高精度角度自动测量系统

　　对高精度角度测量系统,主要有三种实现方法:激光干涉法、自准直平行光法和光栅测量方法。激光干涉法测量精度虽高,但激光相位容易受环境因素(如空气扰动)的影响,光栅测量法结构复杂,适应性差,本文介绍一种在自准直平行光管测量角度的基础上进行改进,并采用先进的图像采集和计算机处理等现代化技术手段相结合的新方法。

　　1　测量原理

　　高精度角度自动测量系统的结构如图1所示:

　　　系统由自准直平行光管、CCD摄像机、图像采集卡和计算机四部分组成。自准直平行光管在系统中的作用相当于高精度的角度传感器,将被测角度量转换成平行光管焦平面上两对十字叉丝之间的距离值,焦平面的图像由CCD摄像并经图像采集卡采集后送入计算机进行图像识别和处理,从而得到高精度的角度测量值。

　　2　图像的识别和处理

　　本系统采集到的平行光管双十字叉线图像如图2所示,居中的一根为固定叉线,在测量过程中是固定不动的,另一根为测量叉线,是固定叉线经被测物体反射回来的像。

　　图2中亮线附近(垂直于亮线方向)的光强经图像采集后的分布如图3所示,这样的曲线用普通的图像识别方法虽能得到最大光强的位置,但误差为±1个像素。为了减小这种误差,我们采用对光强数据进行拟合的方法得到最大光强的准确位置。对图3中的曲线,无论从理论和实验分析,中心部分都可用如下的高斯函数表示:

　　式中I0———背景光强

　　对(1)式两边取自然对数,可得到如下(2)式:

　　对光强分布利用最小二乘法进行拟合,由此得到最大光强的准确坐标位置(相对于中心n=0位置的偏移量)。经拟合后得到的a、b值和偏移量为:

　　按此方法对固定十字叉线水平亮线上的每一点进行拟合,得到亮线上每一点最大光强处坐标(相对于固定十字叉线中心原点)如下:

　　然后再在此基础上对水平亮线上的每一点利用最小二乘法进行直线拟合,即可得到水平亮线的直线方程。

　　设水平亮线的直方程为:x=A1y+B1,利用最小二乘法,可得到A1、B1的系数如下:

　　对固定十字叉线中的垂直亮线上的每一点,可用同样的方法处理,结果如下:

　　设垂直亮线的直线方程为:y=C1x+D1,用最小二乘法拟合后的系数如下:

　　从固定十字叉线的水平亮线和垂直亮线方程,可求出此十字线交叉位置的精确坐标,设此坐标为(x1、y1)则:

　　对测量十字叉线作同样的处理,得到的中心坐标(x2,y2)为: