[发明专利]一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置及方法

权利要求书

1.一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置，其特征在于，包括云台、用于采集待喷涂目标表面图像的双目视觉系统，以及控制模块、运动量采集模块，所述双目视觉系统包括两个相机，所述云台的一面作为安装面，两个相机安装于云台的安装面上，且每个相机坐标系的X轴垂直于云台的安装面；所述云台可沿X、Y、Z向做直线运动，以及以Z向直线为转动中心线进行旋转运动，由此使双目视觉系统随云台整体可沿X、Y、Z向做直线运动以及以Z向直线为转动中心线进行旋转运动，云台还可以水平直线作为转动中心线进行旋转运动以调节俯仰角度，由此使双目视觉系统中两个相机的俯仰角度可调；两个相机在所述云平台上可做相互靠近或相互分离的水平直线运动，由此使两相机之间间距可调，进而使两相机的基线距离可调；每个相机均可以垂直于云台安装面的直线为回转中心线进行回转运动，由此使两个相机的光轴之间夹角可调，并且每个相机的焦距和光圈均可调；

所述运动量采集模块采集所述云台和每个相机的运动量，以及每个相机焦距和光圈的调节量，运动量采集模块与控制模块电连接，两个相机分别与控制模块电连接，由控制模块接收所述运动量采集模块采集的数据以及相机采集的图像数据，并由控制模块对接收的数据进行处理以进行待喷涂目标的三维重建。

2.根据权利要求1所述的一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置，其特征在于，所述云台安装于俯仰机构，所述俯仰机构安装于旋转平台机构，所述旋转平台机构安装于空间移动机构，由空间移动机构驱动所述旋转平台机构、俯仰机构及云台整体在X、Y、Z向沿直线运动，由旋转平台机构驱动俯仰调节机构及云台整体以Z向直线为转动中心线进行旋转运动，并由俯仰调节机构驱动云台以水平直线作为转动中心线进行旋转运动。

3.根据权利要求2所述的一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置，其特征在于，所述空间移动机构包括滚珠丝杠三轴运动平台机构，滚珠丝杠三轴运动平台机构的运动部可在X向、Y向、Z向沿直线运动。

4.根据权利要求3所述的一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置，其特征在于，所述旋转平台机构包括第一蜗轮蜗杆机构，第一蜗轮蜗杆机构整体安装于滚珠丝杠三轴运动平台机构的运动部上。

5.根据权利要求4所述的一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置，其特征在于，所述俯仰机构包括转动轴和驱动转动轴转动的电机，电机、转动轴整体通过同一连接板连接第一蜗轮蜗杆机构，所述云台连接于转动轴。

6.根据权利要求1所述的一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置，其特征在于，所述云台的安装面安装有基线调节机构，每个相机分别各自通过汇聚角度调节机构安装于基线调节机构，由基线调节机构驱动两个汇聚角度调节机构及对应相机整体做相互靠近或相互分离的水平直线运动，并由汇聚角度调节机构驱动对应的相机以垂直于云台安装面的直线为回转中心线进行回转运动。

7.根据权利要求6所述的一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置，其特征在于，所述基线调节机构包括两组滚珠丝杠直线运动平台机构，两组滚珠丝杠直线运动平台机构的运动部可做相互靠近或相互分离的水平直线运动。

8.根据权利要求7所述的一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置，其特征在于，所述汇聚角度调节机构包括第二蜗轮蜗杆机构，第二蜗轮蜗杆机构整体安装于对应的滚珠丝杠直线运动平台机构的运动部，相机连接于对应的第二蜗轮蜗杆机构。

9.根据权利要求1所述的一种用于智能化喷涂的自标定三维重建装置，其特征在于，每个相机分别配置有相机焦距和光圈调节机构，相机焦距和光圈调节机构包括电机、齿轮组，电机分别通过齿轮与对应相机的焦距调节圈、光圈调节圈传动连接，由电机驱动对应相机的焦距调节圈、光圈调节圈转动，进而调节对应相机的焦距和光圈。

10.一种基于权利要求1-9中任意一项所述自标定三维重建装置的自标定三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、以当前双目视觉系统中两个相机的视角为初始视角、相机的坐标系为初始相机坐标系，在初始相机坐标系下采集待喷涂目标工件表面图像，通过采集的图像并结合双目视觉系统中两个相机当前的内参、畸变参数和外参，得到初始视角下的待喷涂目标工件表面点云数据；

步骤2、通过令云台在X、Y、Z向做直线运动以调节双目视觉系统中两个相机整体在X、Y、Z向的位置，通过令云台及两个相机整体以Z向直线为转动中心线做旋转运动来调节两个相机整体的位置，通过令云台及两个相机整体以水平直线为转动中心线做旋转运动来调节两个相机整体的俯仰角度，通过令两个相机做相互靠近或相互远离直线运动来调节两个相机之间的距离，通过令每个相机以垂直于云台安装面的直线为回转中心线做回转运动来调节两个相机光轴之间夹角，并调节每个相机的焦距和光圈，完成相机视角、焦距和光圈的调节，通过视角、焦距和光圈调节后的相机采集新的视角下待喷涂目标工件表面图像；

步骤3、采用训练好的径向基函数神经网络对步骤2中调节后的相机焦距、光圈进行处理，所述径向基函数神经网络经训练后建立每个相机内参和畸变参数与相机焦距和光圈大小的映射关系，将步骤2中调节后的相机焦距、光圈输入至训练好的径向基函数神经网络，由径向基函数神经网络自动标定得到每个相机的内参和畸变参数；

基于步骤2中调节后的两相机之间间距、两相机光轴之间夹角，以及每个相机的相机坐标系X轴与该相机回转中心线的位置关系，根据外参标定公式自动标定得到双目视觉系统中两个相机的外参，外参标定公式如下：

其中，R、T分别为相机外参即旋转矩阵和平移矩阵；2θ为调节后两个相机的光轴夹角；p为两个相机回转中心线之间的初始距离，与初始视角下两个相机回转中心线之间距离相等；p₀为两相机回转中心线间距变化量即两相机之间间距调节量；m为每个相机坐标系X轴与该相机回转中心线之间距离在该相机坐标系Y轴方向上的分量；q为每个相机坐标系X轴与该相机回转中心线之间距离在该相机坐标系Z轴方向上的分量；

步骤4、通过步骤3得到的双目视觉系统中两个相机的内参、畸变参数、外参，对步骤2中双目视觉系统两个相机获取的新的视角下待喷涂目标工件表面图像进行处理，得到新的视角下待喷涂目标工件表面点云数据；

步骤5、通过步骤2中每个相机的直线运动量、旋转运动量，得到每个相机在运动过程中任意位置时相机坐标系相对于自身初始相机坐标系的变换矩阵，作为待喷涂目标工件新的视角表面点云数据相对于初始视角表面点云数据的变换矩阵，通过所述变换矩阵将新的视角表面点云数据进行矩阵变换，得到矩阵变换结果；

采用ICP算法，将矩阵变换结果作为ICP算法的初始值进行处理，得到点云精配准矩阵，基于点云精配准矩阵将新的视角表面点云数据配准到初始视角；

通过初始相机坐标系下的初始视角表面点云数据、配准至初始相机坐标系的新的视角表面点云数据，对待喷涂目标工件进行三维重建；

步骤6、不断重复步骤2～5，将所有新的视角下的表面点云数据配准到初始视角相机坐标系下，以进行待喷涂目标工件三维重建，直至对待喷涂目标工件的三维重建满足要求。