基于c#的动态姿态角测量系统设计

基于c#的动态姿态角测量系统设计

0光学测角方法所有部门都需要测量很多角度。根据不同的技术要求和应用环境，产生了各种角测量方法和角测量装置。传统的角度测量方法主要包括机械式和电磁式,虽然应用于很多场合,但是其大多为手工测量,不容易实现自动化,使测量精度受到限制。随着光电技术的发展,传统光学方法与光电接收器件相结合的光电测角方法精度高、可靠性高、实现简单、体积小、质量轻、可维护性好,在测角领域中得到了广泛的应用。光电准直姿态角测量是光学准直技术与光电技术相结合的最佳的测角方法,尤其是与图像处理技术相结合的姿态角测量方法是目前姿态角测量领域的研究热点,但目前这些角度测量方法大都是针对小角度和高精度的静态测量。尚鸿雁、张广军等利用基于二维PSD的方法和激光自准直原理动态测量三自由度转角;王建林提出了采用单线阵CCD器件和特殊的分化板刻线相结合测量二维角度,这些姿态角测量系统测量精度高、动态性能好,但是量程范围小,因此,不能适用于某些大量程的动态测量场合。文中基于机器视觉中点结构光的测量原理及CMOS图像传感器局部感兴趣窗口(ROI)功能研制动态平面姿态角的测量系统,实现大量程、在线及非接触动态三自由度的测量。1结构光算法实时图像数据的传输系统工作原理是机器视觉中点结构光测量原理,其结构如图1所示。使用姿态敏感器在线拍摄位于待测平面上的至少3个激光光斑,由位于敏感器内部的FPGA实现CMOS图像传感器的ROI功能,实时并行计算ROI内的激光光斑质心的坐标,并传输至PC上位机的软件平台。再由软件根据离线标定好系统参数,以及从敏感器内部实时读取的结果,使用结构光算法测得待测平面上激光光斑质心的空间坐标,最终测得它们所在平面的姿态角。在整个测量过程中,由于采用硬件实现了CMOS图像传感器的ROI功能,大大减少了图像数据量,提高了帧频,同时,由于实现了实时光斑质心定位,并且仅传输质心坐标数据,极大地减少了软硬件平台之间的数据传输量,提高了整个系统的测量速度。系统通过设计合理的视场,可以达到大的测量范围。待测平面的归一化平面方程为:它的方向矢量同空间坐标轴的夹角(α,β,γ)即为所求的姿态角信息,其中。2光斑图像的输出系统总体结构如图2所示。整个系统由硬件和软件两部分组合而成。硬件由点结构光和姿态敏感器构成,点结构光用于产生光斑,姿态敏感器用于获取光斑图像并实现光斑质心坐标的实时快速提取。软件包含系统标定和测量两部分,实现最终的姿态输出。整个系统由PC上位机主控,通过接口协议向姿态角敏感器的控制芯片FPGA发送读取指令。如果FPGA没有接收到来自PC的指令,则持续产生CMOS图像传感器驱动信号,然后在读取激光光斑图像的同时将图像数据经FPGA实时并行提取光斑质心坐标,并将计算结果缓存在片内寄存器中。如果FPGA接收到来自PC的读取指令,将光斑质心结果传输给PC上位机,然后由测量算法根据离线标定好的系统参数和姿态敏感器参数加以处理,最终得到CMOS图像传感器所拍摄的待测平面的姿态角。3测量系统的设计和实现3.1点结构光源产生投射到待测面上的点结构光,至少由3个点激光器构成,每一个点激光器产生一个点结构光。文中设计了一个5点的点结构光源。3.2光斑质心提取系统姿态敏感器主要由FPGA和CMOS图像传感器构成,如图2所示。FPGA内部模块如图3所示。FPGA是姿态敏感器的主控芯片,完成CMOS图像传感器驱动和数据获取、数据接口协议、光斑质心定位算法。其中最重要的部分是CMOS图像传感器ROI驱动和实时光斑质心定位算法实现。CMOS图像传感器采用比利时Filfactory公司研制的IBIS5-A-1300,是一种具有高分辨率、130万高像素和双快门模式的有源图像传感器,工作中可实现全帧读取或ROI获取图像,最大分辨率可达1280×1024,帧频可达到27帧/s(全帧读取),在ROI模式下,帧频可大幅增加。当开窗大小为256×256,帧频可达100帧/s以上。系统利用CMOS图像传感器的局部开窗特征,并选择适当大小的ROI区域来提高系统处理帧频。其实现过程如图3所示。激光光斑质心提取的并行流水实现是基于序贯四连通域算法和一阶矩计算,如图4所示。CMOS图像传感器输出图像数据,同时,这些图像数据被标记,不同光斑给予不同标记。并行计算相同标记光斑对应的,并将它们存入FPGA内嵌的存储空间中(其中x为图像像素横坐标,y为图像像素纵坐标,F(x,y)为像素灰度值)。当标记结束后,从FPGA存储空间选出对应的数据,完成最后的一阶矩计算。一阶矩计算如公式(2)所示:式中:(x0,y0)表示光斑质心的坐标。使用上述并行流水线算法的优点是图像处理和采集同时进行,减少了系统处理时间。3.3激光光斑的空间标定使用棋盘靶标对姿态角敏感器和整个系统参数进行标定。在整个标定和测试中,建立如图5所示的坐标系。整个标定和测试均统一到摄像机坐标系Oc-XcYcZc上。Zc为摄像机光轴,Xc、Yc分别垂直于敏感器成像平面的X、Y轴。敏感器内部参数使用张正友的方法进行标定。在标定结构光系统参数时,敏感器和激光器的空间位置均不能变化。然后将激光光斑投射于棋盘靶标所处的平面上,并在此条件下将靶标摆放任意次。如图6所示。利用靶标上的角点信息,可以得到每次摆放靶标平面的外参数矩阵。再加上每次标定图像中激光光斑的质心坐标信息,就可以得到每次摆放靶标时激光光斑质心的空间坐标。这样将多次摆放的结果进行Levenberg-Marquardt拟合,可以得到所有激光光线的空间方程,即系统参数。测量时,PC上位机从敏感器获取质心坐标信息,通过标定好的敏感器内参数信息可以得到图像平面上激光光斑的空间坐标。即图5中对应的A、B、C3点。直线AO、BO、CO分别和l1、l2、l3在理论上相交,交点a、b、c为激光亮点的空间坐标。但是,由于标定和计算的误差,例如AO和l1会成为异面直线,存在一个较小的异面线间距。实际应用中使用这个线间距的线段中点作为激光亮点的空间坐标。求出所有平面上激光亮点的空间坐标后,拟合出它们所在平面的平面方程,即可得待测平面对应姿态角。4姿态敏感器内参数标定结果采用5点激光器搭建描述的点结构光测量系统进行试验。采用张正友的传统摄像机内参数标定方法标定姿态敏感器参数,标定结果如表1所示。系统参数标定结果如表2所示。根据以上标定好的姿态敏感器内参数和结构光系统参数对平面姿态角进行测量,其结果如表3所示。实验结果表明:系统测角RMS精确度为0.2°,测角范围达到±20°,在配置CMOS图像敏感器读取256×256图像时,测量帧频达到100Hz。5温度和稳定性测试基于机器视觉中点结构光测量原理及CMOS图像传感器ROI功能设计了一个平面姿态角测量的系统。设计并实现了姿态角测量系统的软硬件平台,硬件平台实现了CMOS图像传感器的ROI功能,减少了图像数据