[发明专利]一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置及标定方法

说明书

技术领域

本发明属于视觉测量，姿态检测领域，具体涉及一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置及标定方法。

背景技术

在飞机装配过程中，机载部件的安装与校准对飞机的作战性能起着至关重要的影响。现代作战飞机一般具有多种火炮、导弹等机载设备，同时还具有平视显示器（HUD），前视红外成像系统（FLIR），航姿参考系统（AHRS）以及惯性导航系统（INU）等多种飞机制导与控制系统。为了确保机载部件定位的有效性，需要对这些部件的安装姿态进行校准。

传统的校准方法主要利用水平仪、经纬仪等工具对飞机进行水平标定，然后在飞机前方一定距离放置标准靶板，将校准夹具和光学校准仪固定在武器系统的安装基座上，通过校准仪人工观察靶板上的靶图对安装基座姿态进行校准。这种方法无法实现数字化实时跟踪测量与校准，工作人员操作起来不仅耗时费力，而且精度难以保证，已经无法适应现代作战飞机制造的技术发展趋势。

根据Fishchler和Bolles在文章“Random sample consensus:a paradigm for model fitting with applications to image analysis and automated cartography”中提出的N点透视（Perspective N Point，PNP）算法，由空间中n个已知三维坐标的空间点和其对应在成像平面上的图像坐标，可以确定这n个点在摄像机坐标系下的坐标，即可以确定由该n点构成的坐标系在摄像机坐标系下的位姿。

如果待测量的部件位姿可以通过空间中n个已知三维坐标的空间点表征，那么通过在部件前方一定距离放置单个摄像机，用该摄像机同时对多个部件姿态以及飞机坐标系基准进行测量，可实现部件安装姿态的校准。

但是由于多数设备的安装部位处于机身内部，即使暴露在机身外部的安装基座也可能会被其他结构遮挡，因此需要将隐藏部位的姿态间接表征出来，并使得摄像机可以方便地对其进行视觉成像，从而保证基于机器视觉的部件姿态测量得以实现。“间接表征出来”的含义包含两方面的内容：1）需要通过特殊设计装置将隐藏部位的姿态传递出来；2）在视觉测量上被测部分中特征点的相对位置关系必须已知，同时作为测量目标的传递机构，其被测部分与隐藏部位间的位姿关系必须事先精确标定。

由此可见，上述表征部件姿态装置的设计和标定对于部件安装姿态的视觉检测系统研发，起着至关重要的作用。

发明内容

鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置及标定方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置，：包括视觉靶面、引出杆和适配工装三个部分，其中，所述视觉靶面由靶板、红外LED光学靶点及靶点底座构成；所述靶板的上部表面上固定所述靶点底座，所述靶点底座内放置所述红外LED光学靶点，所述靶板上设有用于固定所述靶点底座的基座，所述红外LED光学靶点、靶点底座和靶板之间胶接固定，共同构成视觉靶板的视觉被测部分；所述靶板的下端连接所述引出杆，引出杆的另一端与所述适配工装相连接；所述适配工装有定位面、定位孔、定位销等形位特征，用于与部件安装基座进行装配。

所述靶点底座具有45度倾角的安装面，该安装面通过胶接的方式固定安装在水平倾角为20度的靶板上。

靶点底座使用的是热膨胀系数极小的因瓦合金材料，在靶点底座上加装一个环形磁石。

所述靶板上基座的分布设计成非对称结构，各基座的分布数量满足PNP算法所需靶点数量。

一种使用所述视觉靶板装置对部件安装姿态进行标定的标定方法，包括视觉靶面上光学靶点空间相对位置标定和视觉靶面与适配工装几何关系标定两个标定步骤，其中：所述光学靶点空间相对位置标定步骤，采用单摄像机摄影测量方法结合辅助靶点空间移动，标定出视觉靶面上光学靶点相对位置关系；所述视觉靶面与适配工装几何关系标定步骤，利用数控移动平台控制视觉靶板做平面内移动，标定出视觉靶面坐标系与适配工装坐标系的关系。

所述视觉靶面上光学靶点空间相对位置标定具体包括以下几个步骤：

步骤1.1：离线标定出摄像机的内部参数；

步骤1.2：任选一个红外LED光学靶点作为辅助靶点，将所述辅助靶点固定在可精确控制移动的运动部件上，在该运动部件的行程空间中取N个预设位置，并将靶板固定在该行程包围的空间中，其中：N取2-10整数个；