光笔式三坐标测量系统红外实时追踪应用研究

作     者：姚金祥 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张鹏

授予年度：2024年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：光笔式三坐标测量系统 实时追踪 视觉伺服 二自由度云台 卡尔曼滤波 

摘      要：工业测量已经成为工业发展过程中的一个极其重要的环节,越来越多地被应用于工件的现场测量。现如今,已经设计出多种便携式坐标测量系统来满足各种测量需求。光笔式测量系统是在视觉测量原理的基础上发展起来的,具有便携性好、测量精度高等优点。国外在光笔式测量领域已经取得了显著成果,而国内在该领域的研究上存在一定的差距。在大范围的工件测量现场,光笔式测量系统中的摄像机被固定安装,可能无法准确地捕捉和跟踪光笔的特征点,导致系统的性能下降。为了解决这一问题,将摄像机装置在二自由度云台上,并设计了一种基于像素差值的云台控制策略,使系统能够实时追踪光笔的特征点。提出了一种基于卡尔曼滤波与模板匹配的目标特征点跟踪算法,高效地解决了在测量过程中特征点的遮挡问题,确保对光笔特征点的精确追踪。 本文的主要工作由以下几部分组成: (1)介绍了光笔式三坐标测量系统的研究背景、系统组成以及测量原理。阐述了视觉伺服的研究现状。 (2)使用阈值分割算法对特征点进行中心定位并设计了一种基于像素差值的云台控制策略。系统首先从摄像机获取图像,通过相关算法进行预处理以提升图像质量,然后利用阈值分割算法进行特征点的中心定位,获取特征点的位置坐标信息。运用云台控制策略,将提取到的特征点坐标信息实时传递给计算机,驱动云台追踪光笔特征点。 (3)提出了一种基于模板匹配和卡尔曼滤波的自适应追踪算法。该算法结合模板匹配和卡尔曼滤波的优势,进行光笔特征点运动状态的预测和更新,对于在追踪光笔特征点过程中出现的遮挡问题进行了分析。在指定感兴趣区域内搜索特征点,将新发现的特征点位置与目标状态关联,估计缺失特征点的位置。 (4)完成了系统实验以及结果分析。首先是进行静止光笔特征点的追踪实验,验证系统追踪的稳定性;然后是对运动中光笔特征点的追踪实验,验证系统的连续追踪性能;最后是对特征点的遮挡追踪实验,验证系统对于遮挡和特征点丢失的处理能力。结果显示系统具备30fps高效的特征点目标检测性能、从开始追踪到稳定状态用时1.5秒内、追踪误差稳定控制在9个像素内的特性。通过实验验证,系统能自适应跟踪光笔端移动,且无追踪丢失情况。