[发明专利]一种基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法

说明书

本发明公开了一种基于单目视觉的平面运动位移及轨迹测量方法，该方法主要包括：首先利用摄像机采集紧固于被测运动平面上的高对比度特征标志运动序列图像；其次通过亚像素边缘检测方法提取序列图像在X与Y方向的直线运动特征边缘亚像素坐标点，并将亚像素坐标点转换为对应的世界坐标点；然后基于最小二乘原理拟合特征边缘的世界坐标获得相应的边缘直线，实现X与Y方向运动位移的解耦测量；最后利用测量的X与Y方向运动位移获得运动平面的轨迹。相比于现有的测量方法，本方法具有非接触、低成本、灵活、高效、简单等优势，可实现高精度的平面运动位移及轨迹测量，且有利于机器视觉平面运动测量及六自由度运动测量的动态校准与溯源。

技术领域

本发明属于运动测量领域，更为具体地讲，尤其涉及一种平面运动位移及轨迹测量方法。

背景技术

平面运动位移及轨迹测量在位姿估计、惯性导航、桥梁及建筑结构安全测试等领域具有广泛应用。平面运动测量是多自由度运动测量的基础，其测量精度直接影响实际工程应用系统或装置的整体性能。为满足日益增长的实际工程应用高精度测量需求，需提高平面运动位移及轨迹的测量精度。因此，研究一种高精度的平面运动位移与轨迹测量方法变得尤为重要。

目前，常用的平面运动位移与轨迹测量方法有激光干涉法与传感器测量方法。基于多普勒测速与激光干涉原理的激光干涉法具有抗干扰能力强、动态性能好、测量频率范围宽、线性度高等优势，能够实现高精度的平面运动位移与轨迹测量，但其测量系统复杂、成本高、灵活性较差，且难以用于大位移范围的低频运动测量。基于传感器的测量方法仅需一个双轴或三轴向振动传感器即可测量平面运动的位移与轨迹，具有测量系统简单、成本低、灵活、高效等优势，但受传感器自身频率特性的限制，其测量精度通常不高。单目视觉方法具有高效、灵活、高精度与低成本等优势，现有的单目视觉方法在位移测量领域可获得高至10um的测量精度，在实际工程应用中越来越广泛的使用，故可通过单目视觉方法实现平面运动位移与轨迹的测量。实际上，任何平面运动都可分解为X与Y方向的直线运动，因此提出单目视觉方法通过对平面运动在X与Y方向运动位移的解耦测量获得平面运动的位移及轨迹，在提高测量精度的同时降低测量系统复杂度与成本，且提高灵活性。

因此，针对当前的平面运动位移及轨迹测量方法存在测量系统复杂、灵活性差、成本高、测量范围有限，且难以用于低频率高精度测量的不足，本发明提出一种高效、准确、灵活的低成本单目视觉测量方法。基于单目视觉的平面运动解耦测量将多分量平面运动测量转化为单分量直线运动测量，有利于单目视觉方法的量值溯源，且是实现六自由度运动测量的基础。

发明内容

针对目前平面运动位移及轨迹测量方法存在测量系统成本高、灵活性差、测量精度有限、无法适用于低频率测量等不足，本发明提供一种高效、灵活、准确的平面运动位移及轨迹测量方法，包括：

高对比度特征标志运动序列图像的采集：高对比度特征标志紧固于低频两分量振动台的工作台面，摄像机采集足够帧数的特征标志运动序列图像，以保证平面运动位移能够被准确地测量；

X与Y方向直线运动特征边缘的亚像素提取：利用模板匹配确定标志图像上的感兴趣区域，通过基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法提取感兴趣区域内的特征边缘点亚像素坐标，利用摄像机确定的图像像素坐标与世界坐标的对应关系将亚像素坐标转换为相应的世界坐标；

X与Y方向直线运动特征边缘的位移求解：基于最小二乘原理分别拟合X与Y方向直线运动特征边缘点的世界坐标，获得相应的拟合直线，选择工作台面回零位置的标志图像特征边缘作为零位移参考边缘，通过计算序列图像特征边缘与参考图像对应边缘的距离获得X与Y方向特征边缘的运动位移；

平面运动的轨迹解算：基于正弦逼近法拟合测量的X与Y方向特征边缘的运动位移，获得相应的位移峰值与初相，进而求解得到平面运动的轨迹。

具体而言，所述测量方法包括以下步骤，