[发明专利]一种基于位姿估计的测棒快速标定装置和方法

权利要求书

1.一种基于位姿估计的测棒快速标定装置，其特征在于，包括一个具有既定分布目标靶点（1）的测棒（2）、一个相机（3）、一个标定辅件（4）、一台计算机（5）；所述标定辅件（4）放置在相机（3）视场范围之内，将测棒（2）的测棒测头（6）前端置于标定辅件（4）上的一个定孔，围绕该定孔摆动测棒（2），分别置于i个不同位姿，其中i≥3的自然数，同时相机（3）拍摄当前位姿下的测棒（2），所述相机（3）与计算机（5）连接，将采集的图像在计算机（5）上利用图像处理的方法得到各个位姿下的位姿参数，通过相关算法计算得到各个目标靶点（1）的中心点在以测棒测头（6）中心为原点的右手坐标系下的精确三维坐标。

2.根据权利要求1所述的基于位姿估计的测棒快速标定装置，其特征在于，所述标定辅件（4）上等距分布了若干孔径小于测棒测头（6）直径的标定定孔（14），用以作为标定过程中与测棒测头（6）充分接触形成球运动副，若干标定定孔（14）的孔径不同，配合不同直径的测棒测头（6）使用；标定辅件（4）四个边角位置分别布置了四个固定螺纹孔（15），保证在标定过程中标定辅件（4）位置信息是唯一不变的；标定辅件（4）上布置了两个高加工精度的校核孔（16），用来校核视觉测量系统中测孔功能的测量误差；标定辅件（4）的两个面作为被夹具固定的夹持面（18）；标定辅件（4）上的另外两个面为校核面（17），作为校核视觉测量系统的测面功能的测量误差。

3.一种基于位姿估计的测棒快速标定方法，其特征在于，实施步骤为：

第一步：将测棒（2）及标定辅件（4）放置在已经标定好的相机（3）视场之内，并利用标定辅件（4）上的螺纹孔（15）将标定辅件（4）固定在相对于相机的静态基面上；

第二步：将测棒测头（6）前端放置在标定辅件（4）上的某一直径小于测棒测头（6）直径的标定定孔（14）上；

第三步：摆动测棒（2），使得测棒（2）处于i个不同位姿，其中i≥3的自然数，同时，测棒（2）上的目标靶点（1）需要朝向相机（3），相机（3）同步拍摄；

第四步：将拍摄到的不同位姿图像在计算机（5）上利用图像处理的方法得到各个位姿下的位姿参数；

第五步：通过计算，求出测棒测头（6）中心坐标，再将目标靶点（1）坐标统一在以测棒测头（6）中心为原点建立的右手直角坐标系上。

4.根据权利要求3所述的基于位姿估计的测棒快速标定方法，其特征在于，所述第三步中相机（3）同步拍摄不同位姿下的测棒（2）上的目标靶点（1），该目标靶点（1）在图像中呈现的轮廓为椭圆光斑；通过对图像进行预处理及轮廓检测，并进行椭圆拟合，从而得到椭圆光斑中心在图像中的精确位置信息，为后续计算测棒（2）所处位姿的位姿信息做好准备。

5.根据权利要求3所述的基于位姿估计的测棒快速标定方法，其特征在于，所述第五步中计算测棒测头（6）中心坐标的方法为：通过第四步得到的位姿参数，能够得到测棒（2）上目标靶点（1）中心点在相机（3）坐标系下的三维坐标信息；首先，求出相邻不同位姿之间的变换，包括旋转矩阵R和平移矩阵T；其次，假设相机（3）坐标系下测棒测头（6）中心的坐标为                                                ，由于测棒（2）在各个位姿下测棒测头（6）中心坐标不变，得到以下方程组：

其中、表示标定过程中，摆动测棒（2），第i个位姿下的旋转矩阵和平移矩阵；相机（3）坐标系表示一种右手直角坐标系，其中，原点为相机（3）光心，Z轴与相机（3）的光轴重合，取摄影方向为正方向，X和Y轴所在平面与图像成像平面平行；

由于测棒测头（6）标定时，测棒测头（6）放置在标定定孔（14）上进行任意的位姿变换，测棒测头（6）中心的位置是不变的，简化并联立不同位姿下的方程得：

其中表示单位矩阵；通过解线性方程组就可以得到，即测棒测头（6）中心的坐标信息。

6.根据权利要求3所述的基于位姿估计的测棒快速标定方法，其特征在于，所述第五步中将目标靶点（1）坐标统一在以测棒测头（6）中心为原点建立的右手直角坐标系上的方法为：根据目标靶点（1）中心位置信息拟合直线得到Y轴方向向量和Z轴方向向量，在Z轴不变情况下对Y轴进行正交化，保证Y轴垂直Z轴，然后叉乘两轴可得到X轴，这样便得到测棒坐标系，即以测棒测头（6）为原点，以 X、Y、Z 轴方向为坐标轴方向的右手直角坐标系；再以 X、Y、Z 轴方向的三个单位向量作为坐标系转换矩阵中旋转矩阵的三个列向量，测棒测头（6）中心坐标作为坐标系转换的平移向量 ，根据变换公式：

其中表示为目标靶点（1）在相机（3）坐标系下的坐标信息，为目标靶点（1）在测棒坐标系下的坐标信息；最后，根据上述公式，将相机（3）坐标系下的目标靶点（1）坐标变换到测棒坐标系下。