[实用新型]主动视觉非接触式伺服机构参数测量装置

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种主动视觉非接触式伺服机构参数测量装置，通过无接触的方式，它实现了对二轴伺服机构的指向精度、转角范围、角速度、角加速度、超调量等参数的实时高精度测量。属于计算机视觉技术领域。

(二)背景技术

伺服机构是广泛应用于许多领域的一种机械装置，如在卫星天线、雷达天线等设备中，其中对伺服机构的性能参数有严格的要求。传统的测量方法是在单独测量每个轴的转角和角速度，分为接触式的机械测量方法和非接触式的光学测量方法。这些方法不仅安装复杂，改变系统的结构，而且更为关键的是单独测量各个转轴的参数，并不能说明整个系统的精度。因为伺服机构的传动装置中存在机械间隙，所以实际的指向和由两个转角确定的矢量是存在误差的。因此传统的测量装置无法测量伺服机构实际的指向。

计算机视觉是通过分析图像来获取对客观世界的定位、测量、认知的一个研究领域，随着技术的进步和发展，近些年逐渐应用到工程中的某些领域。

对现有文献检索发现：

1.美国专利号，US 7,204,596 B2，名称：Projector with Tilt Angle MeasuringDevice，该专利利用投影机镜头周围两个以上的激光器产生的激光束投射在屏幕上，通过拍摄图像中光点的相对位置关系解算投影机的倾斜角度。该专利应用于测量静态物体的倾角，不适用于动态测量。

2.中国专利申请号：200610029122.9，基于计算机视觉的转速测量装置，该专利采集被测物体的转动模糊图像，物体上的特征点模糊为弧线，经过处理后拉直为直线段，测量直线段长度推算转速。这种方法只能测单轴旋转的物体，无法应用于多轴旋转的伺服测量系统。并且受摄像机快门时间和分辨率约束，测量范围和精度不高。

3.中国专利申请号：200610010435.X，名称：非接触式三轴气浮台转角测量装置及其测量方法，专利自述为“利用计算机视觉理论并结合测量靶标及CCD摄像机安装信息，计算出气浮台台面的转动参数”。该专利主要有以下几个不足之处：

摄像机和激光器都需要安装到被测物体上，无法在对载荷重量要求高的场合使用；

采用彩色摄像机，与黑白摄像机相比，在同样图像数据量的情况下，会降低图像的分辨率；

依靠测量标靶上安装的LED灯测量气浮台的旋转角，将测角范围限制在很小的范围内。

由于以上限制因素，该专利无法应用于大转角范围、高转速的伺服装置运动参数的精确测量领域中。

(三)实用新型内容

(1)目的

本发明的目的在于提供一种主动视觉非接触式伺服机构参数测量装置，它克服了传统接触式测量装置的缺点和不足，能够测量伺服机构的各运动参数，并且其转角测量范围及测量精度远高于现有的无接触测量装置及方法，适用范围广。

(2)技术方案

【一】、本实用新型一种主动视觉非接触式伺服机构参数测量装置，它是由测量屏幕、伺服机构安装平台、图像采集和处理系统、红光激光光源构成：在待测伺服机构上装有红光激光光源，它置于伺服机构安装平台上并安放在测量屏幕前，在待测伺服机构后方放置有数字摄像机对屏幕成像，图像数据经过图像采集卡传送到计算机处理。

工作流程是：首先通过摄像机拍摄屏幕上的棋盘格图案，对摄像机标定；然后由伺服机构控制主机发出命令控制伺服转动，计算机提取图像中激光点坐标，结合摄像机标定的结果，实时计算并记录待测伺服机构在每个时刻的转角，由转角计算出角速度、指向精度、超调量等待测伺服机构运动参数。

1.测量屏幕

测量屏幕的作用是接收激光束，使拍摄屏幕的摄像机能够捕捉到激光点。同时为计算光点的三维坐标提供一个约束，即只需要计算出光点在屏幕上二维坐标系中的两个坐标就可以获得光点的三维坐标。这个约束条件可以避免使用两个摄像机的双目视觉系统，不仅降低了系统成本，使用方便，并且精度优于无约束的双目系统。由于屏幕作为测量计算中的一个约束，所以对屏幕平面度有一定要求。

作为本发明的一个改进，在视觉测量中采用多块屏幕板拼接，不仅极大的拓宽了角度测量的范围，同时改善了在平面上成像分辨率不均匀的现象。屏幕的设计需要考虑众多因素，包括测量误差、测量环境允许的空间尺寸以及可实现性等。综合考虑后，摄像机参数2/3英寸CCD，镜头焦距12mm，摄像机距离屏幕5m左右，在此条件下，屏幕高度设计为1.6m。屏幕角度设计时，需要考虑误差因素。图8是水平截面图，当伺服水平转动时，激光点E在屏幕上运动，相应的成像角度定义参数其值越小说明和ψ越接近线性关系，从而量化带来的误差越小。根据几何关系，可以推导出