專利名稱：基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光學(xué)測量裝置，本發(fā)明還涉及一種光學(xué)測量方法，具體地說是應(yīng)用于共錐度測量的光學(xué)測量裝置及其測量方法。

背景技術(shù)：
當(dāng)旋翼直升機飛行時，槳葉會微微往上翹，形成一個倒置的圓錐體，若升力一致，則各槳葉運動在同一個椎體上，通常稱為共錐面。若升力不一致，那么各槳葉運動的軌跡不共錐，此時槳葉高度就不等高。直升機旋翼的共錐度是旋翼動平衡測量的一個主要指標，它直接關(guān)系到直升機的安全和其他各項重要性能的優(yōu)劣，是直升機生產(chǎn)、維護中的重要檢查項目。由于共錐度的測量往往是在槳葉高速旋轉(zhuǎn)的動態(tài)下進行的，所以過去一直存在著測量難度較大、測量精度較差的問題。
雙目立體視覺是對人雙眼的模擬，人的雙眼從位置不同的2個角度去觀察世界的景物，必須要有兩幅不同的錯位圖片，這種錯位叫做視差，它反映了客觀景物的深度，沒有視差就沒有深度知覺。雙目立體視覺理論建立在對人類視覺系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，通過雙目立體圖像的處理，獲取場景的三維信息，再經(jīng)過進一步處理就可得到三維空間中的景物，實現(xiàn)二維圖像到三維空間的重構(gòu)。由于雙目視覺把物體的三維信息同視差聯(lián)系起來，即視差中隱含著三維的深度信息及物體的幾何形狀信息。所以雙目視覺理論成功應(yīng)用于工業(yè)測量、機械加工、車牌識別、資源分析、醫(yī)療診斷、人臉識別等許多領(lǐng)域。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的一種基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量裝置，本發(fā)明的目的還在于提供測量精度較高的基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 本發(fā)明的基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量裝置包括光源、電感式接近開關(guān)、直升機旋翼機構(gòu)、攝像機、導(dǎo)軌和圖形工作站，光源位于直升機旋翼上方，電感式接近開關(guān)安裝在直升機旋翼上，左右兩臺攝像機安裝在導(dǎo)軌上、面向直升機旋翼并分布在直升機旋翼的兩側(cè)，兩臺攝像機與圖形工作站相連。
本發(fā)明的基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量方法首先通過張正友法標定出兩臺攝像機的內(nèi)部參數(shù)焦距fl、fr及外部參數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T，再將旋翼信號圖像傳入圖形工作站，得到旋翼在左右攝像機中的圖像坐標，將得出的數(shù)據(jù)作為已知條件基于視差原理求解出旋翼點的空間三維坐標、從而得出共錐度。
本發(fā)明的基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量裝置及其方法還可以包括 1、所述的直升機旋翼機構(gòu)包括旋翼頭、螺栓孔和旋翼，旋翼包括標準旋翼和伴隨旋翼，螺栓孔有三組、分別位于旋翼頭的邊緣，三組螺栓孔兩兩角度為120°，標準旋翼和伴隨旋翼通過螺栓孔安裝在旋翼頭上。
2、所述的導(dǎo)軌上帶有標尺。
3、所述的旋翼點的空間三維坐標求解方法為左攝像機olxlylzl位于世界坐標系的原點處且無旋轉(zhuǎn)，圖像坐標系為OlXlYl，有效焦距為fl；右攝像機坐標系為orxryrzr，圖像坐標系為OrXrYr，有效焦距為fr，由攝像機透視變換模型有 而olxlylzl坐標系與orxryrzr坐標系之間的相互位置關(guān)系可通過空間轉(zhuǎn)換矩陣Mlr表示為 其中，


分別為olxlylzl坐標系與orxryrzr坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和原點之間的平移變換矢量，

olxlylzl坐標系與orxryrzr坐標系的變換，可以通過繞不同坐標軸的3次連續(xù)轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，其中ψ為繞olxlylzl坐標系zl軸的轉(zhuǎn)動角度，θ為繞orxryrzr坐標系yr軸轉(zhuǎn)動的角度，φ為繞orxryrzr坐標系xr軸轉(zhuǎn)動的角度，tx，ty，tz分別為olxlylzl坐標系到orxryrzr坐標系的x，y，z方向三維平移分量； 由(1)～(3)得可知 由于已知左攝像機坐標系olxlylzl與世界坐標系oxyz重合，則 即待測旋翼點的三維坐標為 本發(fā)明的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便、安裝維修簡捷、工作穩(wěn)定可靠。



圖1為本發(fā)明的基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量裝置示意圖； 圖2是本發(fā)明旋翼錐度計算流程圖； 圖3是本發(fā)明的雙目立體視覺數(shù)學(xué)模型； 圖4是本發(fā)明的二維中值濾波器常用窗口； 圖5是拉普拉斯邊緣檢測原理圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述 結(jié)合圖1～5，本發(fā)明裝置的目的是這樣實現(xiàn)的基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量裝置，如圖1所示，包括光源1、電感式接近開關(guān)2、直升機旋翼機構(gòu)3、攝像機4和5、導(dǎo)軌7和圖形工作站8，光源1位于直升機旋翼上方，電感式接近開關(guān)2安裝在直升機旋翼上，左右兩臺攝像機4、5安裝在導(dǎo)軌7上、面向直升機旋翼并分布在直升機旋翼的兩側(cè)，兩臺攝像機4、5與圖形工作站相8連。攝像機標定采用的平面模板為2維靶面，其中靶面上的方格點即為標定點，再由圖像采集模塊將旋翼信號圖像傳入圖形工作站存儲器，圖像采集模塊要由光源、電感式接近開關(guān)、兩臺CCD攝像機、帶有標尺的導(dǎo)軌、圖形工作站等硬件設(shè)備組成，通過調(diào)整導(dǎo)軌上兩臺CCD攝像機可以獲得不同的視場角，圖像處理模塊通過圖像預(yù)處理、圖像的邊緣提取計算出旋翼在左右攝像機中的圖像坐標，將攝像機標定模塊及圖像處理模塊計算出的數(shù)據(jù)作為已知條件基于視差原理求解出旋翼點的空間三維坐標，達到旋翼共錐度測量的目的。
基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量方法，如圖2所示，首先通過張正友法完成雙目攝像機的標定，再將旋翼信號圖像傳入圖形工作站完成雙目圖像的獲取，進行完成圖像的預(yù)處理，將得出的數(shù)據(jù)作為已知條件基于視差原理完成旋翼邊緣點的提取及三維坐標的解算，之后進行旋翼錐度的解算、從而得出共錐度。
建立雙目立體視覺數(shù)學(xué)模型，如圖3所示，設(shè)左攝像機olxlylzl位于世界坐標系的原點處且無旋轉(zhuǎn)，圖像坐標系為OlXlYl，有效焦距為fl；右攝像機坐標系為orxryrzr，圖像坐標系為OrXrYr，有效焦距為fr，由攝像機透視變換模型有 而olxlylzl坐標系與orxryrzr坐標系之間的相互位置關(guān)系可通過空間轉(zhuǎn)換矩陣Mlr表示為 其中，


分別為olxlylzl坐標系與orxryrzr坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和原點之間的平移變換矢量。
olxlylzl坐標系與orxryrzr坐標系的變換，可以通過繞不同坐標軸的3次連續(xù)轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，其中ψ為繞olxlylzl坐標系zl軸的轉(zhuǎn)動角度；θ為繞orxryrzr坐標系yr軸轉(zhuǎn)動的角度；φ為繞orxryrzr坐標系xr軸轉(zhuǎn)動的角度。tx，ty，tz分別為olxlylzl坐標系到orxryrzr坐標系的x，y，z方向三維平移分量。
由(1)～(3)可知 由于已知左攝像機坐標系olxlylzl與世界坐標系oxyz重合，則 即待測旋翼點的三維坐標可以表示為 因此已知焦距fl、fr和旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T，只要求出待測旋翼點在左右攝像機中的圖像坐標(Xl，Yl)和(Xr，Yr)就可以得到被測物體點的三維空間坐標。
主要實施過程 1.fl、fr和旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T的計算方法 本方案采用張正友(基于2D靶面)法求解出兩臺攝像機的內(nèi)外參數(shù)。其中平面靶標上的方格點即為標定點。
標定步驟 a.打印一張模板并貼在一個平面 b.從不同角度拍攝若干張模板圖像(大于兩張) c.檢測出圖像中的特征點 d.求出攝像機的內(nèi)參數(shù)和外參數(shù) e.求出畸變系數(shù) f.優(yōu)化求精，確定兩臺攝像機最終的內(nèi)外參數(shù)fl、fr、Rl、Tl、Rr、Tr。
設(shè)定雙目立體視覺系統(tǒng)中左右攝像機的外部參數(shù)分別為Rl、Tl與Rr、Tr。則Rl、Tl表示左攝像機與世界坐標系的相對位置，Rr、Tr表示右攝像機與世界坐標系的相對位置，兩個攝像機之間的幾何關(guān)系R、T可以用下面關(guān)系式表示 2.旋翼點在左右攝像機中圖像坐標的計算方法 只有保證攝像機機與旋翼同步，才能準確的抓拍到旋翼圖像，同時采集卡存儲圖像。旋翼模型由單相異步電機驅(qū)動，選用可調(diào)速電機，調(diào)整達到按照縮小比例計算出的恒定轉(zhuǎn)速。旋翼下方的基座上安裝一個接近開關(guān)，當(dāng)標準槳翼轉(zhuǎn)到接近開關(guān)所處的指定位置的同時啟動脈沖信號，利用這個脈沖信號通過對圖像采集卡進行相應(yīng)的設(shè)置來控制攝像機的快門，使之能夠準確對三片旋翼進行拍攝，將同步信號脈沖采集到圖像卡上以后，再由X64-CL圖像采集卡接過控制權(quán)對兩臺攝像機進行同步操作。
采集到的圖像首先要進行預(yù)處理，以消除圖像中的干擾。中值濾波是一種有效的濾波方法，它采用一個含有奇數(shù)點的滑動窗口，用窗口中各點灰度值的中值來代替窗口中心點像素的灰度值。對二維序列{fij}進行中值濾波時，濾波窗口也是二維的，將窗口內(nèi)像素排序，生成單調(diào)數(shù)據(jù)序列{xij}，二維中值濾波的結(jié)果為 gij＝Med{xij} 如圖4所示。不同形狀的窗口產(chǎn)生不同的濾波效果，使用中必須根據(jù)圖像的內(nèi)容和不同的要求加以選擇。如對于有緩慢變化的較長輪廓線物體的圖像，采用方形或圓形窗口比較適宜；對于包含有尖頂角物體的圖像，則適宜采用十字形窗口。使用中值濾波最值得注意的就是保持圖像中有效的細線狀物體。
如圖5所示，邊緣檢測方法采用拉普拉斯高斯(Log)算子法，它通過尋找圖像灰度值中二階微分中的過零點來檢測邊緣點。它的原理為，灰度變形成邊緣經(jīng)過微分算子形成一個單峰函數(shù)，峰值位置對應(yīng)邊緣點；對單峰值進行微分，在邊緣處會產(chǎn)生一個陡峭的零交叉，根據(jù)這個零交叉判斷邊緣。
設(shè)計循環(huán)程序?qū)ふ倚淼倪吘?，掃描算法如下對邊緣提取完畢后的二值化圖像進行掃描，掃描的順序是先從左向右即水平掃描；然后從上向下即垂直掃描。由于二值化后的圖像只有兩個值，即0(黑色)，255(白色)，故要確定邊緣上的第一個點是很簡單的。以旋翼翼尖上邊緣作為目標點當(dāng)找到目標點后計算目標點在左右攝像機中的圖像坐標值(Xl，Yl)和(Xr，Yr)。
將前面計算出的左右兩臺攝像機的焦距fl、fr和兩臺攝像機間旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T作為已經(jīng)條件代入式(6)，即可求解出即為待測旋翼點三維空間坐標p(x，y，z)。通過同步電路控制攝像機拍攝，分別得到三片旋翼的坐標值p1、p2、p3，其中pi(i＝1，2，3)第三個參數(shù)即為旋翼高度值，它們之間的差值即為旋翼錐度差。
實施方式1 使用TAMRON公司的18-200mm鏡頭、攝像機為JIA公司生產(chǎn)的CM-200MCL，CCD鏡頭的分辨率為1620×1236，并設(shè)計和制作了一個平面棋盤多方格(7×10)模板，拍攝距離300mm。
應(yīng)用張正友法進行求解，進行20組實驗并取平均值標定出左右兩臺攝像機的內(nèi)外參數(shù) 左攝像機焦距fl＝4030.742mm 右攝像機焦距fr＝4140.546mm 旋轉(zhuǎn)矩陣 平移矢量T＝[-1437.84461；-17.20693；965.51554] 為了獲得合適的三維視覺精度，一方面要求兩臺攝像機鏡頭光心之間的距離盡可能的遠(即視覺系統(tǒng)的基線距離盡可能大)，另一方面，被測物體特征點的求取精度盡可能得高(一般要求達到子像素精度)。采用長焦距攝像機(＞25mm)和固定基線長，很容易達到1/20000的相對深度誤差。本方案中左右兩臺攝像機光心基線距離固定為500mm，與導(dǎo)軌夾角為30° 將雙目視覺系統(tǒng)拍攝到的旋翼圖像經(jīng)過去噪，邊緣檢測后，提取出旋翼上邊緣點在左右兩臺攝像機中的圖像坐標值(Xl，Yl)和(Xr，Yr)，結(jié)合前面計算出的左右兩臺攝像機的焦距fl、fr和兩臺攝像機間旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T作為已經(jīng)條件代入公式(6)即可求解出即為待測旋翼點三維空間坐標p(x，y，z)。通過同步電路控制攝像機拍攝，分別得到三片旋翼的坐標值p1、p2、p3，其中pi(i＝1，2，3)第三個參數(shù)z即為旋翼高度值，它們之間的差值即為旋翼錐度差。
采用調(diào)速電機控制旋翼轉(zhuǎn)速，控制旋翼旋轉(zhuǎn)速度為220r/m，由左右攝像機分別對三片旋翼進行拍攝，計算出三片旋翼錐度差為

權(quán)利要求
1.基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量裝置，其特征是包括光源、電感式接近開關(guān)、直升機旋翼機構(gòu)、攝像機、導(dǎo)軌和圖形工作站，光源位于直升機旋翼上方，電感式接近開關(guān)安裝在直升機旋翼上，左右兩臺攝像機安裝在導(dǎo)軌上、面向直升機旋翼并分布在直升機旋翼的兩側(cè)，兩臺攝像機與圖形工作站相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量裝置，其特征是所述的直升機旋翼機構(gòu)包括旋翼頭、螺栓孔和旋翼，旋翼包括標準旋翼和伴隨旋翼，螺栓孔有三組、分別位于旋翼頭的邊緣，三組螺栓孔兩兩角度為120°，標準旋翼和伴隨旋翼通過螺栓孔安裝在旋翼頭上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量裝置，其特征是所述的導(dǎo)軌上帶有標尺。
4.基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量方法，采用權(quán)利要求1所述的基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量裝置，其特征是首先通過張正友法標定出兩臺攝像機的內(nèi)部參數(shù)焦距fl、fr及外部參數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T，再將旋翼信號圖像傳入圖形工作站，得到旋翼在左右攝像機中的圖像坐標，將得出的數(shù)據(jù)作為已知條件基于視差原理求解出旋翼點的空間三維坐標、從而得出共錐度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量方法，其特征是所述的旋翼點的空間三維坐標求解方法為左攝像機olxlylzl位于世界坐標系的原點處且無旋轉(zhuǎn)，圖像坐標系為OlXlYl，有效焦距為fl；右攝像機坐標系為orxryrzr，圖像坐標系為OrXrYr，有效焦距為fr，由攝像機透視變換模型有
olxlylzl坐標系與orxryrzr坐標系之間的相互位置關(guān)系可通過空間轉(zhuǎn)換矩陣Mlr表示為
其中，
分別為olxlylzl坐標系與orxryrzr坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和原點之間的平移變換矢量，
olxlylzl坐標系與orxryrzr坐標系的變換，可以通過繞不同坐標軸的3次連續(xù)轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，其中ψ為繞olxlylz1坐標系zl軸的轉(zhuǎn)動角度，θ為繞orxryrzr坐標系yr軸轉(zhuǎn)動的角度，φ為繞orxryrzr坐標系x軸轉(zhuǎn)動的角度，tx，ty，tz分別為olxlylzl坐標系到orxryrzr坐標系的x，y，z方向三維平移分量；
由(1)～(3)得可知
由于已知左攝像機坐標系olxlylzl與世界坐標系oxyz重合，則
即待測旋翼點的三維坐標為
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量裝置及其方法。本發(fā)明的基于雙目立體視覺技術(shù)的旋翼共錐度測量裝置包括光源、電感式接近開關(guān)、直升機旋翼機構(gòu)、攝像機、導(dǎo)軌和圖形工作站，光源位于直升機旋翼上方，電感式接近開關(guān)安裝在直升機旋翼上，左右兩臺攝像機安裝在導(dǎo)軌上、面向直升機旋翼并分布在直升機旋翼的兩側(cè)，兩臺攝像機與圖形工作站相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便、安裝維修簡捷、工作穩(wěn)定可靠。
文檔編號G01B11/26GK101813467SQ20101015362
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者朱齊丹, 蔡成濤, 夏桂華, 王立輝, 張智, 姜邁, 鄧超 申請人:哈爾濱工程大學(xué)