[发明专利]一种复杂结构薄部件三维位置及姿态的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于信息技术中的视觉测量领域，尤其涉及一种复杂薄部件三维位置及姿态的视觉测量方法。

背景技术

基于双目视觉的测量方法可实现工业生产线上零部件的三维尺寸测量、定位及在线质量控制，是当前信息技术中的一个重要研究领域，并已经在常见小尺寸零部件的测量及定位等方面得到应用。而对于大尺寸且具有复杂结构的薄部件(如汽车白车身的两侧侧围和车门等)的三维位置及姿态测量来说，还未见其明确应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种待测薄部件三维位置及姿态的测量方法，其包括：

步骤1：标定双目相机的内部参数、外部参数及双目相机的空间位置关系，建立双目视觉测量系统中三维世界坐标系与二维图像坐标的映射关系；

步骤2：使用SIFT算子提取所述基准薄部件双目图像中的SIFT特征点对，生成SIFT先验特征库，并使用所述SIFT特征点对所在的三维平面作为基准薄部件所在的基准平面；

步骤3：对于待测薄部件的双目立体校正图像对，分别提取多个SIFT特征点对，并将所提取的SIFT特征点对与所述SIFT先验特征库中的SIFT特征点对进行匹配，得到与所述SIFT特征先验库中的SIFT特征点对同等数目且相对应的SIFT特征点对集合；

步骤4：根据所得到的SIFT特征点对集合中特征点的图像坐标，得到所述待测薄部件的三维点云，进而获得该待测薄部件的空间平面；

步骤5：通过求解所述空间平面与基准平面之间的变换矩阵，确定所述待测薄部件的三维位置及姿态信息。

本发明采用双目视觉测量技术：(1)根据应用场景和视野范围选定合适的摄像头和镜头，搭建双目视觉系统，并分别对左、右两个相机分别进行标定，获得左、右相机的内部参数和镜头畸变系数，根据基准平面上的世界坐标系，获得左、右相机的外部参数，再进行双目立体标定，进一步获得左、右相机之间的空间位置关系；(2)对采集的双目图像，先后进行镜头畸变校正和立体校正处理，分别获得双目畸变校正图像对和双目立体校正图像对，针对基准位姿薄部件的双目立体校正图像对，提取其SIFT特征，手工选取薄部件特定位置处(如定位孔、定位栓等位置)的SIFT特征，获取其双目特征匹配对集合，将其作为SIFT先验特征库，针对待测薄部件的双目立体校正图像对，提取其SIFT特征，并与先验特征库进行特征匹配，获得与之同等数目且相对应的特征匹配对集合；(3)通过双目测量法得到特征匹配对集合的三维坐标，获得特征点的三维点云；(4)根据最小二乘法，分别计算基准位姿薄部件三维点云和待测薄部件三维点云的主平面，通过计算两主平面之间的空间位置关系，获得待测薄部件的三维位置及姿态。本发明提出的复杂薄部件三维位置及姿态测量方法，有助于工业机器手自动制造、装配、焊接等工艺过程中对薄部件的精确定位，本发明的方法定位精度高、成本低廉、便于操作。

附图说明

图1是本发明中复杂薄部件三维位置及姿态的测量方法总框图；

图2是本发明中双目相机成像模型及物理成像和归一化成像坐标系；

图3是本发明中双目相机立体标定示意图；

图4是本发明中特征匹配流程图；

图5是本发明中缺失SIFT特征的获取示意图；

图6是本发明中特征点三维点云计算流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明公开了一种复杂薄部件三维位置及姿态的视觉测量方法。

图1示出了本发明中复杂薄部件三维位置及姿态的视觉测量方法流程总框图。如图1所示，该方法分为基准位姿测量和待测位姿估计两个阶段。其中，基准位姿测量阶段包括：相机标定、双目图像同步采集、双目图像对畸变校正和立体校正、双目图像对SIFT特征提取、先验特征集获取、基准位姿薄部件三维点云获取、基准位姿薄部件的三维位姿估计等步骤；待测位姿估计阶段包括：双目图像同步采集、双目图像对畸变校正和立体校正、双目图像对SIFT特征提取、待测位姿薄部件的特征集获取、待测位姿薄部件三维点云获取、待测位姿薄部件的位姿估计等。

由于上述基准位姿测量和待测位姿估计中相应步骤的实现方式相同，因此下面将其总结归纳为四大步骤展开描述，即相机标定、特征提取及薄部件表征、双目视觉测量及三维点云获取和薄部件三维位置及姿态估计，并结合相关附图对本发明各步骤做进一步的详细描述。

本发明公开的复杂薄部件三维位置及姿态的视觉测量方法具体包括：