一种用于测量陀螺仪静平衡的基于单目原理的六自由度位姿测量装置

摘要

本发明公开了一种用于测量陀螺仪静平衡的基于单目原理的六自由度位姿测量装置，该测量装置包括有用于采集被测试样(40)的X轴方向上图像信息的X轴图像采集组件(10)、用于采集被测试样(40)的Y轴方向上图像信息的Y轴图像采集组件(20)、用于采集被测试样(40)的Z轴方向上图像信息的Z轴图像采集组件(30)、以及支撑架(1)和背景板。X轴图像采集组件(10)、Y轴图像采集组件(20)和Z轴图像采集组件(30)安装在支撑架(1)的外部，背景板安装在支撑架(1)的内部。本发明测量装置通过三个摄像头对被测试样(40)进行正视图、侧视图和俯视图的采集，无需和被测试样产生直接接触，因此不会对被测试样的姿态变化产生干扰，对于提高测量精度及其有利。

说明书

技术领域

本发明涉及一种静平衡的测量装置，更特别地说，是指一种基于单目原 理的、用于测量陀螺仪静平衡六自由度位姿的测量装置。

背景技术

陀螺仪工作原理：基于高速旋转刚体的运动轴所指的方向在不受外力影 响时，相对于惯性空间是不会改变的。它能利用高速回转体的动量矩测量壳体相对惯 性空间内的绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动的特殊检测装置。由于其检测结 果不依赖于外界参考信号，陀螺仪在航空、航天、航海以及陆地自主导航上存在着广 泛和难以替代的作用。

陀螺仪的质量不平衡会使其输出信号产生很大的零位误差(零漂)，而零 位误差是影响惯性系统性能的最重要因素之一。因此，在陀螺仪的生产过程中，必须 对其进行静平衡测试。传统的静平衡测试都是人工基于肉眼或者经纬仪实施，精度很 难得到保证，生产效率也十分低。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于测量陀螺仪静平衡的基于单目原理的六自 由度位姿测量装置，该静平衡测量装置通过在三个方向对陀螺仪转子进行图像跟踪和 识别，从而实现对陀螺仪转子的非接触式、高精度、高速实时测量。

本发明的一种用于测量陀螺仪静平衡的基于单目原理的六自由度位姿测 量装置，该测量装置包括有用于采集被测试样(40)的X轴方向上图像信息的X轴图 像采集组件(10)、用于采集被测试样(40)的Y轴方向上图像信息的Y轴图像采集 组件(20)、用于采集被测试样(40)的Z轴方向上图像信息的Z轴图像采集组件(30)、 以及支撑架(1)和背景板；其中，X轴图像采集组件(10)、Y轴图像采集组件(20) 和Z轴图像采集组件(30)的结构相同；

支撑架(1)为一框形结构，支撑架(1)的第一板面(1A)的外侧上安 装有第一丝杠架(11)；支撑架(1)的第二板面(1B)的外侧上安装有第三丝杠架(13)； 支撑架(1)的第三板面(1C)的内侧上安装有第一背景板(2)；支撑架(1)的第四 板面(1D)的内侧上安装有第三背景板(3)；支撑架(1)的底板面(1E)上安装有 第三背景板(4)；支撑架(1)的上顶上安装有第五丝杠架(15)；

X轴图像采集组件(10)包括有第一丝杠架(11)、第一丝杠(11B)、第 一电机(11A)、第二丝杠架(12)、第二丝杠(12B)、第二电机(12A)、第一滑块(21)、 第二滑块(22)和第一摄像头(17)；所述第一摄像头(17)用于采集被测试件(40) 的正视图；

第一丝杠(11B)的一端安装在第一丝杠架(11)的A侧板(11C)的A 滚珠轴承(11E)内，该A滚珠轴承(11E)安装在A侧板(11C)的A通孔(11F)内； 第一丝杠(11B)的另一端通过联轴器与第一电机(11A)的输出轴连接；第一电机(11A) 安装在第一丝杠架(11)的B侧板(11D)上；

第二丝杠(12B)的一端安装在第二丝杠架(12)的A侧板(12C)的B 滚珠轴承(12E)内，该B滚珠轴承(12E)安装在A侧板(12C)的B通孔(12F)内， 第二丝杠(12B)的另一端通过联轴器与第二电机(12A)的输出轴连接；第二电机(12A) 安装在第二丝杠架(12)的B侧板(12D)上；

第一滑块(21)安装在第二丝杠架(12)的背部，且第一滑块(21)上 的中心丝杠孔用于第一丝杠(11B)穿过；第二滑块(22)上安装有第一摄像头(17)， 且第二滑块(22)上的中心丝杠孔用于第二丝杠(12B)穿过；

Y轴图像采集组件(20)包括有第三丝杠架(13)、第三丝杠(13B)、第 三电机(13A)、第四丝杠架(14)、第四丝杠(14B)、第四电机(14A)、第三滑块(23)、 第四滑块(24)和第三摄像头(18)；所述第三摄像头(18)用于采集被测试件(40) 的侧视图；

第三丝杠(13B)的一端安装在第三丝杠架(13)的A侧板(13C)的C 滚珠轴承(13E)内，该C滚珠轴承(13E)安装在A侧板(13C)的C通孔(13F)内， 第三丝杠(13B)的另一端通过联轴器与第三电机(13A)的输出轴连接；第三电机(13A) 安装在第三丝杠架(13)的B侧板(13D)上；

第四丝杠(14B)的一端安装在第四丝杠架(14)的A侧板(14C)的D 滚珠轴承(14E)内，该D滚珠轴承(14E)安装在A侧板(14C)的D通孔(14F)内， 第四丝杠(14B)的另一端通过联轴器与第四电机(14A)的输出轴连接；第四电机(14A) 安装在第四丝杠架(14)的B侧板(14D)上；

第三滑块(23)安装在第四丝杠架(14)的背部，且第三滑块(23)上 的中心丝杠孔用于第三丝杠(13B)穿过；第四滑块(24)上安装有第二摄像头(18)， 且第四滑块(24)上的中心丝杠孔用于第四丝杠(14B)穿过；

Z轴图像采集组件(30)包括有第五丝杠架(15)、第五丝杠(15B)、第 五电机(15A)、第六丝杠架(16)、第六丝杠(16B)、第六电机(16A)、第五滑块(25)、 第六滑块(26)和第三摄像头(19)；所述第三摄像头(19)用于采集被测试件(40) 的俯视图；

第五丝杠(15B)的一端安装在第五丝杠架(15)的A侧板(15C)的E 滚珠轴承(15E)内，该E滚珠轴承(15E)安装在A侧板(15C)的E通孔(15F)内， 第五丝杠(15B)的另一端通过联轴器与第五电机(15A)的输出轴连接；第五电机(15A) 安装在第五丝杠架(15)的B侧板(15D)上；

第六丝杠(16B)的一端安装在第六丝杠架(16)的A侧板(16C)的F 滚珠轴承(16E)内，该F滚珠轴承(16E)安装在A侧板(16C)的F通孔(16F)内， 第六丝杠(16B)的另一端通过联轴器与第六电机(16A)的输出轴连接；第六电机(16A) 安装在第六丝杠架(16)的B侧板(16D)上；

第五滑块(25)安装在第六丝杠架(16)的背部，且第五滑块(25)上 的中心丝杠孔用于第五丝杠(15B)穿过；第六滑块(26)上安装有第三摄像头(19)， 且第六滑块(26)上的中心丝杠孔用于第六丝杠(16B)穿过。

所述的用于测量陀螺仪静平衡的基于单目原理的六自由度位姿测量装 置，其六个电机的运动方式为：通过第一电机(11A)和第二电机(12A)分别控制第 一丝杠(11)和第二丝杠(12)产生同步运动，从而推动第一滑块(21)和第二滑块 (22)，使第一摄像头(17)产生Y和Z方向上的联动；通过第三电机(13A)和第四 电机(14A)分别控制第三丝杠(13)和第四丝杠(14)产生同步运动，从而推动第 三滑块(23)和第四滑块(24)，使第二摄像头(18)产生X和Y方向上的联动；通 过第五电机(15A)和第六电机(16A)分别控制第五丝杠(15)和第六丝杠(16)产 生同步运动，从而推动第五滑块(25)和第六滑块(26)，使第三摄像头(19)产生 X和Z方向上的联动。

本发明基于单目原理的六自由度位姿测量装置的优点在于：

(1)由于本测量装置基于视觉测量，无需和被测试样(陀螺仪)产生直 接接触，因此不会对被测试样的姿态变化产生干扰，对于提高测量精度极其有利。

(2)由于目前视觉测量技术能达到亚像素的级别，利用该技术设计的静 平衡测量装置的精度远远高于目前的人工测量方法。

(3)该测量装置能实现陀螺仪转子的动态、高速、实时测量，对于提高 检测以及生产效率有巨大帮助。

(4)采用空腔六面体结构的支撑架作为空间位置定位，以及三个丝杠架 与支撑架的垂直安装，保证了分布在三个轴位置上的摄像头对图像信息(正视图、侧 视图、俯视图)的采集。

(5)每个轴上的两个丝杠架采用两两垂直安装，有利于安装在丝杠架上 的摄像头在安装面内运动，从而实现不同视角的图像采集。

附图说明

图1是本发明静平衡测量装置的结构图。

图1A是未装配支撑架的本发明静平衡测量装置的结构图。

图1B是本发明支撑架的结构图。

图2是本发明X轴图像采集组件的结构图。

图3是本发明Y轴图像采集组件的结构图。

图4是本发明Z轴图像采集组件的结构图。

图5A是采用本发明测量装置中三个摄像头采集图像的示意图。

图5B是被测试件为圆柱、以及圆柱展开后的示意图。

图中编号：1.支撑架；1A.第一板面；1B.第二板面；1C.第三板面；1D. 第四板面；1E.底板面；2.第一背景板；3.第二背景板；4.第三背景板；11.第一丝杠 架；11A.第一电机；11B.第一丝杠；11C.A侧板；11D.B侧板；11E.A滚珠轴承；11F.A 通孔；12.第二丝杠架；12A.第二电机；12B.第二丝杠；12C.A侧板；12D.B侧板；12E.B 滚珠轴承；12F.B通孔；13.第三丝杠架；13A.第三电机；13B.第三丝杠；13C.A侧板； 13D.B侧板；13E.C滚珠轴承；13F.C通孔；14.第四丝杠架；14A.第四电机；14B.第 四丝杠；14C.A侧板；14D.B侧板；14E.D滚珠轴承；14F.D通孔；15.第五丝杠架； 15A.第五电机；15B.第五丝杠；15C.A侧板；15D.B侧板；15E.E滚珠轴承；15F.E 通孔；16.第六丝杠架；16A.第六电机；16B.第六丝杠；16C.A侧板；16D.B侧板；16E.F 滚珠轴承；16F.F通孔；17.第一摄像头；18.第二摄像头；19.第三摄像头；21.第一 滑块；22.第二滑块；23.第三滑块；24.第四滑块；25.第五滑块；26.第六滑块；10.X 轴图像采集组件；20.Y轴图像采集组件；30.Z轴图像采集组件；40.被测试样。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A所示，本发明是一种用于测量陀螺仪静平衡的基于单目 原理的六自由度位姿测量装置，该测量装置包括有用于采集被测试样40的X轴方向 上图像信息的X轴图像采集组件10、用于采集被测试样40的Y轴方向上图像信息的 Y轴图像采集组件20、用于采集被测试样40的Z轴方向上图像信息的Z轴图像采集 组件30、以及支撑架1和背景板。其中，X轴图像采集组件10、Y轴图像采集组件 20和Z轴图像采集组件30的结构相同。

(一)支撑架

参见图1、图1B所示，支撑架1为一框形结构，支撑架1选用钢化玻璃 材质。

支撑架1的第一板面1A的外侧上安装有第一丝杠架11；

支撑架1的第二板面1B的外侧上安装有第三丝杠架13；

支撑架1的第三板面1C的内侧上安装有第一背景板2；

支撑架1的第四板面1D的内侧上安装有第三背景板3；

支撑架1的底板面1E上安装有第三背景板4；

支撑架1的上顶上安装有第五丝杠架15。

在本发明中，支撑架1用于支撑起整个测量装置。支撑架1设计为六面 体结构，能够方便X、Y、Z三轴上的摄像头对被测试件40图像信息的采集，同时也 是在空间上实现被测试件40的空间定位部件。

(二)背景板

参见图1、图1A所示，本发明中背景板用于增强图像对比度，提高测量 装置的测量精度。背景板选用黑色铝材制作加工。

第一背景板2安装在支撑架1的第三板面1C的内侧上；

第二背景板3安装在支撑架1的第四板面1D的内侧上；

第四背景板4安装在支撑架1的底板面1E上。

(三)X轴图像采集组件10

参见图1、图1A、图2所示，X轴图像采集组件10包括有第一丝杠架11、 第一丝杠11B、第一电机11A、第二丝杠架12、第二丝杠12B、第二电机12A、第一 滑块21、第二滑块22和第一摄像头17。所述第一摄像头17用于采集被测试件40 的正视图。

第一丝杠11B的一端安装在第一丝杠架11的A侧板11C的A滚珠轴承 11E(丝杠与滚珠轴承的连接为常规技术)内，该A滚珠轴承11E安装在A侧板11C 的A通孔11F内；第一丝杠11B的另一端通过联轴器(图中未示出，丝杠、联轴器与 电机的连接为常规技术)与第一电机11A的输出轴连接；第一电机11A安装在第一丝 杠架11的B侧板11D上。

第二丝杠12B的一端安装在第二丝杠架12的A侧板12C的B滚珠轴承 12E(丝杠与滚珠轴承的连接为常规技术)内，该B滚珠轴承12E安装在A侧板12C 的B通孔12F内，第二丝杠12B的另一端通过联轴器(图中未示出，丝杠、联轴器与 电机的连接为常规技术)与第二电机12A的输出轴连接；第二电机12A安装在第二丝 杠架12的B侧板12D上。

第一滑块21安装在第二丝杠架12的背部，第二滑块22上安装有第一摄 像头17。在本发明中，通过两个滑块配合两根丝杠，能够实现第一摄像头17在X轴 平面内的图像信息采集。

第一滑块21上的中心丝杠孔用于第一丝杠11B穿过。

第二滑块22上的中心丝杠孔用于第二丝杠12B穿过。

在本发明中，X轴图像采集组件10利用安装在支撑架1的第一板面1A (X安装面)上的第一丝杠架11，实现第一摄像头17采集到的被测试件40的图像信 息均为正视图。

(四)Y轴图像采集组件20

参见图1、图1A、图3所示，Y轴图像采集组件20包括有第三丝杠架13、 第三丝杠13B、第三电机13A、第四丝杠架14、第四丝杠14B、第四电机14A、第三 滑块23、第四滑块24和第三摄像头18。所述第三摄像头18用于采集被测试件40 的侧视图。

第三丝杠13B的一端安装在第三丝杠架13的A侧板13C的C滚珠轴承 13E(丝杠与滚珠轴承的连接为常规技术)内，该C滚珠轴承13E安装在A侧板13C 的C通孔13F内，第三丝杠13B的另一端通过联轴器(图中未示出，丝杠、联轴器与 电机的连接为常规技术)与第三电机13A的输出轴连接；第三电机13A安装在第三丝 杠架13的B侧板13D上。

第四丝杠14B的一端安装在第四丝杠架14的A侧板14C的D滚珠轴承 14E(丝杠与滚珠轴承的连接为常规技术)内，该D滚珠轴承14E安装在A侧板14C 的D通孔14F内，第四丝杠14B的另一端通过联轴器(图中未示出，丝杠、联轴器与 电机的连接为常规技术)与第四电机14A的输出轴连接；第四电机14A安装在第四丝 杠架14的B侧板14D上。

第三滑块23安装在第四丝杠架14的背部，第四滑块24上安装有第二摄 像头18。在本发明中，通过两个滑块配合两根丝杠，能够实现第二摄像头18在Y轴 平面内的图像信息采集。

第三滑块23上的中心丝杠孔用于第三丝杠13B穿过。

第四滑块24上的中心丝杠孔用于第四丝杠14B穿过。

在本发明中，Y轴图像采集组件20利用安装在支撑架1的第二板面1B (Y安装面)上的第三丝杠架13，实现第二摄像头18采集到的被测试件40的图像信 息均为侧视图。

(五)Z轴图像采集组件30

参见图1、图1A、图4所示，Z轴图像采集组件30包括有第五丝杠架15、 第五丝杠15B、第五电机15A、第六丝杠架16、第六丝杠16B、第六电机16A、第五 滑块25、第六滑块26和第三摄像头19。所述第三摄像头19用于采集被测试件40 的俯视图。

第五丝杠15B的一端安装在第五丝杠架15的A侧板15C的E滚珠轴承 15E(丝杠与滚珠轴承的连接为常规技术)内，该E滚珠轴承15E安装在A侧板15C 的E通孔15F内，第五丝杠15B的另一端通过联轴器(图中未示出，丝杠、联轴器与 电机的连接为常规技术)与第五电机15A的输出轴连接；第五电机15A安装在第五丝 杠架15的B侧板15D上。

第六丝杠16B的一端安装在第六丝杠架16的A侧板16C的F滚珠轴承 16E(丝杠与滚珠轴承的连接为常规技术)内，该F滚珠轴承16E安装在A侧板16C 的F通孔16F内，第六丝杠16B的另一端通过联轴器(图中未示出，丝杠、联轴器与 电机的连接为常规技术)与第六电机16A的输出轴连接；第六电机16A安装在第六丝 杠架16的B侧板16D上。

第五滑块25安装在第六丝杠架16的背部，第六滑块26上安装有第三摄 像头19。在本发明中，通过两个滑块配合两根丝杠，能够实现第三摄像头19在Z轴 平面内的图像信息采集。

第五滑块25上的中心丝杠孔用于第五丝杠15B穿过。

第六滑块26上的中心丝杠孔用于第六丝杠16B穿过。

在本发明中，Z轴图像采集组件30中的第五丝杠架15安装在支撑架1 上方，且第五丝杠架15与支撑架1的底板面1E平行，从而实现第三摄像头19采集 到的被测试件40的图像信息均为俯视图。

在本发明中，第一摄像头17、第二摄像头18和第三摄像头19选用相同 性能的摄像头。如摄像头采用美国Point Grey公司的Gazelle 4.0工业相机，图像 分辨率为2048×2048，帧速为170fps；镜头采用日本Kowa的LM8HC百万像素镜头， 焦距8.5mm。

参见图5A、图5B所示，本发明测量装置的运动主要是根据被测试件40 (陀螺仪)的转子的质心位置进行实时动态调整，其步骤有：

第一步，在被测试件40(陀螺仪转子)的侧面喷印一条螺旋线，该螺旋 线等效于转子侧面的某一个展开矩形的对角线(如图5B所示)；

第二步，用第一摄像头17(采集正视图)、第二摄像头18(采集侧视图) 和第三摄像头19(采集俯视图)来采集图像信息；

第三步，图像信息被传输至计算机中，所述计算机中安装有边缘检测和 轮廓识别处理软件；通过边缘检测和轮廓识别处理软件处理后，能够检测出陀螺转子 在俯视图和正视图上形成的侧边直线特征；通过计算正、俯视图的柱体侧边直线倾斜 角度，就可换算出陀螺转子的俯仰、偏航角度；

第四步，通过对三个摄像头采集的各视图所检测到的轮廓特征，计算出 陀螺转子的质心坐标；

第五步，通过边缘检测和轮廓识别处理软件检测出陀螺转子在侧视图上 形成的圆、矩形和箭头等特征；结合正、俯视图中的表面喷印线与侧边直线的交点位 置和侧视图中的圆、矩形和箭头位置，就可换算出陀螺转子的滚转角度。

本发明设计的测量装置，当陀螺仪转子位置发生变化时，第一摄像头17、 第二摄像头18和第三摄像头19都需要动态追踪转子的质心位置。追踪过程为：首先 根据第一摄像头17和第二摄像头18的信息，经图像处理判断出转子的最新质心位置， 之后计算出转子在X，Y，Z三个坐标轴上的位移量，然后通过六个电机控制摄像头三个 方向上的联动。即通过第一电机11A和第二电机12A分别控制第一丝杠11和第二丝 杠12产生同步运动，从而推动第一滑块21和第二滑块22，使第一摄像头17产生Y 和Z方向上的联动；通过第三电机13A和第四电机14A分别控制第三丝杠13和第四 丝杠14产生同步运动，从而推动第三滑块23和第四滑块24，使第二摄像头18产生 X和Y方向上的联动；通过第五电机15A和第六电机16A分别控制第五丝杠15和第 六丝杠16产生同步运动，从而推动第五滑块25和第六滑块26，使第三摄像头19产 生X和Z方向上的联动。