基于機器視覺的經(jīng)緯儀檢定輔助觀測裝置設(shè)計

張億 史雨輝 路杰 鄭勇 黃興

（1.中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室) 湖北省武漢市 430071）（2.武漢地震科學儀器研究院有限公司 湖北省咸寧市 437000）

1 前言

經(jīng)緯儀是常用的測繪儀器，主要用于工程測量、大地測量等領(lǐng)域。經(jīng)緯儀的檢定是確?？梢猿掷m(xù)使用的重要手段，常見的經(jīng)緯儀豎直角檢定方法[1]有微距法、橫置法、傾斜傳感器及多面棱體法、標準豎直角法、雙頻激光干涉儀法等，水平角檢定方法[2]有多目標法、多齒分度臺法等。目前，國內(nèi)常用的檢定方法使多目標法和多齒分度臺法，在這兩種方法中都需要人工進行照準和讀數(shù)。在長時間和大量的檢定過程中，人工讀數(shù)容易造成讀數(shù)誤差，同時增加檢定人員的工作強度，因此檢定結(jié)果容易受人為主觀因素的影響。

目前，在經(jīng)緯儀自動化檢定方面，于妍芳[3]提出了一種基于MATLAB 圖像識別和處理技術(shù)的智能讀數(shù)方法，該方法利用工業(yè)相機對光學經(jīng)緯儀的讀數(shù)窗進行圖像采集并進行圖像處理。劉學明[4]提出使用計算機控制程控多齒臺，并采用CCD 圖像處理系統(tǒng)進行目標十字線的瞄準，從而實現(xiàn)經(jīng)緯儀檢定的半自動化。JSJ-ZB 型經(jīng)緯儀檢定裝置[5]是中國地震局地震研究所自主研發(fā)的一款高精度的經(jīng)緯儀檢定裝置，其廣泛應(yīng)用于測繪、計量、軍事和科研領(lǐng)域。目前，針對此款設(shè)備的自動化檢定還沒有相關(guān)研究，本文基于機器視覺，結(jié)合運動控制技術(shù)和圖像處理技術(shù)設(shè)計了一種經(jīng)緯儀檢定輔助讀數(shù)裝置，實現(xiàn)了十字絲的數(shù)字化顯示和圖像處理。

2 總體設(shè)計

基于機器視覺的經(jīng)緯儀檢定輔助觀測裝置主要分為機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機器視覺系統(tǒng)。系統(tǒng)框架如圖1所示，機械系統(tǒng)完成工業(yè)相機的固定和運動。控制系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)各個系統(tǒng)，根據(jù)經(jīng)緯儀檢定規(guī)程中的步驟，實現(xiàn)裝置的自動化工作。機器視覺系統(tǒng)通過工業(yè)相機采集經(jīng)緯儀照準部內(nèi)的十字絲圖像，并進行圖像處理，完成檢定工作。

3 機械系統(tǒng)設(shè)計

3.1 運動分析

圖2 是JSJ-ZB 型經(jīng)緯儀檢定裝置結(jié)構(gòu)簡圖，圓分度系統(tǒng)采用兼有整分度和非整分度特征的552 齒（23*24 組合）立軸式分度臺作為水平圓分度標準，5 個水平光管目標經(jīng)多齒分度臺校準后可繞中心光管旋轉(zhuǎn)90°得到夾角為15°39′7.8″標準豎直角目標。在取得水平圓分度標準和標準豎直角目標后，就可以根據(jù)經(jīng)緯儀檢定規(guī)程，對經(jīng)緯儀進行檢定。

圖2：JSJ-ZB 型經(jīng)緯儀檢定裝置結(jié)構(gòu)簡圖

在經(jīng)緯儀檢定過程中以豎直角一測回標準偏差檢定項目為例，首先，檢定人員需要操作經(jīng)緯儀的望遠系統(tǒng)照準最上面一根光管；然后，再依次照準從上到下的其他四根光管，并在照準每一個目標后讀取豎直度盤數(shù)據(jù)；最后，再照準最上面一根光管，即完成一測回。豎直角一測回標準偏差需要分別以正鏡和倒鏡進行觀測，至少進行四測回。

通過對經(jīng)緯儀照準部在檢定過程中運動軌跡的分析，可以得出，要實現(xiàn)對經(jīng)緯儀照準部內(nèi)的光學圖像采集，就需要設(shè)計一套機械系統(tǒng)，帶動工業(yè)相機隨著經(jīng)緯儀照準部轉(zhuǎn)動而做圓弧運動。

3.2 圓弧運動機構(gòu)設(shè)計

經(jīng)緯儀照準部在檢定過程中，是以橫軸和照準軸的交點為圓點，照準部目鏡繞著此交點做圓周運動，要想實時獲得照準部目鏡內(nèi)的光學圖像，就需要工業(yè)相機隨著照準部做圓弧運動。

圓弧運動機構(gòu)選用了THK 公司生產(chǎn)的HCR 型R 形圓弧滾動導(dǎo)軌，如圖3所示。根據(jù)經(jīng)緯儀檢定規(guī)程，兩根光管之間的夾角為15°39′7.8″，那么工業(yè)相機圓弧運動的圓弧角至少要大于62°36′31.2″，故選用兩根圓弧角為60°的圓弧導(dǎo)軌拼接成圓弧角為120°的圓弧軌道，即可以滿足要求。圓弧導(dǎo)軌參數(shù)如表1所示。

圖3：HCR 型R 形圓弧滾動導(dǎo)軌平面圖

表1：圓弧導(dǎo)軌參數(shù)

3.3 傳動機構(gòu)設(shè)計

要想實現(xiàn)工業(yè)相機在圓弧導(dǎo)軌上做圓弧運動，就需要設(shè)計一套傳動機構(gòu)，將動力源傳遞到滑塊上。本文設(shè)計一套基于直線絲桿的傳動機構(gòu)，如圖4所示。該傳動機構(gòu)是通過絲桿的直線運動配合導(dǎo)向桿帶動相機做圓弧運動的，其工作原理是傳動軸8 在轉(zhuǎn)動過程中帶動滑塊7 做直線運動，而滑塊7 通過與之相連的導(dǎo)向桿將動力傳遞給相機，從而可以帶動相機在弧形導(dǎo)軌11 上做圓弧運動。最后，通過電機6 給整個傳動接頭提供外部動力源。

圖4：輔助觀測裝置結(jié)構(gòu)圖

3.4 機械整體設(shè)計

圖4 是根據(jù)以上需求而設(shè)計的經(jīng)緯儀檢定輔助觀測裝置。整個輔助觀測裝置由基座、傳動結(jié)構(gòu)、定位系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)四個部分組成。其中基座是由底座1、升降軸2、三維臺面3、支撐座4 和連接軸5 組成，其主要作用是為輔助觀測裝置提供機械支撐；傳動結(jié)構(gòu)是由電機6、滑塊7、傳動軸8、導(dǎo)向桿9 和弧形導(dǎo)軌11 組成，其主要作用是為輔助觀測裝置中相機提供傳動；定位系統(tǒng)是由五組光電開關(guān)（光電開關(guān)是發(fā)射裝置和接收裝置組成）組成，其與豎直角目標系統(tǒng)中五根光管位置大致一致，其主要作用是為相機提供定位；觀測系統(tǒng)是由工業(yè)相機14 組成，其主要作用是將經(jīng)緯儀望遠系統(tǒng)中的光學圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，以便于在計算機上觀察。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)對經(jīng)緯儀照準部目鏡運動的分析，經(jīng)緯儀照準部目鏡需要在特定的位置瞄準經(jīng)緯儀檢定裝置的光學目標，并且經(jīng)緯儀檢定裝置上兩相鄰的光學目標夾角是固定的，所以工業(yè)相機也需要在特定的位置停下來，這就需要定位系統(tǒng)，本文中采用歐姆龍公司生產(chǎn)的光纖光電傳感器作為定位元件，并使用PLC 作為邏輯控制核心，通過接收光電傳感器的開關(guān)信號來判斷工業(yè)相機的當前位置，進而控制電機的正反轉(zhuǎn)，使得工業(yè)相機到達指定的位置。本文中設(shè)計的控制系統(tǒng)組成圖如圖5所示。

圖5：控制系統(tǒng)組成圖

控制系統(tǒng)的工作過程如下：第一步，查看相機現(xiàn)在所處位置，通過控制單元手動控制電機帶動相機底座，使相機與JSJ-ZB 上待檢的經(jīng)緯儀照準部對齊，接下來通過調(diào)整相機鏡頭的焦距，從而來獲得清晰的十字絲圖像；第二步，在上位機軟件上選取需要檢定的項目，再腳踩腳踏開關(guān)，開始該檢定項目的檢定；第三步，上位機軟件將該項目所需相機所處的位置傳遞給可編輯邏輯控制器，可編程邏輯控制器控制電機，電機帶動傳動系統(tǒng)（電機控制邏輯流程圖如圖6所示），將相機傳動所要求的位置；第四步，檢定員再手動將經(jīng)緯儀的照準部轉(zhuǎn)動，照準相應(yīng)的光管，此時，就可以在上位機軟件上看到十字絲圖像，如圖7(a)所示。

圖6：電機控制邏輯流程圖

圖7：十字絲識別

5 機器視覺系統(tǒng)設(shè)計

5.1 圖像采集系統(tǒng)設(shè)計

本文中是采用工業(yè)相機采集經(jīng)緯儀目鏡中的光學圖像，而經(jīng)緯儀目鏡一般采用高斯目鏡，其主要參數(shù)是：f=44mm。在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，工業(yè)相機選用DC-140M 型CCD 相機，其主要參數(shù)如下：分辨率：1360*1024，像元尺寸：4.65*4.65um，像面尺寸：1/2″，幀率：7.5fps，數(shù)據(jù)位數(shù)：8bit。

與之配套的工業(yè)鏡頭選用COMPUTAR 公司生產(chǎn)的M7528 型定焦鏡頭，其主要參數(shù)如下：焦距：75mm；視場角：6.2*5.0*3.7；相對通光孔徑：2.8-16C，像面尺寸：2/3″。

5.2 圖像處理

數(shù)字圖像在進行識別之前，需要進行預(yù)處理、閾值分割等方式，將目標從背景中提取出來。本文中采用中值濾波和直方圖均衡化方法來對圖像進行預(yù)處理，得到的預(yù)處理后圖像如圖7(b)所示。因十字絲圖像背景不均勻，故采用可變閾值對圖像進行閾值分割，得到分割后的圖像如圖7(c)所示。

在經(jīng)緯儀檢定過程中，照準過程是利用經(jīng)緯儀的十字絲去對準檢定裝置的十字絲，通常采用的是雙絲夾單絲的方式來瞄準。故本文中是需要將十字絲中長度較長的直線提出出來。基于十字絲的長度特征，構(gòu)建了20*1 和1*20 的核模板，采用形態(tài)學方法分別分割出水平像和垂直向的十字絲，分別分割出水平方向十字絲圖像如圖7(d)，垂直方向的十字絲圖像如圖7(e)。

為了獲取十字絲的中心，用了OPENCV 中的cvFindContours()函數(shù)獲取十字絲的輪廓，并利用輪廓數(shù)據(jù)得到輪廓四個角點的坐標即可畫出中心直線，最后得到的直線反應(yīng)在原圖像中如圖7(g)所示。

6 結(jié)論

本文對經(jīng)緯儀檢定輔助觀測裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理進行了詳細設(shè)計，通過圖像處理技術(shù)，將得到的十字絲圖像進行處理，得到了識別后的十字絲圖像，印證了本觀測系統(tǒng)的可行性，后續(xù)可在此基礎(chǔ)上進一步開發(fā)，使得經(jīng)緯儀檢定過程可以進一步自動化和數(shù)字化。