複眼式球面視覺系統的標定裝置和標定方法與流程
2023-06-24 22:57:46
本發明屬於光學檢測領域，具體涉及一種複眼式球面視覺系統的標定裝置和標定方法。
背景技術：
隨著仿生學的發展，近幾年生物複眼在應用領域得到了越來越多的關注。複眼具有多通道同時成像和子眼曲面分布的結構特點以及較高的神經網絡集中處理能力，可以快速完成對運動物體進行高精度的探測、定位、測量等任務。利用生物複眼的該部分特性，國內外學者由此研製出各種複眼成像系統以及各種相類似的視覺成像系統。區別於生物複眼系統，人工類複眼視覺系統是由各分散部分組裝而成，因此在裝配時會出現各種裝配問題，尤其是裝配誤差的問題。裝配誤差作為一個必然因素，對於類複眼視覺系統的視軸位置，即各子眼與傳感系統相對位置的確定起著直接的關係，從而影響光路在傳感系統的成像質量，最終造成視覺系統不能對目標進行精確的捕捉定位。
對於類複眼視覺系統中的複眼式球面視覺系統，由於系統由六邊形的子眼曲面球殼模型搭配球形貼片組合式傳感器陣列組成，曲面球殼上的每個子眼透鏡對應球形貼片組合式傳感器上的一個微型貼片傳感器，從而控制子眼透鏡的視軸的相對位置，顯得尤為重要。通過對該視覺系統標定，了解相鄰傳感器視軸中心線間的夾角，可通過軟體設置來降低系統裝配誤差，提高視覺系統的信號採集質量，用於對目標的準確檢測。目前的標定裝置和標定方法不能實現較大範圍球面的一次性綜合安裝標定，標定精度低、成本高、效率低。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種複眼式球面視覺系統的標定裝置和標定方法。
為解決上述技術問題，本發明的實施例提供一種複眼式球面視覺系統的標定裝置，包括數據採集系統和角度調節裝置，其中，
所述角度調節裝置包括傳感器組件和機械調節機構，所述機械調節機構包括基座、設於基座上的滑動牆板機構和檢測樣板機構，所述滑動牆板機構包括滑設於基座左右兩側的兩牆板、橫置於兩牆板之間的搖臂、垂直設置於搖臂上的光源支撐架、設於牆板和基座之間的驅使牆板沿X軸移動的X向位置調節機構、與搖臂一端連接驅使其繞Y軸旋轉的Y軸旋轉角度調節機構、以及設於光源支撐架與搖臂之間的驅使光源支撐架沿Z軸移動的Z向位置調節機構，所述Y軸旋轉角度調節機構設於與之鄰近的牆板上，所述光源支撐架的下端設有光源；所述檢測樣板機構包括固設於基座上的支架、設於支架上的相對於基座可沿Y軸移動和繞Z軸轉動的微調平臺、以及安裝於微調平臺上的相對於基座可沿Z軸移動的可調支撐架，所述可調支撐架的頂端設有球面視覺系統；
所述傳感器組件包括角度傳感器A、直線位移傳感器B和角度傳感器C，所述角度傳感器A設於搖臂上，所述直線位移傳感器B設於光源支撐架上，所述角度傳感器C設於微調平臺上；
所述數據採集系統包括多通道數據採集卡和上位機，所述角度傳感器A、直線位移傳感器B和角度傳感器C分別通過導線與多通道數據採集卡的輸入端相連。
其中，所述球面視覺系統由沿球面分布的子眼傳感器陣列組成，每一所述子眼傳感器通過導線與多通道數據採集卡的輸入端相連。
其中，所述基座的左右兩側設有滑軌，所述牆板通過設於其下方的滑塊沿X向滑設於滑軌上。
其中，所述X向位置調節機構包括第一渦輪蝸杆傳動機構和第一齒輪齒條傳動機構，所述第一渦輪蝸杆傳動機構包括兩端分別與兩牆板固接的第一渦輪軸、設於第一渦輪軸上的第一渦輪、以及與第一渦輪嚙合的第一蝸杆，所述第一齒輪齒條傳動機構包括設於基座上的第一齒條、設於第一渦輪軸上並與第一齒條嚙合的第一齒輪。
其中，其中一所述牆板的外側設有第一蝸杆箱，所述第一渦輪和第一蝸杆設於第一蝸杆箱內，所述第一蝸杆的一端伸出第一蝸杆箱後與第一旋鈕相連。
進一步，所述基座的左右兩側各設有一塊所述第一齒條，每一所述牆板的內側對應地設有一所述第一齒輪。
其中，所述Y軸旋轉角度調節機構包括設於其中一牆板外側的第二渦輪蝸杆傳動機構、設於每一所述牆板內側的支撐塊，所述搖臂的兩端對應地與兩支撐塊同軸轉動連接，所述第二渦輪蝸杆傳動機構包括第二蝸杆、與第二蝸杆嚙合的第二渦輪、與第二渦輪同軸固定的第二渦輪軸，所述第二渦輪軸穿過牆板後與搖臂固定連接。
優選的，所述搖臂的端部與支撐塊之間通過軸瓦轉動連接。
優選的，所述搖臂為U形搖臂。
其中，所述牆板的外側設有第二蝸杆箱，所述第二渦輪和第二蝸杆設於第二蝸杆箱內，所述第二蝸杆的一端伸出第二蝸杆箱後與第二旋鈕相連。
其中，所述Z向位置調節機構包括設於搖臂上的第二齒輪和固設於光源支撐架上的第二齒條。
本發明實施例還提供一種利用上述的標定裝置的複眼式球面視覺系統的標定方法，包括如下步驟：
（1）將角度傳感器A設於搖臂上，直線位移傳感器B設於光源支撐架上，角度傳感器C設於微調平臺上，球面視覺系統設於可調支撐架的頂端，然后角度傳感器A、直線位移傳感器B、角度傳感器C和球面視覺系統的各子眼傳感器分別通過導線與數據採集系統的多通道數據採集卡的輸入端相連，其中，角度傳感器A採集的是搖臂繞Y軸的旋轉角度θ2，直線位移傳感器B採集的是光源距離球面視覺系統的距離d，角度傳感器C採集的是球面視覺系統繞Z軸的旋轉角度θ1；
（2）利用調節支撐架調整球面視覺系統在Z軸方向上的高度，使其與搖臂兩端部的旋轉軸線在同一水平面上；
（3）利用X向位置調節機構調整滑動牆板機構在X軸方向上的位置，至球面視覺系統的中心在搖臂兩端部的旋轉軸線上；
（4）利用微調平臺具有的沿Y軸移動的自由度進行微調，至球面視覺系統與光源支撐架下端的光源在Z軸方向上共軸；
（5）完成步驟（2）~（4）後，確定光源發出的平行光通過球面視覺系統的中心；
（6）球面視覺系統由沿球面分布子眼傳感器陣列組成，將每個子眼傳感器賦予一個特定的編號n，通過Z向位置調節機構調整光源在Z軸上與球面視覺系統的間距d，然後繞Z軸旋轉微調平臺，當球面視覺系統頂部的子眼傳感器信號達到最大值時，設定此時該子眼傳感器所在的視軸中心線角度為起始角度0º，繼續依次調節搖臂的旋轉角度θ2、球面視覺系統的旋轉角度θ1，標定球面視覺系統中沿球面分布的其他子眼傳感器的視軸方向；根據傳感器採集信號最強原則，當子眼傳感器採集到最強信號時，數據採集系統採集對應的搖臂的旋轉角度θ2、及球面視覺系統的旋轉角度θ1，將子眼傳感器的編號n與三個參數d、θ1和θ2以矩陣方式存儲，完成球面視覺系統的其中一個子眼傳感器的標定；
（7）通過手動調節光源與球面視覺系統的間距d、搖臂的旋轉角度θ2以及球面視覺系統的旋轉角度θ1，依次實現球面視覺系統中各子眼傳感器的標定。
本發明的上述技術方案的有益效果如下：相對於傳統的標定方法，本發明的優勢在於可以實現較大範圍球面的一次性綜合安裝標定，且在滿足精度需求的同時，實現更低的成本、更高的效率、更為簡便的操作。
附圖說明
圖1為本發明實施例一的結構示意圖；
圖2為實施例一中機械調節機構的結構示意圖；
圖3為實施例一中X向位置調節機構的結構示意圖；
圖4為實施例一中Y軸旋轉角度調節機構的結構示意圖；
圖5為實施例一中Z向位置調節機構的結構示意圖。
附圖標記說明：
1、上位機；2、基座；3、牆板；4、搖臂；5、光源支撐架；6、支架；7、微調平臺；8、可調支撐架；9、角度傳感器A；10、直線位移傳感器B；11、角度傳感器C；13、滑軌；14、滑塊；15、第一渦輪；16、第一蝸杆；17、第一渦輪軸；18、第一蝸杆箱；19、第一旋鈕；20、第一齒條；21、第一齒輪；22、支撐塊；23、第二蝸杆；24、第二渦輪；25、第二渦輪軸；26、第二蝸杆箱；27、第二旋鈕；28、第二齒輪；29、第二齒條；30、鎖緊螺釘；31、光源；32、球面視覺系統；33、導線。
具體實施方式
為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
如圖1所示，一種複眼式球面視覺系統的標定裝置，包括數據採集系統和角度調節裝置，其中，所述數據採集系統包括多通道數據採集卡（優選研華多通道數據採集卡）和上位機1，所述角度調節裝置包括傳感器組件和機械調節機構。
如圖2所示，所述機械調節機構包括基座2、設於基座2上的滑動牆板機構和檢測樣板機構，所述滑動牆板機構包括滑設於基座2左右兩側的兩牆板3、橫置於兩牆板3之間的搖臂4、垂直設置於搖臂4上的光源支撐架5、設於牆板3和基座2之間的驅使牆板3沿X軸移動的X向位置調節機構、與搖臂4一端連接驅使其繞Y軸旋轉的Y軸旋轉角度調節機構、以及設於光源支撐架5與搖臂4之間的驅使光源支撐架5沿Z軸移動的Z向位置調節機構。所述Y軸旋轉角度調節機構設於與之鄰近的牆板3（本實施例中為左側牆板）上，所述光源支撐架5的下端設有光源31。
所述檢測樣板機構包括固設於基座2上的支架6、設於支架6上的相對於基座2可沿Y軸移動和繞Z軸轉動的微調平臺7（即微調平臺具有相對於基座沿Y軸移動的自由度和繞Z軸轉動的自由度）、以及安裝於微調平臺7上的相對於基座2可沿Z軸移動的可調支撐架8（即可調支撐架具有相對於基座沿Z軸移動的自由度），所述可調支撐架8的頂端設有球面視覺系統32。
所述球面視覺系統32由沿球面分布子眼傳感器陣列組成，將每個子眼傳感器賦予一個特定的編號n。
所述傳感器組件包括角度傳感器A9、直線位移傳感器B10和角度傳感器C11，所述角度傳感器A9設於搖臂4上，所述直線位移傳感器B10設於光源支撐架5上，所述角度傳感器C11設於微調平臺7上。
所述角度傳感器A9、直線位移傳感器B10、角度傳感器C11和子眼傳感器分別通過導線33與多通道數據採集卡的輸入端相連，通過labview程序實現角度信號數據採集。
本實施例中，所述基座2的左右兩側設有滑軌13，左右側的兩塊牆板3通過設於其下方的滑塊14沿X向滑設於滑軌13上。
如圖3所示，所述X向位置調節機構包括第一渦輪蝸杆傳動機構和第一齒輪齒條傳動機構，所述第一渦輪蝸杆傳動機構包括兩端分別與兩牆板3固接的第一渦輪軸17、設於第一渦輪軸17上的第一渦輪15、以及與第一渦輪15嚙合的第一蝸杆16，所述第一渦輪15的外側設有與第一渦輪軸17卡接的卡環，防止第一渦輪15鬆動。
其中，所以第一渦輪軸17與左側牆板3外側通過法蘭蓋密封。右側牆板3的外側設有第一蝸杆箱18，所述第一渦輪15和第一蝸杆16設於第一蝸杆箱18內，所述第一蝸杆16的一端伸出第一蝸杆箱18後與第一旋鈕19相連，第一蝸杆16伸出第一蝸杆箱18處通過蓋板和法蘭蓋密封。
所述第一齒輪齒條傳動機構包括設於基座2左右側的各一塊第一齒條20、對應地設於第一渦輪軸17上並與第一齒條20嚙合的兩個第一齒輪21。
如圖1、圖4所示，所述Y軸旋轉角度調節機構包括設於左側牆板3外側的第二渦輪蝸杆傳動機構、設於每一牆板3內側的支撐塊22，所述搖臂4為U形結構，其兩端對應地與兩支撐塊22通過軸瓦同軸轉動連接。
所述第二渦輪蝸杆傳動機構包括第二蝸杆23、與第二蝸杆23嚙合的第二渦輪24、與第二渦輪24同軸固定的第二渦輪軸25，所述第二渦輪軸25穿過左側牆板3後與搖臂4固定連接。
其中，所述第二渦輪24的外側設有與第二渦輪軸25卡接的卡環，防止第二渦輪24鬆動。左側牆板3的外側設有第二蝸杆箱26，所述第二渦輪24和第二蝸杆23設於第二蝸杆箱26內，所述第二蝸杆23的一端伸出第二蝸杆箱26後與第二旋鈕27相連，第二蝸杆23伸出第二蝸杆箱26處通過蓋板和法蘭蓋密封。
如圖5所示，所述Z向位置調節機構包括設於搖臂4上的第二齒輪28和固設於光源支撐架5一側或上方的第二齒條29，本實施例中，第二齒條29和光源支撐架5為上下一體式結構。其中，搖臂4中部設有一箱體，第二齒輪28設於箱體內，其齒輪軸伸出箱體後與旋鈕連接。第二齒條29在Z向貫穿箱體，箱體上設有鎖緊螺釘30，用來鎖緊第二齒條29。
本發明結構設計合理可靠且使用方便，通過兩個蝸輪蝸杆機構、齒輪齒條機構以及一個微調平臺，實現了空間五自由度的微調，能夠快速實現球面視覺系統的標定需求，提高了標定的效率。
本發明實施例提供一種利用上述標定裝置的複眼式球面視覺系統的標定方法，包括如下步驟：
（1）將角度傳感器A設於搖臂上，直線位移傳感器B設於光源支撐架上，角度傳感器C設於微調平臺上，球面視覺系統設於可調支撐架的頂端，然后角度傳感器A、直線位移傳感器B、角度傳感器C和球面視覺系統的各子眼傳感器分別通過導線與數據採集系統的多通道數據採集卡的輸入端相連，其中，角度傳感器A採集的是搖臂繞Y軸的旋轉角度θ2，直線位移傳感器B採集的是光源距離球面視覺系統的距離d，角度傳感器C採集的是球面視覺系統繞Z軸的旋轉角度θ1；
（2）利用調節支撐架調整球面視覺系統在Z軸方向上的高度，使其與搖臂兩端部的旋轉軸線在同一水平面上；
（3）利用X向位置調節機構調整滑動牆板機構在X軸方向上的位置，至球面視覺系統的中心在搖臂兩端部的旋轉軸線上；
（4）利用微調平臺具有的沿Y軸移動的自由度進行微調，至球面視覺系統與光源支撐架下端的光源在Z軸方向上共軸；
（5）完成步驟（2）~（4）後，確定光源發出的平行光通過球面視覺系統的中心；
（6）球面視覺系統由沿球面分布子眼傳感器陣列組成，將每個子眼傳感器賦予一個特定的編號n，通過Z向位置調節機構調整光源在Z軸上與球面視覺系統的間距d，然後繞Z軸旋轉微調平臺，當球面視覺系統頂部的子眼傳感器信號達到最大值時，設定此時該子眼傳感器所在的視軸中心線角度為起始角度0º，繼續依次調節搖臂的旋轉角度θ2、球面視覺系統的旋轉角度θ1，標定球面視覺系統中沿球面分布的其他子眼傳感器的視軸方向；根據傳感器採集信號最強原則，當子眼傳感器採集到最強信號時，數據採集系統採集對應的搖臂的旋轉角度θ2、及球面視覺系統的旋轉角度θ1，將子眼傳感器的編號n與三個參數d、θ1和θ2以矩陣方式存儲，完成球面視覺系統的其中一個子眼傳感器的標定；
其中，理論角度：在不考慮製造安裝等誤差的條件下，球面視覺系統各子眼主視軸與其對應的小型貼片傳感器的中心軸重合。我們選定其中一個子眼對應的貼片傳感器中心軸所在角度為起始角度0°，其餘各貼片傳感器中心軸、子眼主視軸與其夾角為理論角度。
實際角度：由於各種誤差的存在，子眼主視軸會出現不同的角度偏差，貼片的安裝會出現偏差，兩者的安裝關係與理論條件下的設定數值也會產生各種差異。此時，我們同樣取其中一個子眼對應的貼片傳感器中心軸所在角度為起始角度0°（此處假設該子眼主視軸與其對應的貼片傳感器的中心軸重合），其餘各貼片傳感器中心軸、子眼主視軸與其夾角為實際角度。由於貼片傳感器的製造組合誤差對於視覺系統的標定幾乎沒有影響，所以實際的傳感器中心軸仍按理論位置計算，變化的只是子眼主視軸的位置。
起始角度確定：取複眼球殼上的一個子眼，通過平行光源照射，找出該子眼對應的貼片傳感器信號強度最大的點的位置，將其記為起始位置，角度為0°。
（7）通過手動調節光源與球面視覺系統的間距d、搖臂的旋轉角度θ2以及球面視覺系統的旋轉角度θ1，依次實現球面視覺系統中各子眼傳感器的標定。
以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。