角度校正

角度校正可消除直線電機等的位置角度誤差，採用不受位置角度影響的輸入量對位置角度進行校正。校正過後，直線電機可以實現對力矩電流的精確控制，而且位置角度誤差能夠被校正。

基本介紹

• 中文名：角度校正
• 外文名：Angle correction
• 描述：校正位置角度誤差
• 套用：直線電機
• 學科：數學

概念

角度校正方法應具備以下步驟：①基準球測量步驟，通過機械的感測器，在放置在工作檯的一個基準球的指定移動軸方向位置，沿測量軸方向在基準球上掃描取得測量軸方向形狀信息，在工作檯的直線移動得到的同一基準球的多個不同指定移動軸方向位置進行該取得；②峰值檢測步驟，檢測上述形狀信息的峰值點，對上述各形狀信息進行該檢測；誤差信息取得步驟，求出關於表示基於各峰值點的位置信息的工作檯實際移動方向的實際直線與表示工作檯理想移動方向的理想直線間的傾斜度的信息；③校正用信息取得步驟，求出校正實際直線傾斜引起的測量軸方向位置信息的測量誤差的校正用信息；校正步驟，基於校正用信息校正感測器得到的測量軸方向位置信息。

一種紙幣傾斜角度校正方法

紙幣高速通過清分機時所採集的圖像，一定程度上存在紙幣位置傾斜現象，因此在圖像處理系統中，都不可避免地需要對採集獲得的圖像進行傾斜度校正預處理，否則會給後面的圖像分割、字元識別等圖像分析處理帶來一定的困難，影響圖像的識別效果。傾斜校正能否快速準確的完成同樣也會對後續工作有著重要的影響。

圖1 水平和垂直方向Sobel運算元

圖像傾斜校正過程中，如何檢測紙幣圖像的傾斜角是校正技術的核心。比較流行的圖像傾斜度校正方法主要有：基於Fourier變換的方法、基於K一最近鄰簇的方法、基於投影的方法和基於Hough變換的方法等。但是上述方法計算速度慢，不能滿足紙幣清分機對圖像的實時性處理要求。本文研究了一種Sobel運算元邊緣檢測和改進Hough變換相結合的方法對紙幣傾斜角度進行校正處理。首先，利用Sobel水平運算元提取待校正傾斜紙幣的邊緣。實際套用中，紙幣圖像邊緣存在毛邊或噪聲等情況，所以紙幣圖像的邊緣只是一個較不清晰的直線輪廓，為了能較準確地找到圖像邊緣，採用Hough變換檢測圖像中的直線。Hough變換是一種從圖像中識別或提取某種特定幾何形狀的算法，利用不同參數空間下點與線的對偶性，將原來圖像所在空間的某特定曲線利用曲線表達式轉換為對應參數空間裡某一點，從而可以實現將曲線的尋找檢測問題轉變成為在參數空間中對峰值點的尋找問題。Hough變換的最大優點是抗干擾性強，可以克服紙幣邊緣存在的噪聲影響，但缺點是計算速度慢。研究針對Hough變換計算速度慢的缺點，對Hough變換進行了改進，提高了計算速度。

圖2 紙幣圖像

圖3 水平方向Sohel運算元檢測結果

圖像邊緣檢測

常用的邊緣檢測方法大都是基於方嚮導數的算法，這些算法主要有基於一階微分運算元的Robert邊緣檢測運算元和Sobel邊緣檢測運算元及基於二階微分運算元的拉普拉斯邊緣檢測運算元。考慮到Sobel邊緣檢測運算元具有更強的抗噪聲干擾能力和較快的計算速度，本文採用Sobel運算元對紙幣邊緣檢測。圖1為Sobel水平方向和垂直方向運算元；圖2為採集到待邊緣檢測的紙幣圖像；圖3為Sobel水平方向運算元檢測到的紙幣邊緣；圖4為Sobel垂直方向運算元檢測到的紙幣邊緣。從檢測結果可以看出，水平運算元邊緣檢測所得直線比較長且除紙幣邊緣無其它噪聲，因此以紙幣水平方向的邊緣為對象來計算紙幣的傾斜角度。

圖4 垂直方向Sobel鼻子檢測結果

傾斜角度計算

Hough變換運用兩種坐標之間的變換來檢測圖像中的直線或其它有規律變化的曲線。由於RMB圖形是一個標準的矩形圖，本文利用Hough變換檢測紙幣圖像上的水平邊緣或者豎直邊緣。Hough的最大特點是抗干擾能力強，且這條直線上的點數越多，這種抗干擾能力就越好。圖3所得到的水平邊緣明顯比圖4得到的垂直邊緣長，因此選擇在圖4的水平邊緣上套用Hough變換來計算直線。Hough變換的原理：設原圖像x-y空間中，直線的方程為y=ux+v，將其轉換成極坐標ρ-θ空間中對應的極坐標方程為ρ=xcosθ+ysinθ

式中：ρ為直線到原點的距離，θ表示直線法線與z軸的夾角。通過Hough變換，x-y空域內的任一條直線可以用ρ-θ空間裡的一個點(ρ_i，θ_i)來表示；同樣x-y空域內的任意一點(x，y)也可以用ρ-θ空間裡的一條正弦曲線表示，也就是所謂的點線對偶。Hough變換雖然抗干擾能力強，但由於遍歷的範圍廣，導致了計算速度慢。為了令Hough變換適應圖像運算的高速要求，設定了角度計算時的範圍和步長，即θ=-S⁰：S⁰_i：S⁰。這樣，計算速度就受到了範圍土S⁰和步長S⁰_i的限制。範圍越大，計算時間越長；步長越小，計算時間越長。可以通過實驗，確定合適的範圍和步長。

Hough變換的算法實現步驟為：

(1)定義一個ρ-θ空間(並定義一個計數器i_hough(ρ，θ))所有元素初始化為零；

(2)對待校正的圖像二值化，區分出目標圖和背景圖；

(3)遍歷圖像所有像素點，並對每點進行判斷，若是目標點，則令角度θ_i以步長S⁰_i從-S⁰遍歷到S⁰，將所有角度依次代入上述方程，並對ρ-θ空間對應的位置元素加1計數(對計數器i—hough(ρ，θ)加l計數)；

(4)當完成對所有像素目標點判斷後，檢測ρ-θ空間的所有點，並尋找峰值點，峰值點對應著x-y空間的一條直線。

研究結論

通過採用Sobel運算元和Hough變換相結合的方法計算紙幣的傾斜角度，進而完成對紙幣傾斜角度的校正，對提出的算法在DM642核心處理晶片上進行了實現。實驗證明，此校正方法不僅具有較強的抗干擾性、較快的計算速度，而且還具有較好的校正效果。

室內GPS發射器角度校準裝置的研製

開展室內GPS的角度校準研究對室內GPS綜合測量誤差的評定及室內GPS的推廣套用具有重要基礎意義。研究結合室內GPS的測角原理研製了一套室內GPS發射器角度校準裝置，解決了室內GPS發射器水平角和俯仰角的校準問題。

室內GPS的測角原理

室內GPS測角原理如圖5所示。該系統可以簡單描述為發射器、接收器及計算機等部件的合成。其核心是發射器，每個發射器發射出兩束扇形光束，當發射器旋轉時，這兩束光將掃掠整個測量空間。每個發射器的旋轉速度都是單一的，它使得接收器能夠跟蹤某發射器並與其它發射器的信號隔離。每個發射器開始轉動時，還發射第3路光信號，該寬面選通脈衝信號作為接收器的時間信號，它繞發射器整個3600圓周發射。發射器的測量空間由扇面光和選通脈衝光來決定，扇形光束決定了垂直測量範圍、選通脈衝光決定了水平測量範圍。接收器通過測量兩個脈衝及最後一個脈衝間隔與選通脈衝之間的時問間隔將時間信息轉換為角度信息，這樣接收器就可確定每個感測器到發射器的水平角和垂直角。

圖5 室內GPS測角原理

由於室內GPS測量得到的是水平角和垂直角的信息，所以由兩台或兩台以上室內GPS發射器可以組成原理與經緯儀測量系統類似的坐標測量系統，從而可測得接收器的空間位置。因為測量點空間坐標測量不確定度來源於室內GPS的測角的不確定度，因此要評定整個系統的精度就要首先確定單個室內GPS發射頭的測角精度。

系統設計

（1）技術要求

根據室內GPS的測量原理，其水平角和垂直角的測量不確定度是不一樣的，設定測量範圍為≤10m，則室內GPS發射器標定的指標為：水平角的測量不確定度為3.0”，垂直角的測量不確定度為2.4”。

根據校準的需要，要求室內GPS角度校準裝置的測量不確定度：水平角測量不確定度U_H=1.6”(k=2)；俯仰角測量不確定度U_p=1.0”(k=2)。

（2）整體方案

室內GPS發射器水平角和俯仰角的校準問題是採用精密轉台與豎軸雷射導軌生成多目標的方法相結合的方案來解決的。根據角度校準的技術要求，角度校準裝置主要由精密轉台系統、同軸調整系統、豎軸雷射導軌系統組成。校準裝置的布置如圖6所示，轉台中心距導軌運動軸線1.7m，豎軸雷射導軌的有效行程為2m，以保證滿足±30°俯仰角校準的需要。其中精密轉台能夠直接對發射器的水平角進行標定，而俯仰角則需利用三角形的邊長給出，豎軸雷射導軌系統能夠在豎直方向生成並精確測得多個目標定位點的距離，發射器中心到豎直雷射導軌的垂直距離可以測得，則其俯仰角便可以此求出。同軸調整系統能夠實現發射器的旋轉軸與轉台旋轉軸問的快速同軸調整。

圖6室內GPS發射器角度校準裝置

（3）同軸調整系統

水平角及俯仰角的校準需要先將室內GPS調整到與轉台同軸的位置上，傳統方法是利用千分表的方法進行調整，該方法不僅效率低，而且需要藉助外部工裝將將發射器的軸心線引出。該同軸調整系統基於一維PSD實現同軸調整，它包括4部分：一是由3個定位基準盒組成的同軸調整基準，二是安裝有兩個雷射器的高精度旋轉定位軸系，三是五維調整機構，四是安裝在被測件旋轉軸上的雷射定位器。同軸調整工作方式如圖7所示。同軸調整過程如下：同軸調整時雷射定位器安裝到室內GPS的旋轉頭上，並鎖緊，再將安裝有雷射定位器的室內GPS安裝在五維調整機構上。當室內GPS旋轉頭旋轉時，兩個雷射定位器會掃出以室內GPS旋轉頭為軸線的兩個錐面，此時由於室內GPS旋轉軸與轉台轉軸不重合，雷射不會同時打在6個PSD的零位上，通過調整五維調整機構，使得6個PSD數據輸出基本為零，即能保證室內GPS轉軸與轉台轉軸重合，調整完成後取下雷射定位器，便可開展室內GPS的角度校準工作。經實驗測得其同心調整精度為0.004mm。

圖7同軸調整系統

（4）豎軸雷射導軌系統

豎軸雷射導軌系統能夠在豎直方向上的目標點位精確距離測量，主要目的是為解室內GPS俯仰角的精確校準問題而設計。該系統主要由干涉儀、導軌背架、鑄鐵安裝平台、導軌、減速器、驅動電機、導軌調整機構、反射鏡安裝台、墊鐵及驅動控制系統構成，具體結構如圖8所示。系統利用滾珠絲槓導軌將單一感測器運動到多個定位點位置，採用雷射干涉儀作為豎直導軌測長的基準，實現多點高精度測量，避免了感測器進行逐點測量時引入的目標定位誤差對測角精度的影響。採用多點測量時感測器與目標點採用銷孔配合，其定位誤差在0.01mm左右，發射器距離目標點距離為1.7m，經推算由此引入的測角誤差在1.2”左右，而豎軸雷射導軌系統在豎直方向上的測量精度可達到0.005mm，由此引入的測角誤差為0.6”，因此豎軸雷射導軌的引入提高了俯仰角的校準精度。

圖8豎軸雷射導軌系統