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光学标定装置的自动调整方法研究

作　者: 赵智明
导　师: 宋开臣；谢英俊
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子控制工程
关键词: 光学标定自动调整平行光管调整方法误差分析
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

机器人视觉仪器由于机械安装引起的光学坐标系与机械基准坐标系之间的微小的角度误差可以通过高精度标定修正。针对光学标定装置的调整问题，本文提出了一种角秒级精度的自动调整方法。光学标定装置的自动控制是高精度光学测量的发展趋势。自准直平行光管是光学实验和计量检测的重要设备，本文对平行光管光学标定装置采用了自动调整的方法，并对调整的精度提高进行了理论分析。全文分为六章。第一章绪论部分，对光学自动调整方法的现状和发展进行了综述，阐述了课题意义，分析了课题难点并提出解决方案。第二章以自动调整系统的应用对象-光学标定装置的功能和工作原理为出发点，引出了光学调整系统的功能要求，并对光学调整系统主要组成器件的选型精度以及需要实现的功能作了说明，为调整方法的提出做好了硬件上的准备。同时本章是误差分析中的器件精度分析的基础。第三章先介绍了电机控制系统的组成，根据电控支架的结构建立了调整系统的数学模型，推导了调整量的大小，分析了平行光管坐标系处于理想位置和实际位置时的情况，提出了具体的调整方法和步骤。最后给出了调整的软件流程图。第四章首先分析了系统的自动调整与手动调整相比，提高精度的方法。步进电机的驱动器采用细分可以提高步进电机的进给分辨率，从而提高调整支架的角度分辨率。摄像机光学畸变的修正以及图像处理的亚像素定位方法，减小了目标图像的定位误差，提高了系统的测量和调整的精度。然后介绍了误差的来源和性质，对每一误差的影响进行了分析。最后采用系统误差算数相加，随机误差均方相加的方法合成总误差。第五章设计实验，检测系统调整的精度，包括电控支架的分辨率、重复性精度以及系统调整完成后，三轴转台的台面轴和平行光管的光轴之间的平行度。第六章对全文总结，概述了当前存在的问题及今后需要改进的地方。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
目录  6-9
第一章绪论  9-14
  1.1 引言  9
  1.2 光学自动调整方法的发展及现状  9-12
  1.3 课题目的及意义  12
  1.4 技术路线  12-13
    1.4.1 难点问题  12
    1.4.2 解决方案  12-13
  1.5 本章小结  13-14
第二章光学调整系统的原理和组成  14-35
  2.1 引言  14
  2.2 光学标定装置的功能、原理与设计  14-17
    2.2.1 光学标定装置的功能与组成  14
    2.2.2 光学标定装置的工作原理  14-17
  2.3 光学调整系统组成器件的选型  17-34
    2.3.1 自准直平行光管  17-20
    2.3.2 反射镜  20-23
    2.3.3 CMOS摄像机  23-24
    2.3.4 三轴转台  24-25
      2.3.4.1 转台功能描述  24
      2.3.4.2 转台设计指标  24-25
    2.3.5 电控位移台  25-27
    2.3.6 电子水平仪  27-29
      2.3.6.1 功能原理  27-28
      2.3.6.2 使用方法  28-29
    2.3.7 步进电机  29-32
      2.3.7.1 步进电机的功能原理  29-30
      2.3.7.2 步进电机的选型  30-32
    2.3.8 控制柜内部器件  32-34
  2.4 本章小结  34-35
第三章调整方法的研究  35-50
  3.1 引言  35
  3.2 电机控制系统的组成  35-36
  3.3 调整方法的研究  36-44
    3.3.1 调整系统的数学模型  36-38
    3.3.2 调整原理  38
    3.3.3 平行光管处于理想位置时的调整角度的量化分析  38-41
    3.3.4 平行光管处于实际位置时的调整角度的量化分析  41-44
    3.3.5 α、β与φ、θ之间的关系  44
  3.4 调整步骤  44-47
    3.4.1 反射镜和平行光管的调整  44-45
    3.4.2 δ值的确定  45
    3.4.3 预调整及偏出调整  45-47
  3.5 软件流程图  47-49
    3.5.1 总体调整流程图  47-48
    3.5.2 偏出调整模块流程图  48-49
    3.5.3 平行光管调整模块流程图  49
  3.6 本章小结  49-50
第四章系统的精度分析  50-63
  4.1 引言  50
  4.2 自动调整提高调整分辨率  50-52
    4.2.1 电控支架的分辨率  50-51
    4.2.2 步进电机的调速启动与停止  51-52
  4.3 图像处理提高定位精度  52-55
    4.3.1 亚像素定位技术  52-54
      4.3.1.1 亚象素算法的基本原理  52-53
      4.3.1.2 象素算法的选用条件  53-54
    4.3.2 实际图像的亚像素中心定位  54-55
  4.4 数字摄像机的光学畸变的修正  55-57
  4.5 误差分析  57-62
    4.5.1 误差的来源和性质  57-59
      4.5.1.1 器件精度  57-58
      4.5.1.2 加工与安装误差  58
      4.5.1.3 算法误差  58
      4.5.1.4 其它误差  58-59
    4.5.2 误差分析  59-61
      4.5.2.1 三轴转台的台面轴误差  59-60
      4.5.2.2 图像处理误差  60
      4.5.2.3 反射镜平面度误差  60
      4.5.2.4 分辨率误差  60-61
      4.5.2.5 其它误差  61
    4.5.3 误差合成  61-62
  4.6 本章小结  62-63
第五章精度检测实验  63-71
  5.1 引言  63
  5.2 电控支架的分辨率检定实验  63
  5.3 电控支架的重复性检定实验  63-64
  5.4 调整系统刚度实验  64-67
    5.4.1 平行光管理想位置时的运动图像  65
    5.4.2 平行光管实际位置时的运动图像  65-66
    5.4.3 两位置时的图像运动轨迹对比  66-67
  5.5 系统精度检验实验的设计  67-70
    5.5.1 实验目的  67
    5.5.2 实验条件  67
    5.5.3 实验原理和步骤  67-70
    5.5.4 实验的误差分析  70
    5.5.5 实验的预期结论  70
  5.6 本章小结  70-71
第六章结论与展望  71-72
  6.1 研究总结  71
  6.2 相关展望  71-72
参考文献  72-76
致谢  76-77

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