基于机器视觉的经纬仪检定辅助观测装置设计

张亿 史雨辉 路杰 郑勇 黄兴

（1.中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室) 湖北省武汉市 430071）（2.武汉地震科学仪器研究院有限公司 湖北省咸宁市 437000）

1 前言

经纬仪是常用的测绘仪器，主要用于工程测量、大地测量等领域。经纬仪的检定是确保可以持续使用的重要手段，常见的经纬仪竖直角检定方法[1]有微距法、横置法、倾斜传感器及多面棱体法、标准竖直角法、双频激光干涉仪法等，水平角检定方法[2]有多目标法、多齿分度台法等。目前，国内常用的检定方法使多目标法和多齿分度台法，在这两种方法中都需要人工进行照准和读数。在长时间和大量的检定过程中，人工读数容易造成读数误差，同时增加检定人员的工作强度，因此检定结果容易受人为主观因素的影响。

目前，在经纬仪自动化检定方面，于妍芳[3]提出了一种基于MATLAB 图像识别和处理技术的智能读数方法，该方法利用工业相机对光学经纬仪的读数窗进行图像采集并进行图像处理。刘学明[4]提出使用计算机控制程控多齿台，并采用CCD 图像处理系统进行目标十字线的瞄准，从而实现经纬仪检定的半自动化。JSJ-ZB 型经纬仪检定装置[5]是中国地震局地震研究所自主研发的一款高精度的经纬仪检定装置，其广泛应用于测绘、计量、军事和科研领域。目前，针对此款设备的自动化检定还没有相关研究，本文基于机器视觉，结合运动控制技术和图像处理技术设计了一种经纬仪检定辅助读数装置，实现了十字丝的数字化显示和图像处理。

2 总体设计

基于机器视觉的经纬仪检定辅助观测装置主要分为机械系统、控制系统和机器视觉系统。系统框架如图1所示，机械系统完成工业相机的固定和运动。控制系统通过协调各个系统，根据经纬仪检定规程中的步骤，实现装置的自动化工作。机器视觉系统通过工业相机采集经纬仪照准部内的十字丝图像，并进行图像处理，完成检定工作。

3 机械系统设计

3.1 运动分析

图2 是JSJ-ZB 型经纬仪检定装置结构简图，圆分度系统采用兼有整分度和非整分度特征的552 齿（23*24 组合）立轴式分度台作为水平圆分度标准，5 个水平光管目标经多齿分度台校准后可绕中心光管旋转90°得到夹角为15°39′7.8″标准竖直角目标。在取得水平圆分度标准和标准竖直角目标后，就可以根据经纬仪检定规程，对经纬仪进行检定。

图2：JSJ-ZB 型经纬仪检定装置结构简图

在经纬仪检定过程中以竖直角一测回标准偏差检定项目为例，首先，检定人员需要操作经纬仪的望远系统照准最上面一根光管；然后，再依次照准从上到下的其他四根光管，并在照准每一个目标后读取竖直度盘数据；最后，再照准最上面一根光管，即完成一测回。竖直角一测回标准偏差需要分别以正镜和倒镜进行观测，至少进行四测回。

通过对经纬仪照准部在检定过程中运动轨迹的分析，可以得出，要实现对经纬仪照准部内的光学图像采集，就需要设计一套机械系统，带动工业相机随着经纬仪照准部转动而做圆弧运动。

3.2 圆弧运动机构设计

经纬仪照准部在检定过程中，是以横轴和照准轴的交点为圆点，照准部目镜绕着此交点做圆周运动，要想实时获得照准部目镜内的光学图像，就需要工业相机随着照准部做圆弧运动。

圆弧运动机构选用了THK 公司生产的HCR 型R 形圆弧滚动导轨，如图3所示。根据经纬仪检定规程，两根光管之间的夹角为15°39′7.8″，那么工业相机圆弧运动的圆弧角至少要大于62°36′31.2″，故选用两根圆弧角为60°的圆弧导轨拼接成圆弧角为120°的圆弧轨道，即可以满足要求。圆弧导轨参数如表1所示。

图3：HCR 型R 形圆弧滚动导轨平面图

表1：圆弧导轨参数

3.3 传动机构设计

要想实现工业相机在圆弧导轨上做圆弧运动，就需要设计一套传动机构，将动力源传递到滑块上。本文设计一套基于直线丝杆的传动机构，如图4所示。该传动机构是通过丝杆的直线运动配合导向杆带动相机做圆弧运动的，其工作原理是传动轴8 在转动过程中带动滑块7 做直线运动，而滑块7 通过与之相连的导向杆将动力传递给相机，从而可以带动相机在弧形导轨11 上做圆弧运动。最后，通过电机6 给整个传动接头提供外部动力源。

图4：辅助观测装置结构图

3.4 机械整体设计

图4 是根据以上需求而设计的经纬仪检定辅助观测装置。整个辅助观测装置由基座、传动结构、定位系统和观测系统四个部分组成。其中基座是由底座1、升降轴2、三维台面3、支撑座4 和连接轴5 组成，其主要作用是为辅助观测装置提供机械支撑；传动结构是由电机6、滑块7、传动轴8、导向杆9 和弧形导轨11 组成，其主要作用是为辅助观测装置中相机提供传动；定位系统是由五组光电开关（光电开关是发射装置和接收装置组成）组成，其与竖直角目标系统中五根光管位置大致一致，其主要作用是为相机提供定位；观测系统是由工业相机14 组成，其主要作用是将经纬仪望远系统中的光学图像转换为数字图像，以便于在计算机上观察。

4 控制系统设计

根据对经纬仪照准部目镜运动的分析，经纬仪照准部目镜需要在特定的位置瞄准经纬仪检定装置的光学目标，并且经纬仪检定装置上两相邻的光学目标夹角是固定的，所以工业相机也需要在特定的位置停下来，这就需要定位系统，本文中采用欧姆龙公司生产的光纤光电传感器作为定位元件，并使用PLC 作为逻辑控制核心，通过接收光电传感器的开关信号来判断工业相机的当前位置，进而控制电机的正反转，使得工业相机到达指定的位置。本文中设计的控制系统组成图如图5所示。

图5：控制系统组成图

控制系统的工作过程如下：第一步，查看相机现在所处位置，通过控制单元手动控制电机带动相机底座，使相机与JSJ-ZB 上待检的经纬仪照准部对齐，接下来通过调整相机镜头的焦距，从而来获得清晰的十字丝图像；第二步，在上位机软件上选取需要检定的项目，再脚踩脚踏开关，开始该检定项目的检定；第三步，上位机软件将该项目所需相机所处的位置传递给可编辑逻辑控制器，可编程逻辑控制器控制电机，电机带动传动系统（电机控制逻辑流程图如图6所示），将相机传动所要求的位置；第四步，检定员再手动将经纬仪的照准部转动，照准相应的光管，此时，就可以在上位机软件上看到十字丝图像，如图7(a)所示。

图6：电机控制逻辑流程图

图7：十字丝识别

5 机器视觉系统设计

5.1 图像采集系统设计

本文中是采用工业相机采集经纬仪目镜中的光学图像，而经纬仪目镜一般采用高斯目镜，其主要参数是：f=44mm。在本数据采集系统中，工业相机选用DC-140M 型CCD 相机，其主要参数如下：分辨率：1360*1024，像元尺寸：4.65*4.65um，像面尺寸：1/2″，帧率：7.5fps，数据位数：8bit。

与之配套的工业镜头选用COMPUTAR 公司生产的M7528 型定焦镜头，其主要参数如下：焦距：75mm；视场角：6.2*5.0*3.7；相对通光孔径：2.8-16C，像面尺寸：2/3″。

5.2 图像处理

数字图像在进行识别之前，需要进行预处理、阈值分割等方式，将目标从背景中提取出来。本文中采用中值滤波和直方图均衡化方法来对图像进行预处理，得到的预处理后图像如图7(b)所示。因十字丝图像背景不均匀，故采用可变阈值对图像进行阈值分割，得到分割后的图像如图7(c)所示。

在经纬仪检定过程中，照准过程是利用经纬仪的十字丝去对准检定装置的十字丝，通常采用的是双丝夹单丝的方式来瞄准。故本文中是需要将十字丝中长度较长的直线提出出来。基于十字丝的长度特征，构建了20*1 和1*20 的核模板，采用形态学方法分别分割出水平像和垂直向的十字丝，分别分割出水平方向十字丝图像如图7(d)，垂直方向的十字丝图像如图7(e)。

为了获取十字丝的中心，用了OPENCV 中的cvFindContours()函数获取十字丝的轮廓，并利用轮廓数据得到轮廓四个角点的坐标即可画出中心直线，最后得到的直线反应在原图像中如图7(g)所示。

6 结论

本文对经纬仪检定辅助观测装置的结构和工作原理进行了详细设计，通过图像处理技术，将得到的十字丝图像进行处理，得到了识别后的十字丝图像，印证了本观测系统的可行性，后续可在此基础上进一步开发，使得经纬仪检定过程可以进一步自动化和数字化。