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光纤环绕制长度实时测量技术

作　者: 郭晨霞
导　师: 杨瑞峰
学　校: 中北大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 光纤环绕制视觉测量实时长度测量视觉系统标定运动目标检测
分类号: TH711
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

光纤环是干涉型光纤陀螺中传播两相向光波来产生SAGNAC相位差的部件，它由多匝光纤线圈绕制而成。光纤环的绕制长度及平均直径大小是影响光纤陀螺性能的重要因素，在光纤环的生产过程中，对光纤环的绕制长度进行精确测量既是光纤陀螺生产过程中的一个必要环节，也是精度保证的必要条件，因此开展光纤长度实时精确测量技术的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。论文针对光纤的物理特性和光纤环的绕制特点，利用机器视觉非接触式测量方法，建立了光纤环绕制长度实时精确测量系统，解决了有骨架光纤环绕制长度的实时精确测量问题。基于在线测量对测量系统精度和速度的要求，论文从理论研究和实际应用两个方面，对基于视觉测量技术的光纤环绕制长度测量方法进行了深入研究，并对测量方法及相关处理算法进行了实验，验证了测量系统的可行性和实用性。论文主要研究内容及成果如下：1）根据透镜成像原理，结合光纤环绕制的特点及精确定位光纤成像位置的要求，建立了视觉成像系统；对系统的组成及构建过程中的软件设计、相机选择及固定方式等问题进行了科学分析。2）研究了视觉测量过程中的系统标定问题。基于多个自由平面的标定方法，针对光纤成像后形状特征，改进了常用的张正友标定方法，提出了更贴近被测物形状的圆阵列靶标标定摄像机内部参数的方法，且将圆阵列靶标置于与光纤环同轴的平面上标定摄像机外部参数，使得摄像机的成像模型适用于光纤长度测量，提高了光纤环绕制长度测量系统的测量精度。3）针对圆阵列靶标模板提出了相对应的标定特征点提取方法，并解决了标定特征点在成像后的坐标位置与其在世界坐标系中位置的对应问题。采用canny边缘检测算子提取平面靶标中圆阵列的轮廓、最小二乘椭圆拟合法求取椭圆的长、短半轴以及Hough变换累计数组方式提取圆阵列靶标上所有标定特征点的坐标。4）针对紧密绕制的光纤环成像图像难以用肉眼分辨成像清晰度的问题，在调整镜头焦距判断是否清晰成像的过程中引入图像清晰度评价方法来实时处理图像，确定清晰成像的聚焦位置，指导设置后续的光纤绕制图像采集参数。通过对准平面的合理选取，解决了光纤环绕制过程中随着绕制层数的增加导致光纤环绕制图像的清晰度与视觉系统景深之间的矛盾。5）针对光纤环绕制过程的特点，对传统运动目标检测方法进行了改进，使其适用于实时检测跟踪光纤环绕制图像。利用边缘检测算法，得到清晰反映新绕制的光纤位置图像，便于后续计算。6）针对光纤材质的特性及绕制过程中出现的绕制缺陷导致长度测量不准确的问题，提出采用光学几何成像方法精确测量光纤环绕制长度的方法。通过测量已知精确直径的光纤环承载主轴的直径，计算系统测量误差，验证了光纤环绕制长度测量方法的正确性。在解决以上关键技术问题的基础上，给出了光纤环绕制长度实时测量系统的测量精度为±0.076mm。

全文目录

摘要  7
Abstract  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-24
  1.1 课题背景及意义  12-15
  1.2 机器视觉测量技术及其应用  15-21
    1.2.1 实时高精度尺寸测量  16-19
    1.2.2 特征提取  19-20
    1.2.3 视觉系统标定  20-21
  1.3 光纤环绕制长度测量方法  21-22
  1.4 论文研究内容  22-24
第二章机器视觉测量系统  24-36
  2.1 机器视觉测量系统的功能要求  24
  2.2 机器视觉测量系统的构成  24-33
    2.2.1 测量系统的硬件构成  26-32
    2.2.2 测量系统的软件构成  32-33
  2.3 机器视觉测量系统的关键问题  33-35
  2.4 小结  35-36
第三章视觉系统的标定  36-59
  3.1 摄像机成像模型  36-45
    3.1.1 透镜成像与针孔成像  36-38
    3.1.2 成像坐标系统  38-39
    3.1.3 各坐标系统变换关系  39-42
    3.1.4 摄像机线性模型  42-43
    3.1.5 畸变误差模型  43-45
  3.2 标定算法  45-55
    3.2.1 摄像机标定方法  45-46
    3.2.2 摄像机线性模型参数确定  46-53
    3.2.3 摄像机非线性参数获取  53-55
  3.3 标定实验及误差分析  55-58
    3.3.1 标定实验  56-57
    3.3.2 实验结果及误差分析  57-58
  3.4 小结  58-59
第四章光纤环绕制长度测量特征提取算法研究  59-72
  4.1 基于 Canny 算法的圆阵列轮廓提取  59-66
    4.1.1 梯度  59-60
    4.1.2 Canny 边缘检测算子  60-66
  4.2 基于 Hough 变换的标定特征点提取算法  66-71
    4.2.1 Hough 变换基本原理  66-67
    4.2.2 图像空间中标定特征点的提取  67-71
  4.3 圆靶标特征点定位  71
  4.4 小结  71-72
第五章光纤环绕制长度实时测量方法研究  72-98
  5.1 基于图像清晰度评价的视觉系统定焦方法  72-81
    5.1.1 图像清晰度对边缘提取的影响  73-75
    5.1.2 图像预处理  75-78
    5.1.3 图像清晰度评价方法  78-81
  5.2 基于运动目标检测和相关算法的光纤环绕制图像特征提取  81-89
    5.2.1 传统运动目标检测算法基本原理  82-83
    5.2.2 实时光纤绕制位置图像提取算法  83-85
    5.2.3 光纤环绕制图像边缘检测  85-89
  5.3 实时光纤环绕制长度测量方法及误差分析  89-97
    5.3.1 基于几何光学变换的光纤环绕制长度测量原理  89-92
    5.3.2 基于精确测量的摄像机外部参数标定  92-93
    5.3.3 光纤长度实时测量过程  93-96
    5.3.4 测量误差分析  96-97
  5.4 小结  97-98
第六章总结与展望  98-100
  6.1 论文工作总结  98-99
  6.2 未来工作展望  99-100
参考文献  100-107
攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果  107-108
致谢  108-109

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