專利名稱：基于激光指示與圖像處理的圓頂隨動(dòng)控制方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天文儀器研究與制造領(lǐng)域，具體涉及一種用于對(duì)天文圓頂進(jìn) 行隨動(dòng)控制的基于激光指示與圖像處理的圓頂隨動(dòng)控制方法，以及這種隨動(dòng) 控制方法所使用的設(shè)備。
背景技術(shù)：
天文望遠(yuǎn)鏡一^l殳固定安裝在天文圓頂內(nèi)，望遠(yuǎn)#:透過圓頂?shù)奶齑坝^測(cè)天 體。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡指向不同位置時(shí)，天窗應(yīng)該一直對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡鏡筒所指的方位。 目前一般用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制圓頂，使其總是對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡方位，這就是圓頂?shù)?隨動(dòng)。目前用以下方法進(jìn)行圓頂隨動(dòng)控制。
在圓頂方位傳動(dòng)系統(tǒng)的某一位置安裝角度檢測(cè)元件，用于檢測(cè)圓頂轉(zhuǎn)過 的角度，并在圓頂?shù)牧阄惶幇惭b零位檢測(cè)開關(guān)，構(gòu)成增量式的角度計(jì)量系統(tǒng)， 得到圓頂?shù)漠?dāng)前方位。同時(shí)，根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的軸角、安裝地的經(jīng)緯度、望遠(yuǎn)鏡 的機(jī)架形式，計(jì)算望遠(yuǎn)鏡指向的地平方位，根據(jù)圓頂方位與望遠(yuǎn)鏡指向方位 的差來控制圓頂正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止。
常用的圓頂角度檢測(cè)元件有霍爾元件+磁鋼、光柵編碼器、機(jī)械齒盤+
光電二極管等。
這種控制方法主要存在四個(gè)方面的缺點(diǎn)。首先，當(dāng)用"霍爾元件+磁鋼" 作檢測(cè)元件時(shí)，霍爾元件的壽命較短，容易損壞，帶來較高的維修成本。當(dāng) 用"光柵編碼器"、機(jī)械齒盤作檢測(cè)元件時(shí)，由于圓頂運(yùn)動(dòng)時(shí)震動(dòng)大，環(huán)境
灰塵多，光柵容易破碎，齒盤的間隙易被灰塵堵塞，造成角度檢測(cè)失靈。無 論哪種檢測(cè)元件都不能達(dá)到可靠、耐用的要求，其次，由于圓頂重量大，一 般用大功率的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在電機(jī)啟動(dòng)/停止、繼電器吸合/松開時(shí)，計(jì)數(shù)
系系統(tǒng)受到較強(qiáng)的電磁干擾，計(jì)數(shù)容易出錯(cuò)；第三，對(duì)于望遠(yuǎn)鏡的兩個(gè)軸不 相交的機(jī)架形式，例如德國式、水平式、帶重錘平衡的地平式等，由望遠(yuǎn)鏡 軸角計(jì)算而得的方位并不是望遠(yuǎn)鏡指向的實(shí)際方位，需要根據(jù)望遠(yuǎn)鏡、圓頂 的機(jī)架尺寸，用復(fù)雜的天文數(shù)學(xué)方法加以改正，稱為軸交點(diǎn)偏心改正，改正 的公式推導(dǎo)困難、需實(shí)測(cè)的參數(shù)多、不同機(jī)架形式的望遠(yuǎn)鏡其公式不同；第 四，這種方法要求望遠(yuǎn)鏡兩軸的交點(diǎn)應(yīng)處于圓頂?shù)那蛐?，或處于通過圓頂球 心的鉛垂線上。增加了安裝的難度，對(duì)于望遠(yuǎn)鏡兩軸不相交的情況，更加難 以精確安裝。由于存在這此缺點(diǎn)，圓頂隨動(dòng)難以達(dá)到較高的精度，可靠性難 以保證，甚至經(jīng)常發(fā)生鏡筒被圓頂遮擋的情況，

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明將提供一種基于激光指示與圖像處理 的圓頂隨動(dòng)控制方法，該新的圓頂隨動(dòng)控制方法用價(jià)格低廉的"網(wǎng)絡(luò)攝像頭 +激光指示器"自動(dòng)檢測(cè)圓頂天窗與望遠(yuǎn)鏡是否對(duì)準(zhǔn)(而不必檢測(cè)圓頂?shù)姆?位值，不需要圓頂方位檢測(cè)裝置)，可以適合于任何機(jī)架形式的望遠(yuǎn)鏡，對(duì) 望遠(yuǎn)鏡兩軸是否相交及交點(diǎn)的安裝位置沒有要求，整個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)的器材和安 裝成本基本沒有增加，但維護(hù)、維修成本大幅下降，性能可靠耐用、抗干擾 力強(qiáng)，通用性好。本發(fā)明還將提供這種隨動(dòng)控制方法所使用的設(shè)備。
完成上述發(fā)明任務(wù)的方案是
一種基于激光指示與圖像處理的圓頂隨動(dòng)控制方法，步驟如下 (1)、在望遠(yuǎn)鏡鏡筒上，安裝一只攝像頭，攝像頭光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸基本
平行，攝像頭由軟件設(shè)定曝光時(shí)間、幀率等拍攝參數(shù)；
在望遠(yuǎn)鏡鏡筒外壁上，等間隔地安裝若干只激光器(在本方案中是作為 激光指示器)，所有激光器的光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸基本平行；
所述的"等間隔，，是指圍繞望遠(yuǎn)鏡鏡筒的角度。例如安裝3只激光器時(shí) 為間隔120° ;安裝6只激光器時(shí)為間隔60。。本申請(qǐng)推薦每隔90°安裝 一只激光器，共4只。
(2) 、計(jì)算機(jī)每隔一設(shè)定的時(shí)間，采集10 50幅圖像，進(jìn)行疊加去噪處理， 得到望遠(yuǎn)鏡指向處的圖像；
(3) 、根據(jù)所選激光指示器的顏色，由軟件濾除圖像背景，得到激光點(diǎn)個(gè)
數(shù)；
(4) 、隨動(dòng)控制軟件根據(jù)激光點(diǎn)的個(gè)數(shù)，控制圓頂電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，直到
激光點(diǎn)消失，此時(shí)望遠(yuǎn)4免對(duì)準(zhǔn)天窗，停止圓頂電才幾，該次隨動(dòng)動(dòng)作完成；
(5) 、反復(fù)執(zhí)行以上的第(2)步驟到第(4)步驟，直到觀測(cè)結(jié)束或撤消隨動(dòng)控制。
以上方法的工作原理是當(dāng)望遠(yuǎn)鏡鏡筒指向在"圓頂天窗"范圍內(nèi)時(shí)， 激光點(diǎn)射出天窗，不能被反射回來，攝像頭拍不到激光點(diǎn)的像，此時(shí)圓頂電 機(jī)不需運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)鏡筒指向不全部在"圓頂天窗，，內(nèi)，即鏡筒的部分或全部被 圓頂遮擋時(shí)，激光被圓頂內(nèi)壁反射回來，攝像頭可拍到至少一個(gè)激光點(diǎn)，此 時(shí)圓頂電機(jī)需轉(zhuǎn)動(dòng)。
以上方法的優(yōu)化方案有1、除了望遠(yuǎn)鏡鏡筒外壁上安裝的激光器外；將更多數(shù)目的激光指示器安 裝在鏡筒的外接多邊形的頂點(diǎn)上(例如，增加三只激光指示器，安裝在鏡筒 的外接三角形的頂點(diǎn)上)；
2、所述激光指示器的顏色(波長)根據(jù)觀測(cè)的波段選定， 一般選紅色， 對(duì)觀測(cè)的CCD及人眼的影響小。
上述方法使用的設(shè)備是 一種基于激光指示與圖像處理的圓頂隨動(dòng)控制
設(shè)備，設(shè)有圓頂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電腦控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成隨動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，其 特征在于，
在望遠(yuǎn)鏡鏡筒上，安裝有攝像頭，該攝像頭光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸基本平行，
攝像頭由軟件設(shè)定曝光時(shí)間、幀率等拍攝參數(shù)；
在望遠(yuǎn)鏡鏡筒外壁上，等間隔地安裝若干只激光器(在本方案中是作為 激光指示器)，所有激光器的光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸基本平行； 攝像頭的輸出接隨動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的電腦。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用民用攝像頭與激光指示器，由計(jì)算 機(jī)采集圖像，經(jīng)軟件處理得到望遠(yuǎn)鏡與天窗是否對(duì)準(zhǔn)的信息。可以自動(dòng)檢測(cè) 圓頂天窗與望遠(yuǎn)鏡是否對(duì)準(zhǔn)；而不必檢測(cè)圓頂?shù)姆轿恢?；不需要設(shè)置圓頂方 位的檢測(cè)裝置；不受望遠(yuǎn)鏡機(jī)架形式、安裝方式等的影響，能可靠保證望遠(yuǎn) 鏡指向與圓頂天窗一直保持一致，通用性強(qiáng)、成本低、抗干擾、性能可靠。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1，南京中科天文儀器有限公司天文臺(tái)圓頂隨動(dòng)系統(tǒng)。在望遠(yuǎn)鏡 鏡筒上，安裝一只攝像頭，攝像頭光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸基本平行，攝像頭由軟件設(shè)定曝光時(shí)間、幀率等拍攝參數(shù)。在望遠(yuǎn)鏡鏡筒外壁上，等間隔地安裝若 干只激光器指示器，所有激光器的光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸基本平行。
隨動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)軟件處理流程如下
① 、取得一幀圖像，為確保每幀圖像都被處理，應(yīng)在視頻卡的幀綬沖區(qū) 滿消息中，取得該幀的圖像數(shù)據(jù)；
② 、對(duì)N幀圖像疊加，以增強(qiáng)信號(hào)，防止干擾，N根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果設(shè)定， 可在20~50間選取，每秒捕捉10 30幀圖像，可在1 2秒內(nèi)疊加出一幅可用 的圖像；
③ 、對(duì)疊加后的圖像做常規(guī)平滑去噪處理；
④ 、根據(jù)激光顏色和圓頂內(nèi)壁顏色濾除背景
灰度背景濾除紅綠蘭(R、 G、 B)三個(gè)顏色分量接近的(三個(gè)差小 于M的，M可設(shè)定20-50),置為零；
圓頂內(nèi)壁顏色濾除RGB三個(gè)顏色分量的差與圓頂內(nèi)壁顏色特征一 致的像素，置為零；
其它顏色點(diǎn)濾除RGB三個(gè)顏色分量的差與激光顏色特征不一致的 像素，置為零；
⑤ 、計(jì)算激光點(diǎn)的個(gè)數(shù)
采用連通域法計(jì)算激光點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)連通域的點(diǎn)it大于V時(shí)，確定為一 個(gè)激光點(diǎn)；V由所選激光筆的光柱直徑、激光強(qiáng)度決定，經(jīng)實(shí)測(cè)得到。
⑥ 、根據(jù)望遠(yuǎn)鏡方位變化求圓頂電機(jī)方向
定時(shí)計(jì)算望遠(yuǎn)鏡方位，比較本次方位與上次方位，如增大，則圓頂方向 為正；如減小，則圓頂方向?yàn)榉础?br> ⑦ 、根據(jù)激光點(diǎn)的個(gè)數(shù)判斷電機(jī)起停
當(dāng)激光點(diǎn)數(shù)大于零時(shí)，啟動(dòng)圓頂電機(jī)；當(dāng)激光點(diǎn)數(shù)等于零時(shí)，停止圓頂 電機(jī)，本次隨動(dòng)動(dòng)作完成
⑧ 、循環(huán)執(zhí)行上述過程直至導(dǎo)星結(jié)束。
權(quán)利要求
1、一種基于激光指示與圖像處理的圓頂隨動(dòng)控制方法，其特征在于，步驟如下(1)、在望遠(yuǎn)鏡鏡筒上，安裝一只攝像頭，攝像頭光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸基本平行，攝像頭由軟件設(shè)定曝光時(shí)間、幀率等拍攝參數(shù)；在望遠(yuǎn)鏡鏡筒外壁上，等間隔地安裝若干只激光器，所有激光器的光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸基本平行；(2)、計(jì)算機(jī)每隔一設(shè)定的時(shí)間，采集10～50幅圖像，進(jìn)行疊加去噪處理，得到望遠(yuǎn)鏡指向處的圖像；(3)、根據(jù)所選激光器的顏色，由軟件濾除圖像背景，得到激光點(diǎn)個(gè)數(shù)；(4)、隨動(dòng)控制軟件根據(jù)激光點(diǎn)的個(gè)數(shù)，控制圓頂電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，直到激光點(diǎn)消失，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天窗，停止圓頂電機(jī)，該次隨動(dòng)動(dòng)作完成；(5)、反復(fù)執(zhí)行以上的第(2)步驟到第(4)步驟，直到觀測(cè)結(jié)束或撤消隨動(dòng)控制。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光指示與圖像處理的圓頂隨動(dòng)控制方 法，其特征在于，在第(l)步驟中，增加以下操作將與某一多邊形的多數(shù)對(duì) 應(yīng)數(shù)目的激光器安裝在鏡筒的外接多邊形的頂點(diǎn)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光指示與圖像處理的圓頂隨動(dòng)控制方 法，其特征在于，所述激光指示器的顏色選用紅色。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光指示與圖像處理的圓頂隨動(dòng)控制方 法，其特征在于，第(2)步驟中所述的"設(shè)定的時(shí)間"是每秒捕捉10 30幀圖像。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的基于激光指示與圖像處理的圓 頂隨動(dòng)控制方法，其特征在于，隨動(dòng)控制^i構(gòu)的計(jì)算^^軟件處理流程如下① 、取得一幀圖像，為確保每幀圖像都被處理，應(yīng)在視頻卡的幀綬沖區(qū) 滿消息中，取得該幀的圖像數(shù)據(jù)；② 、對(duì)N幀圖像疊加，以增強(qiáng)信號(hào)，防止干擾，N根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果設(shè)定， 在20~50間選耳又；③ 、對(duì)疊加后的圖像做常規(guī)平滑去噪處理；④ 、根據(jù)激光顏色和圓頂內(nèi)壁顏色濾除背景灰度背景濾除紅綠蘭三個(gè)顏色分量接近的，置為零；圓頂內(nèi)壁顏色濾除紅綠蘭三個(gè)顏色分量的差與圓頂內(nèi)壁顏色特征一致的像素，置為零；其它顏色點(diǎn)濾除紅綠蘭三個(gè)顏色分量的差與激光顏色特征不一致的像素，置為零；⑤ 、計(jì)算激光點(diǎn)的個(gè)數(shù)采用連通域法計(jì)算激光點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)連通域的點(diǎn)數(shù)大于V時(shí)，確定為一 個(gè)激光點(diǎn)；V由所選激光筆的光柱直徑、激光強(qiáng)度決定，經(jīng)實(shí)測(cè)得到。 ◎、根據(jù)望遠(yuǎn)鏡方位變化求圓頂電機(jī)方向定時(shí)計(jì)算望遠(yuǎn)鏡方位，比較本次方位與上次方位，如增大，則圓頂方向?yàn)檎?；如減小，則圓頂方向?yàn)榉?。?、根據(jù)激光點(diǎn)的個(gè)數(shù)判斷電機(jī)起停當(dāng)激光點(diǎn)數(shù)大于零時(shí)，啟動(dòng)圓頂電機(jī)；當(dāng)激光點(diǎn)數(shù)等于零時(shí)，停止圓頂 電沖/u,本次隨動(dòng)動(dòng)作完成⑧ 、循環(huán)執(zhí)^f于上述過程直至導(dǎo)星結(jié)束。
6、 一種權(quán)利要求1所述的基于激光指示與圖像處理的圓頂隨動(dòng)控制方 法所使用的設(shè)備，設(shè)有圓頂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電腦控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成隨動(dòng)控 制機(jī)構(gòu)，其特征在于，在望遠(yuǎn)鏡鏡筒上，安裝有攝像頭，該攝像頭光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸平行，攝 像頭由軟件設(shè)定曝光時(shí)間、幀率等拍攝參數(shù)；在望遠(yuǎn)鏡軸；筒外壁上，等間隔地安裝若干只激光器，所有激光器的光軸 與望遠(yuǎn)鏡光軸平行； 攝像頭的輸出接隨動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的電腦。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于激光指示與圖像處理的圓頂隨動(dòng)控制設(shè) 備，其特征在于，在鏡筒的外接多邊形的頂點(diǎn)上還安裝有相應(yīng)數(shù)目的激光器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的基于激光指示與圖像處理的圓頂隨動(dòng)控 制設(shè)備，其特征在于，所述激光器的顏色選用紅色。
全文摘要
基于激光指示與圖像處理的圓頂隨動(dòng)控制方法(1)在望遠(yuǎn)鏡鏡筒上，安裝一只攝像頭，攝像頭光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸基本平行；在望遠(yuǎn)鏡鏡筒外壁上，等間隔地安裝若干只激光器，所有激光器的光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸基本平行；(2)計(jì)算機(jī)每隔一設(shè)定的時(shí)間，采集10～50幅圖像，進(jìn)行疊加去噪處理，得到望遠(yuǎn)鏡指向處的圖像；(3)由軟件濾除圖像背景，得到激光點(diǎn)個(gè)數(shù)；(4)隨動(dòng)控制軟件根據(jù)激光點(diǎn)的個(gè)數(shù)，控制圓頂電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，直到激光點(diǎn)消失，望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天窗，停止圓頂電機(jī)，該次隨動(dòng)動(dòng)作完成；(5)反復(fù)執(zhí)行第(2)步驟到第(4)步驟，直到觀測(cè)結(jié)束或撤消隨動(dòng)控制。本發(fā)明能可靠保證望遠(yuǎn)鏡指向與圓頂天窗一直保持一致，通用性強(qiáng)、成本低、抗干擾、性能可靠。
文檔編號(hào)G05D3/12GK101344638SQ20081002255
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日
發(fā)明者周小軍, 戴海港, 朱慶生 申請(qǐng)人:南京中科天文儀器有限公司