[发明专利]一种基于视觉的高精度旋转角度测量方法

说明书

本发明公开了一种基于视觉的高精度旋转角度测量方法，该测量方法包括：采用一种由四个圆形包络矩形的特征标志，该特征标志紧固于转台的旋转面，其与旋转面具有相同的旋转角度；基于模板匹配确定图像的感兴趣区域ROI，消除图像背景相似边缘对特征标志中矩形边缘检测影响；然后基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法实现矩形长边缘的高精度提取，得到矩形两条长边缘的亚像素坐标；基于最小二乘拟合法拟合这两条长边缘的亚像素坐标，得到对应的拟合边缘直线并计算这两条直线斜率的均值，利用两斜率均值的反正切三角函数解算旋转位置相对于基准位置的旋转角度。本发明方法解决了现有旋转角度测量方法存在的测量精度有限、过程繁琐、系统复杂等问题。

技术领域

本发明属于计量及测量控制技术领域，尤其适用于高精度、稳定、可靠低频旋转振动测量。

背景技术

随着科学技术的发展，军事工业、航空航天等科技行业对角度测量精度、速度等指标提出了越来越高的要求，因此，提出一种精确、快速、便捷的角度测量方法有着重要的意义。

目前，常用的测量角度的方法大致可以分为接触测量方法及非接触测量方法。其中最为常用的接触测量方法是机械测量方法和电磁测量方法，机械测量方法(如多齿分度台)存在测量速度慢、精度低、不能实时动态测量的局限性，并采用接触测量限制了该方法的适用范围。电磁测量方法基于电磁感应的原理测量角度，与机械测量方法相比，在测量精度速度上有了显著的提升。上述的两种测量方法难以实现自动化测量。非接触角度测量方法具有更广泛的适用性，其中光学测量方法具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点，因此使光学测角法的应用更加普遍，但其测量精度依赖于稳定的激光光源、精密的光路，所以光学测角法系统大多复杂且系统成本较高。激光干涉方法是近年来广泛应用于角度测量的光学方法，它采用迈克尔逊干涉仪的原理，将角度变化转换为光程差的变化进行测量，这种方法在小角度测量中表现较好。现今，随着机器视觉的迅速发展，基于视觉的角度测量测量技术以其高精度、快速性、智能化的特点，在角度测量技术领域中占有了重要地位。

因此，针对于目前的角度测量方法的测量精度有限、过程繁琐、系统成本高及自动化程度低等不足，本发明提出一种高精度、低成本、便捷的旋转角度视觉测量方法。

发明内容

本发明提出一种高精度、低成本、便捷的高精度旋转角度测量方法，包括：

基于模板匹配确定图像的感兴趣区域(ROI)，其包括：一种圆形模板匹配方法，实现特征标志中圆形区域识别，然后进行感兴趣区域提取，确定以四个圆形区域圆心为顶点的ROI。在ROI内进行特征标志中矩形长边缘检测，可以消除图像背景相似边缘对矩形长边缘检测影响；

特征标志矩形长边缘的高精度提取，其包括：基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法实现特征标志ROI内矩形长边缘的高精度提取，得到矩形两条长边缘的亚像素坐标；

序列图像矩形长边缘旋转角度计算，其包括：基于最小二乘拟合法拟合这两条长边缘的亚像素坐标，得到对应的拟合边缘直线并计算这两条直线斜率的均值，分别求取基准位置特征边缘斜率均值及旋转位置特征边缘斜率均值，利用两斜率均值的反正切三角函数解算旋转位置相对于基准位置的旋转角度。

本发明采用的技术方案为一种基于视觉的高精度旋转角度测量方法，所述测量方法包括以下步骤，

S1：采用一种由四个面积相等圆形包络矩形的特征标志，该特征标志紧固于转台的旋转面，其与旋转面具有相同的旋转角度；摄像机采集旋转特征标志的序列图像，读入采集到的图像，基于圆形模板匹配方法，识别特征标志中的四个圆形区域，确定以四个圆心为顶点的感兴趣区域ROI，以消除图像背景相似边缘对特征标志中矩形边缘检测干扰；

S2：基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法实现特征标志ROI内矩形长边的高精度提取，得到矩形两条长边缘的亚像素坐标；