[发明专利]一种基于单目视觉的高精度微小旋转角度测量方法

说明书

本发明公开了一种基于单目视觉的高精度微小旋转角度测量方法，该方法包括：采用一种由等角度间隔12条直线构成的圆形特征标志，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，且相机视场中只包含具有3条直线的部分特征标志，提升图像中直线特征的边缘清晰度；然后基于LSD线检测方法实现直线边缘的高精度提取，获取图像中每条直线两条边缘的端点坐标；计算每条直线两边缘斜率均值作为该直线的斜率，分别求取基准位置3条直线的斜率及旋转位置对应直线斜率，利用反正切三角函数解算每条直线在旋转位置相对于基准位置的旋转角度，3条直线的旋转角度的均值即为测量的旋转角度。相本方法具有精度高、成本低、易实现等特点。

技术领域

本发明属于计量及测量控制技术领域，尤其适用于旋转角度测量中微小角度测量。

背景技术

随着科学技术的发展，微小角度测量在工业生产、航空航天等领域有着广泛的应用，为更好地满足微小角度测量更高精度、速度的需求，提出一种精确、快速、便捷的微小角度测量方法有着重要的意义。

目前，旋转角度测量方法可以分为接触测量方法及非接触测量方法。其中接触测量方法包括机械测量方法和电磁测量方法等，机械测量方法通常需要在被测对象上附加额外的机械结构，会影响对象本身的运动状态，导致测量精度低。由于机械结构本身的制造及安装误差，机械测量法不适用于微小角度测量。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，在测量精度上有了显著的提升。上述的两种测量方法都需要与被测对象接触，在微小角度测量中存在精度不高的问题。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。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。但光学测量方法的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。基于机器视觉的角度测量测量技术以其精度高、成本低、易实现的特点，在角度测量技术领域中占有了重要地位。

因此，针对于目前的微小角度测量方法的测量精度有限、过程繁琐及系统成本高等不足，本发明提出一种高精度、低成本、便捷的基于单目视觉的微小旋转角度测量方法。

发明内容

本发明提出一种高精度、低成本、便捷的基于单目视觉的微小旋转角度测量方法，包括：

采用一种由等角度间隔12条直线构成的圆形特征标志，该特征标志紧固于转台的旋转面，与旋转面具有相同的旋转角度。摄像机采集部分特征标志的旋转序列图像，图像中只包含具有3条直线的部分特征标志图案，提升图像中直线特征的边缘清晰度，避免引入其它干扰直线影响检测结果；

基于LSD线检测方法实现直线边缘的高精度提取，获取图像中每条直线两条边缘的端点坐标；

计算每条直线两边缘斜率均值作为该直线的斜率，分别求取基准位置3条直线的斜率及旋转位置对应直线斜率，利用反正切三角函数解算每条直线在旋转位置相对于基准位置的旋转角度，3条直线的旋转角度的均值即为测量的旋转角度。

进一步地，所述采集部分特征标志旋转序列图像，具体包括：

特征标志紧固于转台的旋转面，其圆心与旋转面中心重合，使特征标志上直线特征随旋转面旋转且二者具有相同的旋转角度。调整摄像机位置，使其具有3条直线的部分特征标志充满相机视场，采集部分特征标志的旋转序列图像。采集的图像只包含部分特征标志的直线特征与白色背景，提升直线特征的边缘清晰度，避免引入其他相似边缘或直线干扰图像处理结果。

进一步地，对于采集的部分特征标志旋转序列图像T_i(x,y)，其中i＝1,2,…,N，N为采集到的旋转序列图像数，利用LSD线检测方法实现图像中3条直线的6条特征边缘提取。首先，通过高斯降采样将采集图像T_i(x,y)进行缩放，得到缩放后图像F_i(x,y)，则像素点(x,y)梯度值为：