[发明专利]单目位姿测量精度评估的一体化柔性实验方法

权利要求书

1.一种单目位姿测量精度评估的一体化柔性实验方法，其特征为，该方法采用单目相机拍摄图像，利用控制机床A、C轴及Y向和Z向滑台的旋转和平移，使棋盘格标定板处于不同空间位置拍摄多幅不同的图像；再采用特制实验装置在机床特定位姿下通过在测量基准上选取一定数量的编码点，利用空间点与图像点的对应关系来求解机床位姿，并在此基础上与其余编码点进行重投影，通过计算重投影误差来评估算法的求解精度；方法的具体步骤如下：

第一步，安装特制实验装置

特制实验装置包括相机测量部件、基准部件、驱动部件；

所述相机测量部件由工业相机、电控升降台、角钢、转接板及相机固定螺栓组成，电控升降台采用滚珠丝杠进行升降；安装在机床工作台(1)上的电控升降台(2)上装有角钢(3)，工业相机(5)通过相机固定螺栓固定在相机装接板(4)上，再将相机装接板(4)安装在角钢(3)上；

在基准部件中，先将背光源(12)安装到C型金属块(13)的中部的方形槽中，并用光源锁紧螺栓(17)与转接板(18)固联，转接板(18)加工有4排2列共8个沉头通孔和4个螺纹孔，每排沉头孔的竖直间距为Y向滑台(10)移动面板螺纹孔竖直间距的一半；将光刻玻璃板(15)安放在C型金属块(13)上方的凹槽中，用压板(14)通过压板螺栓(16)固定；

所述驱动部件包括机床两个旋转轴A轴、C轴和两个线性滑台Z向滑台(11)、Y向滑台(10)；将调节好的Z向滑台(11)和Y向滑台(10)垂直安装，再将转接板(18)通过转接板螺栓(19)固联在Y向滑台(10)的移动面板上；圆形转接法兰(8)上端有4个螺纹孔，中部为带有U型槽的盘型板，下端设计为圆轴，装配时将圆轴插入机床转台的圆孔中定位；转接法兰螺栓(9)通过转接法兰(8)上端的螺纹孔将转接法兰(8)固定在Z向滑台(11)的底部；

第二步，相机标定

标定时，首先将安放在C型金属块(13)上方的凹槽中光刻玻璃板(15)更换成棋盘格标定板，并用压板(14)固定；再调节电控升降台(2)使相机处于合适位置，通过调节Y、Z向滑台(10、11)使标定板充满视场，对焦后即可进行相机标定；在保持相机固定状态下，通过调节Y向、Z向滑台(10、11)在平面内取不同位置拍摄9张图像，用于覆盖相机视场，之后控制机床A、C两轴旋转，取不同空间位置拍摄6张图像，用于覆盖景深变化，最后将拍摄的15张图像结合张氏标定法得出相机的内参数及畸变参数；

设空间中任意点P在世界坐标系下的坐标(X_o，Y_o，Z_o)^T，其在图像坐标系下对应点的坐标为(u，v)，则有如下对应关系：

其中，α_x＝f/dx与α_y＝f/dy分别为u、v两轴上的尺度因子，(u₀，v₀)为图像坐标系原点在像素单位坐标系下的坐标，即需要标定的相机内参数为α_x，α_y，u₀，v₀四个参数；

实际投影过程会存在畸变，综合考虑径向畸变和离心畸变，选用的5参数(k₁，k₂，k₃，p₁，p₂)畸变模型来描述畸变情况：

经过相机标定，即得到相机内部参数α_x，α_y，u₀，v₀及畸变参数k₁，k₂，k₃，p₁，p₂；

第三步，位姿算法测量精度验证

在测量时，先将安放在C型金属块(13)上方的凹槽中棋盘格标定板更换成光刻玻璃板(15)，并固定；再打开背光源(12)，使编码点边界的灰度变化更加明显，有利于图像的采集识别；测量基准为方形光刻玻璃板(15)，光刻图案为环形编码点，设计的编码点呈圆环式排列，根据编码点之间的位置关系进行重投影计算，用于位姿算法的精度验证；其中，编码点分为中心靶点与环形编码区，作用分别为特征提取与数值识别，实验中根据不同算法使用空间点的共性，选定4个呈扇形的编码点，利用空间点与图像点的对应关系来求解机床位姿，由于该实验方法根据编码点数量与编码方式的结合可适应不同的位姿算法，说明其具备柔性特性；最后依据同一张图像上，由选定编码点结合算法得出的计算结果与其余编码点的位置关系进行重投影计算，通过重投影误差来验证算法的位姿求解精度；

本方法中要验证的三点透视投影算法如下：

将公式(1)展开可得三个方程，带入消去s整理可得

分析上式，其中共有6个未知量，则至少需要3组3D/2D点的坐标来确立6个方程求解，验证实验中选用4组点符合算法要求；

本方法中要验证的高效多点透视投影算法如下：

将n个空间点的坐标写成4个所选虚拟控制点的加权和，依据每2个控制点在相机坐标系中距离约束的关系，通过将这些坐标表示为12×12矩阵的特征向量的加权和并求解最小常数，最后优化求解得出两个坐标系的位姿变换。