專利名稱：：發(fā)動機缸體結(jié)合面孔組快速測量全局統(tǒng)一標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于視覺檢測技術(shù)、機械零件測量。具體講，涉及發(fā)動機缸體結(jié)合面孔組快速測量全局統(tǒng)一標定方法。
背景技術(shù)：
：在發(fā)動機缸體的生產(chǎn)過程中，缸體的底平面和底面上的兩個定位銷孔是首先加工完成的，作為發(fā)動機缸體的工藝基準。發(fā)動機缸體結(jié)合面上的氣缸孔和連接孔都是在該基準的定位下加工完成的。由于工藝基準在加工過程中只有粗定位基準，會存在一定的加工誤差，每個發(fā)動機缸體的工藝基準之間都會存在差別。因此在發(fā)動機缸體結(jié)合面孔組的測量過程中，需要將最終的測量結(jié)果轉(zhuǎn)化到發(fā)動機缸體加工過程中建立的工藝基準坐標系中，才能得到正確的檢測結(jié)果。在檢測過程中，需要研究坐標系統(tǒng)一融合技術(shù)，將線陣CCD的測量結(jié)果轉(zhuǎn)化到被測發(fā)動機缸體的工藝基準坐標系中。在坐標系統(tǒng)一融合的過程中，將面陣CCD加入到檢測系統(tǒng)中，利用面陣CCD對發(fā)動機缸體底面上的定位銷孔成像獲取被測缸體工藝基準在系統(tǒng)測量坐標系中的位置，求取系統(tǒng)測量坐標系與工藝基準坐標系之間的相對位置關(guān)系。因此為了保證測量結(jié)果的準確性，需要研究基于多視覺傳感器的在線全局統(tǒng)一標定方法，一次性完成對發(fā)動機缸體結(jié)合面孔組檢測系統(tǒng)的標定工作。由于被測對象的特殊性，目前還沒有在類似的應(yīng)用環(huán)境下對基于多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的在線全局統(tǒng)一標定方法。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于設(shè)計出一種應(yīng)用于發(fā)動機缸體結(jié)合面孔組快速測量中的多視覺傳感器全局統(tǒng)一標定方法，完成對整個檢測系統(tǒng)的現(xiàn)場快速標為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下。定位相機選用2臺面陣CCD相機，測量相機選用線陣CCD相機，標定時，整個檢測系統(tǒng)建立以下五個坐標系標定用靶標坐標系Ot-XtYtZt，被測缸體坐標系Ob-XbYbZb，定位相機1圖像坐標系Ol-UlVl，定位相機2圖像坐標系02-U2V2，測量相機圖像坐標系0_UV;其中測量相機圖像V向坐標來源于精密光柵尺的測量結(jié)果；靶標坐標系Ot-XtYtZt以靶標底面兩定位孔中心連線為X軸，以過左側(cè)定位孔中心且垂直于靶標底面的直線為Z軸建立右手坐標系，將耙標坐標系視為世界坐標系，分別對定位相機1、2和測量相機圖像坐標系與靶標坐標系進行攝像機標定步驟，確定其之間的空間坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>上式中，參數(shù)A工為定位相機1投影比例因子，M/X4為定位相機1投影矩陣，參數(shù)入2為定位相機2投影比例因子，M/"為定位相機2投影矩陣，參數(shù)A為測量相機投影比例因子，M3X4為測量相機投影矩陣；測量缸體時，需要找到被測缸體坐標系和標定時靶標坐標系間的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系，被測缸體坐標系0b-XbYbZb以被測缸體底面兩定位孔中心連線為X軸，以過左側(cè)定位孔中心且垂直于被測缸體底面的直線為Z軸建立右手坐標系，耙標坐標系與被測缸體坐標系之間只存在坐標原點在XOY平面上的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)，假設(shè)被測缸體左側(cè)定位孔在靶標坐標系Ot-XtYtZt下的坐標為(xtl，ytl，O)，右側(cè)定位孔在靶標坐標系Ot-XtYtZt下的坐標為(xt2，yt2，0)，繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度為e，可以得到被測缸體坐標系Ob-XbYbZb和靶標坐標系Ot-XtYtZt的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>由以上坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以將效0b-XbYbZb下相機圖像坐標(u，V)統(tǒng)一到被測缸體坐標系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>標定出投影比例因子ApA2、A和旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矢量T、投影矩陣Ml、M2、M，即可完成對發(fā)動機缸體結(jié)合面孔組的快速精確測量。采用一個標定靶標用于標定投影比例因子ApA2、A，投影矩陣M1、M2、M，被測缸體坐標系和耙標坐標系間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T。由花崗巖制成標定靶標主體；在標定靶標的花崗巖主體上下表面分別鑲嵌合金鋁，在合金鋁上機械加工出與發(fā)動機缸體尺寸形狀對應(yīng)的，圓度要求較高的圓孔特征；通過三坐標機測量取得標定靶標上的標準尺寸和形位基準作為標準數(shù)據(jù)，將取得的標準數(shù)據(jù)代入到測試系統(tǒng)標定模型中即可完成系統(tǒng)標定；靶標上表面的圓孔特征用于標定測量相機圖像坐標系與靶標坐標系的空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系，即參數(shù)A和參數(shù)矩陣M，下表面上的圓孔特征用于標定定位相機1、2與靶標坐標系的空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系，即參數(shù)A"、和參數(shù)矩陣M1、M2，同時也可以標定得到被測缸體坐標系和耙標坐標系間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T。本發(fā)明可以產(chǎn)生如下的有益效果本發(fā)明使用一個不需要精密加工的立體靶標，通過一次成像，完成對基于多視覺傳感器的發(fā)動機缸體結(jié)合面孔組快速測量系統(tǒng)的標定工作。這種方法操作方便，標定過程比較簡單，而且不需要精密加工的立體靶標，節(jié)約了標定成本。圖l標定模型示意圖。圖2標定耙標。具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實例進一步詳細說明本發(fā)明。如附圖1所示，定位相機選用2臺面陣CCD相機，測量相機選用線陣CCD相機。標定時，整個檢測系統(tǒng)建立以下五個坐標系。標定用耙標坐標系Ot-XtYtZt，被測缸體坐標系Ob-XbYbZb，定位相機1圖像坐標系Ol-UlVl，定位相機2圖像坐標系02-U2V2，測量相機圖像坐標系O-UV。其中測量相機圖像坐標系中V向坐標來源于精密光柵尺的測量結(jié)果。耙標坐標系Ot-XtYtZt以耙標底面兩定位孔中心連線為X軸，以過左側(cè)定位孔中心且垂直于耙標底面的直線為Z軸建立右手坐標系。將靶標坐標系視為世界坐標系，分別對定位相機1、2和測量相機圖像坐標系與靶標進行攝像機標定步驟，確定其之間的空間坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系。測量缸體時，需要找到被測缸體坐標系和標定時靶標坐標系間的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系。被測缸體坐標系Ob-XbYbZb以被測缸體底面兩定位孔中心連線為X軸，以過左側(cè)定位孔中心且垂直于被測缸體底面的直線為Z軸建立右手坐標系。靶標坐標系與被測缸體坐標系之間只存在坐標原點在XOY平面上的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。假設(shè)被測缸體左側(cè)定位孔在靶標坐標系Ot-XtYtZt下的坐標為(xtl，ytl，O)，右側(cè)定位孔在靶標坐標系Ot-XtYtZt下的坐標為(xt2，yt2，0)，繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度為e，可以得到被測缸體坐標系Ob-XbYbZb和靶標坐<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>標系Ot-XtYtZt的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系如下(<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>由以上坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以將效Ob-XbYbZb下。t相機圖像坐標(u，v)統(tǒng)-x。—xn-到被測缸體坐標系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>由此可知，標定出投影比例因子、、A2、A和旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矢量T、投影矩陣Ml、M2、M，即可完成對發(fā)動機缸體結(jié)合面孔組的快速精確測量。旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矢量T的計算方法在上文中已有論述，投影比例因子ApA^A和投影矩陣M1、M2、M可通過已得到廣泛應(yīng)用的攝像機參數(shù)標定獲得。由于被測發(fā)動機缸體以底面上的兩個定位銷孔A、B和底平面作為基準，基準坐標平面與發(fā)動機缸體結(jié)合面孔組所在的被測上表面不在同一高度，而且過A、B兩定位銷孔中心與底平面垂直的AA線和BB線均不穿過上表面。因此，測量相機CCD掃描出的圖形沒有基準點線作為參考。因此需要設(shè)計一個專用的標定用基準靶標，如附圖2所示。標定靶標主體由花崗巖制成，采用花崗巖的原因主要有①加工中不必經(jīng)過多次時效處理，內(nèi)應(yīng)力小，長期穩(wěn)定性高；②各基準平面的平面度可研磨至l-2ym的高精度；③吸水性低、抗酸堿性環(huán)境腐蝕能力強。在標定靶標的花崗巖主體上下表面分別鑲嵌合金鋁，在合金鋁上機械加工出如附圖2所示的圓孔特征。圓孔特征加工時對其圓度的要求較高，對于其它尺寸和形位公差的加工精度要求并不高，不需要采用精密加工。通過三坐標機測量取得靶標上的標準尺寸和形位基準作為標準數(shù)據(jù)。將取得的標準數(shù)據(jù)代入到測試系統(tǒng)標定模型中即可完成系統(tǒng)標定。靶標上表面的圓孔特征用于標定測量相機圖像坐標系與靶標坐標系的空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系，即參數(shù)A和參數(shù)矩陣M。下表面上的圓孔特征用于標定定位相機1、2與靶標坐標系的空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系，即參數(shù)ApA2和參數(shù)矩陣Ml、M2，同時也可以標定得到被測缸體坐標系和靶標坐標系間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T。標定時，將被測靶標緩慢放置于測試臺上，使得被測靶標底面的兩個定位孔分別位于兩個定位相機的視場中。定位相機對定位孔成像，線陣測量相機對被測靶標上表面掃描成像。將靶標坐標系視為世界坐標系，分別對定位相機和線陣測量相機進行攝像機標定步驟。測量時，根據(jù)被測缸體兩個定位孔的中心坐標在定位相機視場中的位置標定出被測缸體坐標系和標定時耙標坐標系間的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而完成整個檢測系統(tǒng)的標定工作。權(quán)利要求一種發(fā)動機缸體結(jié)合面孔組快速測量全局統(tǒng)一標定方法，其特征是，定位相機選用2臺面陣CCD相機，測量相機選用線陣CCD相機，標定時，整個檢測系統(tǒng)建立以下五個坐標系標定用靶標坐標系Ot-XtYtZt，被測缸體坐標系Ob-XbYbZb，定位相機1圖像坐標系O1-U1V1，定位相機2圖像坐標系O2-U2V2，測量相機圖像坐標系O-UV；其中測量相機圖像V向坐標來源于精密光柵尺的測量結(jié)果；靶標坐標系Ot-XtYtZt以靶標底面兩定位孔中心連線為X軸，以過左側(cè)定位孔中心且垂直于靶標底面的直線為Z軸建立右手坐標系，將靶標坐標系視為世界坐標系，分別對定位相機1、2和測量相機圖像坐標系與靶標坐標系進行攝像機標定步驟，確定其之間的空間坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系<mrow><msub><mi>λ</mi><mn>1</mn></msub><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>u</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>v</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><msup><msub><mi>M</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mn>3</mn><mo>×</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>t</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>t</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>t</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>u</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>v</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr>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合面孔組快速測量全局統(tǒng)一標定方法。為設(shè)計出一種應(yīng)用于發(fā)動機缸體結(jié)合面孔組快速測量中的多視覺傳感器全局統(tǒng)一標定方法，完成對整個檢測系統(tǒng)的現(xiàn)場快速標定，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，由坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以將測量相機圖像坐標(u，v)統(tǒng)一到被測缸體坐標系Ob-XbYbZb下標定出投影比例因子λ1、λ2、λ和旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移矢量T、投影矩陣M1、M2、M，即可完成對發(fā)動機缸體結(jié)合面孔組的快速精確測量。采用一個標定靶標用于標定投影比例因子λ1、λ2、λ，投影矩陣M1、M2、M，被測缸體坐標系和靶標坐標系間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T。本發(fā)明主要應(yīng)用于機械零件測量。文檔編號G01B11/00GK101788265SQ201010132899公開日2010年7月28日申請日期2010年3月25日優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日發(fā)明者孫長庫,段紅旭,王鵬,石永強申請人:天津大學(xué)