的待測(cè)平面的姿態(tài)角。3測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)3.1點(diǎn)結(jié)構(gòu)光源產(chǎn)生投射到待測(cè)面上的點(diǎn)結(jié)構(gòu)光,至少由3個(gè)點(diǎn)激光器構(gòu)成,每一個(gè)點(diǎn)激光器產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)光。文中設(shè)計(jì)了一個(gè)5點(diǎn)的點(diǎn)結(jié)構(gòu)光源。3.2光斑質(zhì)心提取系統(tǒng)姿態(tài)敏感器主要由FPGA和CMOS圖像傳感器構(gòu)成,如圖2所示。FPGA內(nèi)部模塊如圖3所示。FPGA是姿態(tài)敏感器的主控芯片,完成CMOS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)接口協(xié)議、光斑質(zhì)心定位算法。其中最重要的部分是CMOS圖像傳感器ROI驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)光斑質(zhì)心定位算法實(shí)現(xiàn)。CMOS圖像傳感器采用比利時(shí)Filfactory公司研制的IBIS5-A-1300,是一種具有高分辨率、130萬(wàn)高像素和雙快門(mén)模式的有源圖像傳感器,工作中可實(shí)現(xiàn)全幀讀取或ROI獲取圖像,最大分辨率可達(dá)1280×1024,幀頻可達(dá)到27幀/s(全幀讀取),在ROI模式下,幀頻可大幅增加。當(dāng)開(kāi)窗大小為256×256,幀頻可達(dá)100幀/s以上。系統(tǒng)利用CMOS圖像傳感器的局部開(kāi)窗特征,并選擇適當(dāng)大小的ROI區(qū)域來(lái)提高系統(tǒng)處理幀頻。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。激光光斑質(zhì)心提取的并行流水實(shí)現(xiàn)是基于序貫四連通域算法和一階矩計(jì)算,如圖4所示。CMOS圖像傳感器輸出圖像數(shù)據(jù),同時(shí),這些圖像數(shù)據(jù)被標(biāo)記,不同光斑給予不同標(biāo)記。并行計(jì)算相同標(biāo)記光斑對(duì)應(yīng)的,并將它們存入FPGA內(nèi)嵌的存儲(chǔ)空間中(其中x為圖像像素橫坐標(biāo),y為圖像像素縱坐標(biāo),F(x,y)為像素灰度值)。當(dāng)標(biāo)記結(jié)束后,從FPGA存儲(chǔ)空間選出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),完成最后的一階矩計(jì)算。一階矩計(jì)算如公式(2)所示:式中:(x0,y0)表示光斑質(zhì)心的坐標(biāo)。使用上述并行流水線算法的優(yōu)點(diǎn)是圖像處理和采集同時(shí)進(jìn)行,減少了系統(tǒng)處理時(shí)間。3.3激光光斑的空間標(biāo)定使用棋盤(pán)靶標(biāo)對(duì)姿態(tài)角敏感器和整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。在整個(gè)標(biāo)定和測(cè)試中,建立如圖5所示的坐標(biāo)系。整個(gè)標(biāo)定和測(cè)試均統(tǒng)一到攝像機(jī)坐標(biāo)系Oc-XcYcZc上。Zc為攝像機(jī)光軸,Xc、Yc分別垂直于敏感器成像平面的X、Y軸。敏感器內(nèi)部參數(shù)使用張正友的方法進(jìn)行標(biāo)定。在標(biāo)定結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)參數(shù)時(shí),敏感器和激光器的空間位置均不能變化。然后將激光光斑投射于棋盤(pán)靶標(biāo)所處的平面上,并在此條件下將靶標(biāo)擺放任意次。如圖6所示。利用靶標(biāo)上的角點(diǎn)信息,可以得到每次擺放靶標(biāo)平面的外參數(shù)矩陣。再加上每次標(biāo)定圖像中激光光斑的質(zhì)心坐標(biāo)信息,就可以得到每次擺放靶標(biāo)時(shí)激光光斑質(zhì)心的空間坐標(biāo)。這樣將多次擺放的結(jié)果進(jìn)行Levenberg-Marquardt擬合,可以得到所有激光光線的空間方程,即系統(tǒng)參數(shù)。測(cè)量時(shí),PC上位機(jī)從敏感器獲取質(zhì)心坐標(biāo)信息,通過(guò)標(biāo)定好的敏感器內(nèi)參數(shù)信息可以得到圖像平面上激光光斑的空間坐標(biāo)。即圖5中對(duì)應(yīng)的A、B、C3點(diǎn)。直線AO、BO、CO分別和l1、l2、l3在理論上相交,交點(diǎn)a、b、c為激光亮點(diǎn)的空間坐標(biāo)。但是,由于標(biāo)定和計(jì)算的誤差,例如AO和l1會(huì)成為異面直線,存在一個(gè)較小的異面線間距。實(shí)際應(yīng)用中使用這個(gè)線間距的線段中點(diǎn)作為激光亮點(diǎn)的空間坐標(biāo)。求出所有平面上激光亮點(diǎn)的空間坐標(biāo)后,擬合出它們所在平面的平面方程,即可得待測(cè)平面對(duì)應(yīng)姿態(tài)角。4姿態(tài)敏感器內(nèi)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果采用5點(diǎn)激光器搭建描述的點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。采用張正友的傳統(tǒng)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定方法標(biāo)定姿態(tài)敏感器參數(shù),標(biāo)定結(jié)果如表1所示。系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果如表2所示。根據(jù)以上標(biāo)定好的姿態(tài)敏感器內(nèi)參數(shù)和結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)參數(shù)對(duì)平面姿態(tài)角進(jìn)行測(cè)量,其結(jié)果如表3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)測(cè)角RMS精確度為0.2°,測(cè)角范圍達(dá)到±20°,在配置CMOS圖像敏感器讀取256×256圖像時(shí),測(cè)量幀頻達(dá)到100Hz。5溫度和穩(wěn)定性測(cè)試基于機(jī)器視覺(jué)中點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理及CMOS圖像傳感器ROI功能設(shè)計(jì)了一個(gè)平面姿態(tài)角測(cè)量的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)角測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái),硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了CMOS圖像傳感器的ROI功能,減少了圖像數(shù)據(jù)