一种非接触式角度测量系统及其方法与流程

本发明属于非接触测量技术领域，具体涉及一种用于伺服控制系统的非接触式角度测量系统及其测量方法。

背景技术：

角度传感器广泛应用于汽车、机械、航空、航天、航海、工业自动化等领域。目前伺服控制系统常用的角度测量装置是旋转变压器，旋转变压器是一种输出电压随转子转角以一定规律变化的角度测量装置，外形结构和电机相似，有定子和转子，从原理上看，是一种可以旋转的变压器，原变和副边在定子和绕组上，原、副绕组之间的电磁耦合程度与转子和转角有关，因此输出电压和转角有关。

由于其输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。所以该装置应用较广。但其输出信号解码复杂，需要和被测对象连接且需要一定的安装空间，随着使用时间的增长，会存在机械磨损、精度降低等问题，也限制了其应用范围，尤其是在测量柔性材料的旋转角度或者在某些特殊环境(如高温、高压，水中)以及对安装空间有一定限制的情况下时，该旋转变压器式角度测量装置已不能满足需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于一种用于伺服控制系统的非接触式角度测量系统及其测量方法，该测量系统及方法能够测量柔性试件，在恶劣环境下如高温高压以及对水下的被测对象进行测量。

实现本发明目的的技术方案：一种非接触式角度测量系统，该系统包括CCD 相机、USB数据线、计算机、工作平台和被测对象，CCD相机、计算机和被测对象放置在工作平台上，计算机通过USB数据线与CCD相机连接，CCD相机的镜头对准被测对象。

所述的CCD相机与工作平台之间设有CCD相机三脚架。

所述的工作平台包括第一工作平台和第二工作平台，CCD相机和计算机放置在第一工作平台上，被测对象放置在第二工作平台上。

一种非接触式角度测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1)在被测对象的旋转轴表面上做小标记点A、大标记点B；

步骤(2)计算机通过USB数据线控制CCD相机采集含有小标记点A、大标记点B的旋转轴的端面图像，并通过USB数据线读取所采集的图像；

步骤(3)计算机获得含有小标记点A、大标记点B的旋转轴的端面图像后，进行图像处理；

步骤(4)采用二值化法，获得上述步骤(3)中得到的小标记点A、大标记点B区域的圆心，得到小标记点A的中心坐标(x1、y1)、大标记点B的中心坐标(x2、y2)；

步骤(5)将上述步骤(4)中得到的小标记点A的中心坐标(x1、y1)、大标记点B的中心坐标(x2、y2)，带入下述公式(2)得到被测对象的角度β，完成了被测对象的非接触式角度测量；

所述的步骤(3)中的图像处理具体包括以下步骤：

步骤(3.1)对图像进行滤波处理，使得图像边缘增强；

步骤(3.2)对上述步骤(3.1)中进行滤波处理后图像进行二值化分割；

步骤(3.3)对上述步骤(3.2)中进行二值化分割后的图像进行闭运算，去 除标记点A、B区域的噪声；

步骤(3.4)对上述步骤(3.3)中闭运算后图像的连通区域进行筛选，只保留小标记点A、大标记点B区域，即从原始图像中提取标记点图像。

所述的步骤(4)中获取标记点中心坐标的具体方法如下：

对一幅大小为M×N的二值化图像，设像素点的坐标值为(i，j)，设标记闭区域的像素值为1，区域外的像素值为0，标记闭区域内的其总像素为k，根据如下公式(1)得到像圆形标记点二值化图像中闭区域的中心点(x，y)：

所述的步骤(4)中小标记点A的的圆心坐标大标记点B的圆心坐标

本发明的有益技术效果：(1)非接触式无损测量，不需要任何安装空间，测试灵活、方便。(2)测试精度高，线性度好，采用分辨率为1024×1024的CCD相机分辨率可达39x10^-6。(3)环境适应性强，测试范围广，除了能在常规环境下测试外，还可以应用于高温，高压，水下等极端环境中进行测试。(4)系统结构简单，只需一台普通的CCD相机和一台普通的计算机以及一根普通的USB数据线，除此之外不需要任何外围电路及连接导线，成本低廉且维护方便。

附图说明

图1为本发明所提供的一种非接触式角度测量系统的结构示意图；

图2为本发明所提供的图像处理的流程图；

图3为本发明所提供的求被测对象标记点的二值化标记图；

图4为本发明所提供的被测对象的角度示意图。

图中：1.CCD相机，2.CCD相机三脚架，3.USB数据线，4.计算机，5.第一 工作平台，6.第二工作平台，7.被测对象，7a.被测对象旋转轴，A.小标记点，B.大标记点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所提供的一种非接触式角度测量系统包括CCD相机1、CCD相机三脚架2、USB数据线3、计算机4、第一工作平台5、第二工作平台6，CCD相机三脚架2放置在第一工作平台5上，CCD相机1固定在CCD相机三脚架2上；计算机4放置在第一工作平台5的另一个位置上，计算机4通过USB数据线3与CCD相机1连接；被测对象7为伺服控制系统，被测对象7底部放置在第二工作平台6，CCD相机1的镜头对准被测对象7的旋转轴7a。

如图1所示，本发明所提供的一种非接触式角度测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1)在被测对象7的旋转轴7a表面上做小标记点A、大标记点B

小标记点A和大标记点B为大小不等的圆形标记点，两个标记点用于在图像处理中进行位置信息的获取，两个标记点的颜色需要于被测对象的表面颜色有明显区别，以保证标记点的精确提取。

步骤(2)计算机4通过USB数据线3控制CCD相机1采集含有小标记点A、大标记点B的旋转轴7a的端面图像，并通过USB数据线3读取所采集的图像。

如图2所示，步骤(3)计算机4获得含有小标记点A、大标记点B的旋转轴7a的端面图像后，进行图像处理，图像处理具体包括以下步骤：

步骤(3.1)对图像进行滤波处理，使得图像边缘增强；

步骤(3.2)对上述步骤(3.1)中进行滤波处理后图像进行二值化分割；

步骤(3.3)对上述步骤(3.2)中进行二值化分割后的图像进行闭运算，去除标记点A、B区域的噪声；

步骤(3.4)对上述步骤(3.3)中闭运算后图像的连通区域进行筛选，只保留小标记点A、大标记点B区域，即从原始图像中提取标记点图像。

步骤(4)如图3所示，采用二值化法，获得上述步骤(3)中得到的小标记点A、大标记点B区域的圆心，得到小标记点A的中心坐标(x1、y1)、大标记点B的中心坐标(x2、y2)；

图3中给出了一个标记点圆心的二值化标记图。采用二值化法求圆形标记点的圆心坐标。

如图3所示，对于一幅大小为M×N的二值化图像，设像素点的坐标值为(i，j)(0<i<M，0<j<N)，设标记闭区域的像素值为1，区域外的像素值为0，标记闭区域内的其总像素个数为k，根据如下公式(1)得到像圆形标记点二值化图像中闭区域的中心点(x，y)，即为标记点中心坐标；

其中，

i为图像中某一像素点在图像中的横坐标值，

,j为图像中某一像素点的纵坐标值；

m,n为图像的大，单位为像素；如果图像的大小为M×N,即表明该图像的宽度为m个像素,高度为n个像素；

K为相关像素的总个数。

小标记点A的二值化图像为M_A×N_A，设其像素点的坐标值为(i_A，j_A)(0<i_A<M_A，0<j_A<N_A)，则小标记点A的圆心坐标

大标记点B的二值化图像为M_B×N_B，设其像素点的坐标值为(i_B，j_B)(0<i_B<M_B，0<j_B<N_B)，则大标记点B的圆心坐标

其中，

i_A为图像中A像素点在图像中的横坐标值,

j_A为图像中A像素点的纵坐标值；

M_A为图像中A像素点的宽度，N_A为图像中A像素点的高度；

K_A为A像素点的总个数。

I_B为图像中B像素点在图像中的横坐标值,

J_B为图像中B像素点的纵坐标值；

M_B为图像中B像素点的宽度，N_B为图像中B像素点的高度；

k_B为B像素点的总个数。

步骤(5)如图4所示，将上述步骤(4)中得到的小标记点A的中心坐标(x1、y1)、大标记点B的中心坐标(x2、y2)；带入下述公式(2)得到被测对象7的角度β，完成了被测对象7的非接触式角度测量。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。