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1、(10)申请公布号 CN 102291530 A (43)申请公布日 2011.12.21 CN 102291530 A *CN102291530A* (21)申请号 201110163022.6 (22)申请日 2011.06.17 H04N 5/232(2006.01) G03B 17/56(2006.01) (71)申请人 河海大学 地址 211000 江苏省南京市西康路 1 号 (72)发明人 陈红 唐洪武 唐立模 吕升奇 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 彭英 (54) 发明名称 自动调节 PIV 摄像机位置的方法及其装置 (57) 摘要 本发。
2、明公开了一种自动调节 PIV 摄像机位置 的方法及其装置， 该方法首先将 PIV 摄像机安装 于通过旋转电机驱动旋转的摄像机安装转盘， 且 摄像机安装转盘安装在基座上， 同时， 在基座上安 装 CCD 线阵 ； 然后， 根据 CCD 线阵捕捉到的激光片 光平面在基座上的投影信息， 采用控制器自动控 制旋转电机旋转， 使得 PIV 摄像机的中心轴线与 激光片光平面相垂直。 因此， 本发明可以自动调节 摄像机的位置和角度， 保证 PIV 实验时摄像机中 心轴线与激光片光平面的垂直关系。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 。
3、3 页 附图 2 页 CN 102291547 A1/1 页 2 1. 一种自动调节 PIV 摄像机位置的方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ：（1） 将 PIV 摄像 机安装于通过旋转电机驱动旋转的摄像机安装转盘， 且摄像机安装转盘安装在基座上， 同 时， 在基座上安装 CCD 线阵 ；（2） 根据 CCD 线阵捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信 息， 采用控制器自动控制旋转电机旋转， 使得 PIV 摄像机的中心轴线与激光片光平面相垂 直。 2. 根据权利要求 1 所述自动调节 PIV 摄像机位置的方法， 其特征在于， 步骤 （1） 中的摄 像机安装转盘通过直线往复移动装置安装在基座上， 。
4、该摄像机安装转盘与直线往复移动装 置的输出端连接， 且直线往复移动装置与基座的轴线重合， 同时摄像机安装转盘的轴线投 影于基座的轴线上， 控制器通过控制往复直线移动装置的移动， 实现 PIV 摄像机与激光片 光平面距离的调节。 3.根据权利要求2所述自动调节PIV摄像机位置的方法， 其特征在于， 所述直线往复移 动装置为丝杠机构。 4. 根据权利要求 2 所述自动调节 PIV 摄像机位置的方法， 其特征在于， 步骤 （2） 中 CCD 线阵捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息为激光片光平面在基座上的投影线 ； 控制 器根据该投影线即可计算出激光片光平面与基座轴线的夹角 ， 然后自动控制旋转电。
5、机按 照夹角 旋转， 实现 PIV 摄像机的中心轴线与激光片光平面相垂直。 5. 一种实现权利要求 1 所述自动调节 PIV 摄像机位置的方法的装置， 其特征在于 ： 包 括底座、 控制器以及 PIV 摄像机 ； 所述 PIV 摄像机安装在摄像机安装转盘上， 而摄像机安装 转盘的旋转轴与旋转电机的输出端连接 ； 所述摄像机安装转盘的旋转轴与底座定位连接， 且底座上安装用于检测激光片光平面在底座上投影信息的 CCD 线阵， 控制器通过 CCD 线阵 所反馈的信号， 自动控制旋转电机的运作。 权 利 要 求 书 CN 102291530 A CN 102291547 A1/3 页 3 自动调节 P。
6、IV 摄像机位置的方法及其装置 技术领域 0001 本发明涉及一种自动调节 PIV 摄像机位置的方法及其装置， 其主要用于调控 PIV 实验时摄像机的位置及其中心轴线与激光片光平面的角度， 以保证 PIV 实验时摄像机拍摄 到有效的实验范围及摄像机中心轴线与激光片光平面的垂直， 减少因人工调节产生的误 差。 背景技术 0002 在流体力学领域， PIV 用于测量流体速度， 可实现全场瞬时测量， 具有不干扰流体 形态、 无毒无污染等显著优点， 因此， 得到了广泛应用。PIV 原理是 ： 通过摄像机获取不同时 刻 （t1时刻、 t2时刻） 的水流粒子图像， 结合图像相关处理技术得到粒子流速， 由于。
7、粒子颗粒 微小， 很好地跟随了水流运动， 粒子的速度代表了对应水流质点速度。 0003 但是， 由于光在空气和水流的分界面发生折射， 为防止折射干扰， PIV 实验时必须 保证摄像机轴向法线与激光片光平面垂直， 目前为保证垂直， 多采用经验或者用标尺， 自动 化程度低， 调节复杂， 且难以满足高精度实验的需要。 发明内容 0004 本发明针对现有技术的不足， 提供一种自动调节 PIV 摄像机位置的方法， 其将摄 像机安装在摄像机安装转盘上， 通过摄像机安装转盘的旋转， 以使摄像机的中心轴线与激 光片光平面相垂直。 因此， 本发明可以自动调节摄像机的位置和角度， 保证摄像机中心轴线 与激光片光平。
8、面的垂直关系。 0005 为实现以上的技术目的， 本发明将采取以下的技术方案 ： 一种自动调节 PIV 摄像机位置的方法， 包括以下步骤 ：（1） 将 PIV 摄像机安装于通过旋 转电机驱动旋转的摄像机安装转盘， 且摄像机安装转盘安装在基座上， 同时， 在基座上安装 CCD 线阵 ；（2） 根据 CCD 线阵捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息， 采用控制器自动 控制旋转电机旋转， 使得 PIV 摄像机的中心轴线与激光片光平面相垂直。 0006 步骤 （1） 中的摄像机安装转盘通过直线往复移动装置安装在基座上， 该摄像机安 装转盘与直线往复移动装置的输出端连接， 且直线往复移动装置与基座的轴。
9、线重合， 同时 摄像机安装转盘的轴线投影于基座的轴线上， 控制器通过控制往复直线移动装置的移动， 实现 PIV 摄像机与激光片光平面的距离。 0007 所述直线往复移动装置为丝杠机构。 0008 步骤 （2） 中 CCD 线阵捕捉到的激光片光平面在基座上的投影信息为激光片光平面 在基座上的投影线 ； 控制器根据该投影线即可计算出激光片光平面与基座轴线的夹角 ， 然后自动控制旋转电机按照夹角旋转， 实现PIV摄像机的中心轴线与激光片光平面相垂 直。 0009 本发明的另一技术目的是提供一种实现上述自动调节 PIV 摄像机位置的方法的 装置， 包括底座、 控制器以及PIV摄像机 ； 所述PIV摄像。
10、机安装在摄像机安装转盘上， 而摄像 说 明 书 CN 102291530 A CN 102291547 A2/3 页 4 机安装转盘的旋转轴与旋转电机的输出端连接 ； 所述摄像机安装转盘的旋转轴与底座定位 连接， 且底座上安装用于检测激光片光平面在底座上投影信息的 CCD 线阵， 控制器通过 CCD 线阵所反馈的信号， 自动控制旋转电机的运作。 0010 根据以上的技术方案， 可以实现以下的有益效果 ： 本发明采用直线往复移动装置调节摄像机与激光片光平面之间的距离， 采用旋转电机 驱动摄像机安装转盘以调节安装其上的摄像机的中心轴线与激光片光光面之间的角度， 通 过 CCD 线阵检测到的片光信号。
11、， 获取激光片光平面在基座上的投影， 以计算出激光平面与 摄像机中心轴线之间的角度， 控制器自动控制直线往复移动装置以及旋转电机的运作， 以 使摄像机沿丝杆移动至适宜位置， 并确保摄像机中心轴线与激光片光平的面垂直。由此可 知 ： 本发明采用简单可行的机械结构， 结合自动控制芯片， 实现了摄像机中心轴线与激光片 光平面角度的自动调节。自动化程度高， 调节简单， 能够满足高精度实验的需要。 附图说明 0011 图 1 是本发明的结构示意图 ； 图 2 是本发明理想状态下， 片光平面与摄像机中心轴线垂直的结构示意图 ； 图 3 是本发明片光平面与摄像机中心轴线不垂直的结构示意图 图 4 是图 3 。
12、在摄像机安装转盘旋转后片光平面与摄像机中心轴线垂直的结构示意图 ； 其中 ： 基座 1 ； 摄像机安装转盘 2 ； CCD 线阵 3 ； 螺杆 4 ； PIV 摄像机 5 ； 激光片光平面 6。 具体实施方式 0012 附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图。 以下将结合附图 详细地说明本发明的技术方案。 0013 如图 1 所示， 本发明所述自动调节 PIV 摄像机位置的方法， 包括以下步骤 ：（1） 将 PIV 摄像机 5 安装于通过旋转电机驱动旋转的摄像机安装转盘 2， 且摄像机安装转盘 2 安装 在基座 1 上， 同时， 在基座 1 上安装 CCD 线阵 3 ；（2） 。
13、根据 CCD 线阵 3 捕捉到的激光片光平面 6 在基座 1 上的投影信息， 采用控制器自动控制旋转电机旋转， 使得 PIV 摄像机 5 的中心轴 线与激光片光平面 6 相垂直。其中 ： 步骤 （1） 中的摄像机安装转盘 2 通过直线往复移动装 置安装在基座1上， 该摄像机安装转盘2与直线往复移动装置的输出端连接， 且直线往复移 动装置与基座 1 的轴线重合， 同时摄像机安装转盘 2 的轴线投影于基座 1 的轴线上， 控制器 通过控制往复直线移动装置的移动， 实现 PIV 摄像机 5 与激光片光平面 6 的距离。步骤 （2） 中 CCD 线阵 3 捕捉到的激光片光平面 6 在基座 1 上的投影。
14、信息为激光片光平面 6 在基座 1 上的投影线 ； 控制器根据该投影线即可计算出激光片光平面 6 与基座 1 轴线的夹角 ， 然 后自动控制旋转电机按照夹角 旋转， 实现 PIV 摄像机 5 的中心轴线与激光片光平面 6 相 垂直。 0014 本发明的另一技术目的是提供一种实现上述自动调节PIV摄像机5位置的方法的 装置， 包括底座、 控制器以及 PIV 摄像机 5 ； 所述 PIV 摄像机 5 安装在摄像机安装转盘 2 上， 而摄像机安装转盘 2 的旋转轴与旋转电机的输出端连接 ； 所述摄像机安装转盘 2 的旋转轴 与底座定位连接， 且底座上安装用于检测激光片光平面 6 在底座上投影信息的 。
15、CCD 线阵 3， 控制器通过 CCD 线阵 3 所反馈的信号， 自动控制旋转电机的运作。 说 明 书 CN 102291530 A CN 102291547 A3/3 页 5 0015 在本发明的实施例中， 所述直线往复移动装置为滚珠丝杠机构， 滚珠丝杠机构包 括螺杆4、 驱动电机以及滚珠轴承， 驱动电机的输出端与螺杆4连接， 滚珠轴承与螺杆4配合 连接， 而摄像机安装转盘 2 通过旋转轴定位安装在滚珠轴承上。另外， 该往复直线移动装置 可以为其它形式的往复移动结构， 比如气缸、 齿轮齿条机构等。 0016 本发明所述的滚珠丝杠机构以及旋转电机皆为伺服系统， 其可以采用伺服电机， 也可以为其。
16、他的能够实现旋转运动的伺服机构。 0017 使用时， 将摄像机固定在摄像机安装转盘 2 上， 控制丝杠运动带动摄像机安装盘 沿基座 1 方向作往复直线运动， 使摄像机靠近或远离激光片光平面 6， 以满足摄像机拍摄范 围的需要， 当摄像机安装转盘 2 移动至适应的位置， 停止丝杠运动。再利用基座 1 上的 CCD 线阵 3 获取激光片光平面 6 在基座 1 上的投影， 计算出该投影线与基座 1 中心线的夹角， 控 制旋转电机转动， 带动摄像机安装转盘 2 旋转相应的角度， 以保证摄像机中心轴线与激光 片光平面 6 垂直。其中 CCD 线阵 3 为两块， 其关于基座 1 轴线对称放置。通过丝杆运动。
17、和 旋转电机的转动， 实现摄像机位置及其中心轴线与激光片光平面 6 垂直度的调节。因此， 本 发明可以自动调节摄像机的位置和角度， 保证 PIV 实验时摄像机中心轴线与激光片光平面 6 的垂直关系。 0018 本发明进行摄像机阵列位置调控的方式具体如下 ： 步骤1、 在基座1上建立标准坐标系， 该标准坐标系以移动丝杆的轴向为X方向， 底座的 中心点为原点 0， 与 X 方向垂直的方向为 Y 方向。CCD 线阵 3 的中心点在基座 1 上的坐标分 别为 （0， y0） 和 （0， y0） ， y0由制作基座 1 和安装 CCD 线阵 3 时确定， 为系统初始值。 0019 理想状态下， 如图 2。
18、 所示， 片光光面与摄像机阵列的各摄像机的中心轴线垂直， 此 时不用调节， 直接可以实验。 0020 步骤2 ： 当片光光面与摄像机的中心轴线不垂直时， 如图3所示， CCD线阵3图像传 感器分别获取与片光光面交点处的坐标 ：（x1, y0） 和 （x2, -y0） 。则片光光面在标准坐标系 中的斜率为 ： 因此， 片光光面与标准坐标系 X 轴的交角为 ： 即摄像机的中心轴线与片光光面的交角为。 0021 为保证摄像机轴向法线与片光光面相垂直， 需要旋转用于安装摄像机的摄像机安 装转盘 2， 以使摄像机中心轴线与片光光面垂直， 如图 4 所示， 选择方法是 ： 当， 摄像机安装转盘 2 顺时针旋转； 当， 摄像机安装转盘 2 逆时针旋转； 当， 不用旋转。 0022 步骤 3 ： 按步骤 2 计算交角进行旋转， 实现摄像机中心轴线与片光光面相垂直。 0023 步骤4 ： 实验结束后， 摄像机安装转盘2恢复到最初位置 （摄像机中心轴线垂直于Y 轴） 。 说 明 书 CN 102291530 A CN 102291547 A1/2 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102291530 A CN 102291547 A2/2 页 7 图 4 说 明 书 附 图 CN 102291530 A 。