專利名稱：自動(dòng)調(diào)節(jié)piv攝像機(jī)位置的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動(dòng)調(diào)節(jié)PIV攝像機(jī)位置的方法及其裝置，其主要用于調(diào)控PIV 實(shí)驗(yàn)時(shí)攝像機(jī)的位置及其中心軸線與激光片光平面的角度，以保證Piv實(shí)驗(yàn)時(shí)攝像機(jī)拍攝到有效的實(shí)驗(yàn)范圍及攝像機(jī)中心軸線與激光片光平面的垂直，減少因人工調(diào)節(jié)產(chǎn)生的誤差。
背景技術(shù)：
在流體力學(xué)領(lǐng)域，PIV用于測(cè)量流體速度，可實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)瞬時(shí)測(cè)量，具有不干擾流體形態(tài)、無(wú)毒無(wú)污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此，得到了廣泛應(yīng)用。PIV原理是通過(guò)攝像機(jī)獲取不同時(shí)刻U1時(shí)刻、t2時(shí)刻)的水流粒子圖像，結(jié)合圖像相關(guān)處理技術(shù)得到粒子流速，由于粒子顆粒微小，很好地跟隨了水流運(yùn)動(dòng)，粒子的速度代表了對(duì)應(yīng)水流質(zhì)點(diǎn)速度。但是，由于光在空氣和水流的分界面發(fā)生折射，為防止折射干擾，PIV實(shí)驗(yàn)時(shí)必須保證攝像機(jī)軸向法線與激光片光平面垂直，目前為保證垂直，多采用經(jīng)驗(yàn)或者用標(biāo)尺，自動(dòng)化程度低，調(diào)節(jié)復(fù)雜，且難以滿足高精度實(shí)驗(yàn)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種自動(dòng)調(diào)節(jié)PIV攝像機(jī)位置的方法，其將攝像機(jī)安裝在攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤上，通過(guò)攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，以使攝像機(jī)的中心軸線與激光片光平面相垂直。因此，本發(fā)明可以自動(dòng)調(diào)節(jié)攝像機(jī)的位置和角度，保證攝像機(jī)中心軸線與激光片光平面的垂直關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案
一種自動(dòng)調(diào)節(jié)PIV攝像機(jī)位置的方法，包括以下步驟(1)將PIV攝像機(jī)安裝于通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤，且攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤安裝在基座上，同時(shí)，在基座上安裝 CCD線陣；(2)根據(jù)CCD線陣捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息，采用控制器自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使得PIV攝像機(jī)的中心軸線與激光片光平面相垂直。步驟(1)中的攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤通過(guò)直線往復(fù)移動(dòng)裝置安裝在基座上，該攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤與直線往復(fù)移動(dòng)裝置的輸出端連接，且直線往復(fù)移動(dòng)裝置與基座的軸線重合，同時(shí)攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤的軸線投影于基座的軸線上，控制器通過(guò)控制往復(fù)直線移動(dòng)裝置的移動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)PIV攝像機(jī)與激光片光平面的距離。所述直線往復(fù)移動(dòng)裝置為絲杠機(jī)構(gòu)。步驟(2)中CCD線陣捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息為激光片光平面在基座上的投影線；控制器根據(jù)該投影線即可計(jì)算出激光片光平面與基座軸線的夾角α， 然后自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)按照夾角α旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)PIV攝像機(jī)的中心軸線與激光片光平面相垂直。本發(fā)明的另一技術(shù)目的是提供一種實(shí)現(xiàn)上述自動(dòng)調(diào)節(jié)PIV攝像機(jī)位置的方法的裝置，包括底座、控制器以及PIV攝像機(jī)；所述PIV攝像機(jī)安裝在攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤上，而攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出端連接；所述攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)軸與底座定位連接，且底座上安裝用于檢測(cè)激光片光平面在底座上投影信息的CCD線陣，控制器通過(guò)CCD 線陣所反饋的信號(hào)，自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)作。根據(jù)以上的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)以下的有益效果
本發(fā)明采用直線往復(fù)移動(dòng)裝置調(diào)節(jié)攝像機(jī)與激光片光平面之間的距離，采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤以調(diào)節(jié)安裝其上的攝像機(jī)的中心軸線與激光片光光面之間的角度，通過(guò)CCD線陣檢測(cè)到的片光信號(hào)，獲取激光片光平面在基座上的投影，以計(jì)算出激光平面與攝像機(jī)中心軸線之間的角度，控制器自動(dòng)控制直線往復(fù)移動(dòng)裝置以及旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)作，以使攝像機(jī)沿絲桿移動(dòng)至適宜位置，并確保攝像機(jī)中心軸線與激光片光平的面垂直。由此可知本發(fā)明采用簡(jiǎn)單可行的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合自動(dòng)控制芯片，實(shí)現(xiàn)了攝像機(jī)中心軸線與激光片光平面角度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。自動(dòng)化程度高，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，能夠滿足高精度實(shí)驗(yàn)的需要。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明理想狀態(tài)下，片光平面與攝像機(jī)中心軸線垂直的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明片光平面與攝像機(jī)中心軸線不垂直的結(jié)構(gòu)示意4是圖3在攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)后片光平面與攝像機(jī)中心軸線垂直的結(jié)構(gòu)示意圖； 其中基座1 ；攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2 ；CXD線陣3 ；螺桿4 ；PIV攝像機(jī)5 ；激光片光平面6。
具體實(shí)施例方式附圖非限制性地公開了本發(fā)明所涉及優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。以下將結(jié)合附圖詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。如圖1所示，本發(fā)明所述自動(dòng)調(diào)節(jié)PIV攝像機(jī)位置的方法，包括以下步驟(1)將 Piv攝像機(jī)5安裝于通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2，且攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2安裝在基座1上，同時(shí)，在基座1上安裝CCD線陣3 ； (2)根據(jù)CCD線陣3捕捉到的激光片光平面 6在基座1上的投影信息，采用控制器自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使得PIV攝像機(jī)5的中心軸線與激光片光平面6相垂直。其中步驟(1)中的攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2通過(guò)直線往復(fù)移動(dòng)裝置安裝在基座1上，該攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2與直線往復(fù)移動(dòng)裝置的輸出端連接，且直線往復(fù)移動(dòng)裝置與基座1的軸線重合，同時(shí)攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2的軸線投影于基座1的軸線上，控制器通過(guò)控制往復(fù)直線移動(dòng)裝置的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)PIV攝像機(jī)5與激光片光平面6的距離。步驟(2) 中CCD線陣3捕捉到的激光片光平面6在基座1上的投影信息為激光片光平面6在基座1 上的投影線；控制器根據(jù)該投影線即可計(jì)算出激光片光平面6與基座1軸線的夾角α，然后自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)按照夾角α旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)PIV攝像機(jī)5的中心軸線與激光片光平面6相垂直。本發(fā)明的另一技術(shù)目的是提供一種實(shí)現(xiàn)上述自動(dòng)調(diào)節(jié)PIV攝像機(jī)5位置的方法的裝置，包括底座、控制器以及PIV攝像機(jī)5 ；所述PIV攝像機(jī)5安裝在攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2上， 而攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2的旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出端連接；所述攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2的旋轉(zhuǎn)軸與底座定位連接，且底座上安裝用于檢測(cè)激光片光平面6在底座上投影信息的CCD線陣3， 控制器通過(guò)CCD線陣3所反饋的信號(hào)，自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)作。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述直線往復(fù)移動(dòng)裝置為滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，滾珠絲杠機(jī)構(gòu)包括螺桿4、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及滾珠軸承，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端與螺桿4連接，滾珠軸承與螺桿4配合連接，而攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸定位安裝在滾珠軸承上。另外，該往復(fù)直線移動(dòng)裝置可以為其它形式的往復(fù)移動(dòng)結(jié)構(gòu)，比如氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)等。本發(fā)明所述的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)以及旋轉(zhuǎn)電機(jī)皆為伺服系統(tǒng)，其可以采用伺服電機(jī)， 也可以為其他的能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的伺服機(jī)構(gòu)。使用時(shí)，將攝像機(jī)固定在攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2上，控制絲杠運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)攝像機(jī)安裝盤沿基座1方向作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，使攝像機(jī)靠近或遠(yuǎn)離激光片光平面6，以滿足攝像機(jī)拍攝范圍的需要，當(dāng)攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2移動(dòng)至適應(yīng)的位置，停止絲杠運(yùn)動(dòng)。再利用基座1上的CXD 線陣3獲取激光片光平面6在基座1上的投影，計(jì)算出該投影線與基座1中心線的夾角，控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，以保證攝像機(jī)中心軸線與激光片光平面6垂直。其中C⑶線陣3為兩塊，其關(guān)于基座1軸線對(duì)稱放置。通過(guò)絲桿運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)位置及其中心軸線與激光片光平面6垂直度的調(diào)節(jié)。因此，本發(fā)明可以自動(dòng)調(diào)節(jié)攝像機(jī)的位置和角度，保證PIV實(shí)驗(yàn)時(shí)攝像機(jī)中心軸線與激光片光平面 6的垂直關(guān)系。本發(fā)明進(jìn)行攝像機(jī)陣列位置調(diào)控的方式具體如下
步驟1、在基座1上建立標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，該標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系以移動(dòng)絲桿的軸向?yàn)閄方向，底座的中心點(diǎn)為原點(diǎn)0，與X方向垂直的方向?yàn)閅方向。CXD線陣3的中心點(diǎn)在基座1上的坐標(biāo)分別為(0，y0)和(0，一 y0), y0由制作基座1和安裝CXD線陣3時(shí)確定，為系統(tǒng)初始值。理想狀態(tài)下，如圖2所示，片光光面與攝像機(jī)陣列的各攝像機(jī)的中心軸線垂直，此時(shí)不用調(diào)節(jié)，直接可以實(shí)驗(yàn)。步驟2 當(dāng)片光光面與攝像機(jī)的中心軸線不垂直時(shí)，如圖3所示，CXD線陣3圖像傳感器分別獲取與片光光面交點(diǎn)處的坐標(biāo)G1，yo)和(X2，-y。)。則片光光面在標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中的斜率為
因此，片光光面與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系X軸的交角為
θ = arc tan k
即攝像機(jī)的中心軸線與片光光面的交角為5。為保證攝像機(jī)軸向法線與片光光面相垂直，需要旋轉(zhuǎn)用于安裝攝像機(jī)的攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2，以使攝像機(jī)中心軸線與片光光面垂直，如圖4所示，選擇方法是
當(dāng)i> O ,攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2順時(shí)針旋轉(zhuǎn) r/2-5 ； 當(dāng)i<0,攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)； 當(dāng)λ = 0 ,不用旋轉(zhuǎn)。步驟3 按步驟2計(jì)算交角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)中心軸線與片光光面相垂直。步驟4 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤2恢復(fù)到最初位置(攝像機(jī)中心軸線垂直于Y 軸)。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)調(diào)節(jié)PIV攝像機(jī)位置的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將PIV攝像機(jī)安裝于通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤，且攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤安裝在基座上，同時(shí)，在基座上安裝CCD線陣；(2)根據(jù)CCD線陣捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息，采用控制器自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使得PIV攝像機(jī)的中心軸線與激光片光平面相垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述自動(dòng)調(diào)節(jié)PIV攝像機(jī)位置的方法，其特征在于，步驟(1)中的攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤通過(guò)直線往復(fù)移動(dòng)裝置安裝在基座上，該攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤與直線往復(fù)移動(dòng)裝置的輸出端連接，且直線往復(fù)移動(dòng)裝置與基座的軸線重合，同時(shí)攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤的軸線投影于基座的軸線上，控制器通過(guò)控制往復(fù)直線移動(dòng)裝置的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)PIV攝像機(jī)與激光片光平面距離的調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述自動(dòng)調(diào)節(jié)PIV攝像機(jī)位置的方法，其特征在于，所述直線往復(fù)移動(dòng)裝置為絲杠機(jī)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述自動(dòng)調(diào)節(jié)PIV攝像機(jī)位置的方法，其特征在于，步驟(2)中CCD 線陣捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息為激光片光平面在基座上的投影線；控制器根據(jù)該投影線即可計(jì)算出激光片光平面與基座軸線的夾角α，然后自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)按照夾角α旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)PIV攝像機(jī)的中心軸線與激光片光平面相垂直。
5.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述自動(dòng)調(diào)節(jié)PIV攝像機(jī)位置的方法的裝置，其特征在于包括底座、控制器以及PIV攝像機(jī)；所述PIV攝像機(jī)安裝在攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤上，而攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出端連接；所述攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)軸與底座定位連接， 且底座上安裝用于檢測(cè)激光片光平面在底座上投影信息的CCD線陣，控制器通過(guò)CCD線陣所反饋的信號(hào)，自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)PIV攝像機(jī)位置的方法及其裝置，該方法首先將PIV攝像機(jī)安裝于通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤，且攝像機(jī)安裝轉(zhuǎn)盤安裝在基座上，同時(shí)，在基座上安裝CCD線陣；然后，根據(jù)CCD線陣捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息，采用控制器自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使得PIV攝像機(jī)的中心軸線與激光片光平面相垂直。因此，本發(fā)明可以自動(dòng)調(diào)節(jié)攝像機(jī)的位置和角度，保證PIV實(shí)驗(yàn)時(shí)攝像機(jī)中心軸線與激光片光平面的垂直關(guān)系。
文檔編號(hào)H04N5/232GK102291530SQ20111016302
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者呂升奇, 唐洪武, 唐立模, 陳紅 申請(qǐng)人:河海大學(xué)