[发明专利]采用坐标跟踪控制板的大视场全局测量方法

摘要

本发明采用坐标跟踪控制板的大视场全局测量方法属于视觉测量领域，涉及一种采用坐标跟踪控制板的大视场全局测量方法。该测量方法采用了安装在转接支架上的坐标跟踪控制板，实现视觉测量设备与激光跟踪仪在具有非共同视场情况下的有效结合，将左右相机内外参数分离标定，建立测量现场的全局坐标系，从而完成基于大视场的全局测量。该方法可以实现对大视场范围内复杂工况下大型零部件快速高精度测量，是一种结合多种光学元器件的测量方式。测量方法视场范围大、效率高、方便测量被测零件遮挡部位，快速完成工业现场大视场的全局测量工作。

主权项

一种采用坐标跟踪控制板的大视场全局测量方法，其特征是，该测量方法采用了安装在转接支架上的坐标跟踪控制板，实现视觉测量设备与激光跟踪仪在具有非共同视场情况下的有效结合，将左右相机内外参数分离标定，建立测量现场的全局坐标系，从而完成基于大视场的全局测量；方法的具体步骤如下：第一步 安装大视场全局测量系统1)将控制板靶球(1)固定在圆形的转盘(3)上，再将步进电机(2)安装在转接支架(8)上，步进电机(2)的输出端连接转盘(3)，转盘(3)、步进电机(2)和控制板靶球(1)构成了坐标跟踪控制板；坐标跟踪控制板通过转接支架(8)安装在相机安装板(12)中部，相机安装板(12)安装在三脚架(5)上；再将左、右相机(4、9)分别安装在相机安装板(12)的两端；左、右相机(4、9)和激光跟踪仪(6)都与计算机(7)相连接，组成大视场全局测量系统；第二步 测量前准备步骤1)相机內参数标定利用张氏标定法结合棋盘格标定板(11)进行标定，先在棋盘格标定板(11)的右半部分上下对称安装四个标定板靶球(10)，并利用激光跟踪仪(6)结合标定公式(1)进行标定：其中[u v 1]T是拍摄棋盘格标定板角点图像的二维像素坐标组成的齐次矩阵，[Xw Yw Zw 1]T是棋盘格标定板(11)上角点的空间三维坐标组成的齐次矩阵，完成相机內参数标定；2)确定激光跟踪仪坐标系和左右相机坐标系的变换关系利用激光跟踪仪(6)测量标定板靶球(10)，得到标定板靶球(10)在激光跟踪仪坐标系OlXYZ下的空间坐标，结合已知的内外参数矩阵，便可以知道四个标定板靶球在当前相机的世界坐标系OwXYZ下的坐标，进而得到激光跟踪仪坐标系OlXYZ和世界坐标系OwXYZ的位置变换关系，也即为一个旋转平移矩阵X1＝[R1 T1]，由于相机坐标系OLXYZ和世界坐标系OwXYZ的关系已知，这样就能得到相机坐标系OLXYZ与激光跟踪仪坐标系OlXYZ的位置变换关系，即为旋转平移矩阵X2＝[R2 T2]；3)确定坐标跟踪控制板坐标系和左右相机坐标系的变换关系测量坐标跟踪控制板上的控制板靶球(1)，控制转盘(3)转动以建立其坐标系ObXYZ，那么坐标跟踪控制板坐标系ObXYZ与激光跟踪仪坐标系的位置变换关系也可以知道，即为旋转平移矩阵X3＝[R3 T3]，再结合上面求出的相机坐标系与激光跟踪仪坐标系OlXYZ的位置变换关系，就可以得到坐标跟踪控制板坐标系ObXYZ与相机坐标系的位置变换关系，即为旋转平移矩阵X4＝[R4 T4]；4)建立全局坐标系进行零件测量时，选择需要的位置同样放置好左、右相机(4、9)，保持左右相机和坐标跟踪控制板的相对位置不变，在现场放置好激光跟踪仪(6)，先用激光跟踪仪测量坐标跟踪控制板上的控制板靶球(1) 的空间位置，同样控制转盘转动重新建立跟踪控制板坐标系O'bXYZ，这样就知道坐标系O'bXYZ到激光跟踪仪坐标系OlXYZ新的位置变换矩阵X5＝[R5 T5]，由于左右相机相对于坐标跟踪控制板的相对位置无变化，那么坐标跟踪控制板坐标系O'bXYZ与相机坐标系OLXYZ和ORXYZ的位置变换关系也是不变的，这样结合矩阵X4和X5就可以快速实现左右相机坐标系OLXYZ和ORXYZ到激光跟踪仪坐标系OlXYZ位置变换，也即为旋转平移矩阵X6＝[R6 T6]，这样就完成了整个视场的全局标定，进而建立了全局测量坐标系；第三步实际测量过程将被测物体放置在大视场全局测量系统中，移动三脚架(5)到需要拍摄的位置，激光跟踪仪(6)向被测物表面投射光条，利用左、右相机(4、9)进行图像采集；通过计算机(7)对采集图像进行处理； 采用Hough变换方法来提取被测物的关键信息，设被测物边缘的参数方程为ρ＝uicosθ+visinθ   (2)其中，ρ为坐标原点与直线的距离，θ为边缘与图像坐标的轴夹角；ui、vi分别是图像中特征点在图像像素坐标系下的坐标值，则可得出空间直线的参数为：k＝‑cotθ   (3)b＝ρ/sinθ   (4)进而可得到轮廓边缘的直线方程：y＝x(‑cotθl)+ρl/sinθl   (5)y＝x(‑cotθr)+ρr/sinθr   (6)其中，(ρl,θl)和(ρr,θr)分别为左右边缘方程的对应参数，由于光条边缘直线近似平行，故光条宽度D可采用两平行直线间距离公式进行计算：k＝‑(cotθl+cotθr)/2   (7)其中，k为轮廓边缘的平均斜率，用于计算轮廓间距；最后采用几何中心法确定光条中心；最后，将左右相机拍摄图像的光条中心进行匹配就可以还原被测物的三维形貌，从而完成被测物体的测量。