本發(fā)明涉及水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備缺陷定量檢測，尤其涉及一種旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

1、水輪發(fā)電機(jī)組作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)完整性直接關(guān)系到能源供應(yīng)的安全與穩(wěn)定。在長期運(yùn)行過程中，水輪發(fā)電機(jī)組中的過流部件如葉片、轉(zhuǎn)輪等，由于水流沖刷、空蝕、腐蝕等自然因素的作用，往往會出現(xiàn)磨損、裂紋等缺陷。這些缺陷如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)，將對發(fā)電機(jī)組的性能和安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，甚至引發(fā)重大事故。因此，實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備缺陷的定量檢測，對于保障發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行具有重要意義。

2、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)作為一種非接觸式、高精度的測量手段，在復(fù)雜曲面和大型結(jié)構(gòu)的形貌檢測中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。該技術(shù)通過投射結(jié)構(gòu)光到被測物體表面，利用相機(jī)拍攝結(jié)構(gòu)光在物體表面的變形圖像，通過圖像處理和算法分析，可以高精度地還原出物體的三維形貌信息。然而，現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)大多采用單軸旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，其測量范圍和靈活性受到限制，難以滿足大尺寸、復(fù)雜形狀物體的高精度測量需求。

3、例如cn112179291a公開了一種自旋轉(zhuǎn)掃描式線結(jié)構(gòu)光三維測量裝置標(biāo)定方法，屬于三維測量技術(shù)領(lǐng)域；自旋轉(zhuǎn)掃描式線結(jié)構(gòu)光三維測量裝置主要由線結(jié)構(gòu)光輪廓測量儀和高精度轉(zhuǎn)臺構(gòu)成，通常自旋轉(zhuǎn)掃描式線結(jié)構(gòu)光三維測量裝置的坐標(biāo)系基于高精度旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸心建立，與線結(jié)構(gòu)光輪廓測量儀坐標(biāo)系并不重合，而二者之間的位置關(guān)系通過機(jī)械安裝并不能精確確定。本發(fā)明的標(biāo)定方法借助平面靶標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對線結(jié)構(gòu)光輪廓測量儀的坐標(biāo)系和自旋轉(zhuǎn)掃描式線結(jié)構(gòu)光三維測量裝置的坐標(biāo)系之間位置參數(shù)的標(biāo)定；該方法采用線結(jié)構(gòu)光輪廓測量儀和高精度轉(zhuǎn)臺構(gòu)成測量裝置，并通過平面靶標(biāo)完成標(biāo)定；雖然該技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了一定程度的測量精度，但僅能實(shí)現(xiàn)單軸旋轉(zhuǎn)及其標(biāo)定，無法實(shí)現(xiàn)對大尺寸目標(biāo)的全方位測量。

4、此外，哈爾濱工程大學(xué)的崔毅在其碩士學(xué)位論文“基于線激光旋轉(zhuǎn)掃描的三維視覺測量方法研究”中提出了一種旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過雙軸轉(zhuǎn)臺帶動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了對大尺寸物體的測量。然而，該技術(shù)方案在相機(jī)與轉(zhuǎn)軸安裝位置的精確計(jì)算上存在不足，系統(tǒng)測量精度易受安裝誤差的影響。

5、鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的局限性，亟需一種更為準(zhǔn)確可靠的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)標(biāo)定方法，以實(shí)現(xiàn)對大尺寸物體的高精度三維測量。本發(fā)明正是在此背景下提出，旨在通過創(chuàng)新的標(biāo)定方法，精確計(jì)算相機(jī)與轉(zhuǎn)軸的安裝位置，擴(kuò)大測量范圍，提高測量精度，從而滿足水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備缺陷定量檢測的實(shí)際需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)標(biāo)定方法，解決水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備缺陷定量檢測技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵問題，特別是針對現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)在大尺寸目標(biāo)測量過程中存在的局限性，如測量范圍受限、系統(tǒng)裝調(diào)誤差對標(biāo)定精度的影響等問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)標(biāo)定方法，包括以下步驟：

3、step1：搭建旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括相機(jī)、激光器、水平轉(zhuǎn)軸、垂直轉(zhuǎn)軸、橫梁及底座；

4、step2：進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，獲得相機(jī)坐標(biāo)系與像素坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，其中相機(jī)坐標(biāo)系與像素坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系通過內(nèi)參矩陣描述；

5、step3：進(jìn)行結(jié)構(gòu)光標(biāo)定，以獲取相機(jī)坐標(biāo)系下的光平面方程；

6、step4：進(jìn)行垂直轉(zhuǎn)軸標(biāo)定，通過改變垂直轉(zhuǎn)軸的位置并采集圖像，求解得到垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)相機(jī)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系；

7、step5：進(jìn)行水平轉(zhuǎn)軸標(biāo)定，通過改變水平轉(zhuǎn)軸的位置并采集圖像，求解得到水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)相機(jī)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

8、優(yōu)選的方案中，所述step2中相機(jī)標(biāo)定，獲得相機(jī)坐標(biāo)系與像素坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系；且相機(jī)坐標(biāo)系與像素坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，滿足：

9、（1）

10、其中，表示內(nèi)參矩陣。

11、優(yōu)選的方案中，所述step2中相機(jī)標(biāo)定的具體過程包括：將棋盤格板放置在相機(jī)視場內(nèi)，改變其位置與姿態(tài)，采集一系列棋盤格板圖像，通過計(jì)算得到內(nèi)參矩陣與畸變參數(shù)，其中相機(jī)成像模型滿足預(yù)設(shè)的公式關(guān)系：

12、（2）

13、其中，表示尺度因子，表示焦距，表示相機(jī)采集圖像的主點(diǎn)坐標(biāo)，為棋盤格板角點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，表示棋盤格板角點(diǎn)的像素坐標(biāo)。

14、優(yōu)選的方案中，所述step3中結(jié)構(gòu)光標(biāo)定的具體過程包括：保持旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)靜止，使其發(fā)射的線結(jié)構(gòu)光照射到棋盤格板上，改變棋盤格板的位姿，采集至少兩張棋盤格板圖像，利用灰度重心法提取線結(jié)構(gòu)光中心線的像素坐標(biāo)，得到光平面方程。

15、優(yōu)選的方案中，所述利用灰度重心法提取線結(jié)構(gòu)光中心線的像素坐標(biāo)為，計(jì)算得到線結(jié)構(gòu)光中心線各點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，根據(jù)各點(diǎn)坐標(biāo)，擬合得到相機(jī)坐標(biāo)系下的光平面方程，所述光平面方程滿足：

16、（3）

17、其中，a、b、c分別為光平面法向量在各坐標(biāo)軸上的分量，(x，y，z)為平面上任意一點(diǎn)，d為平面方程中的常數(shù)項(xiàng)，與平面相對于原點(diǎn)的距離有關(guān)。

18、優(yōu)選的方案中，所述step4中求解得到垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)相機(jī)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系的具體過程包括：利用旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，通過聯(lián)立方程組計(jì)算得到相機(jī)光心與垂直轉(zhuǎn)軸之間的距離，并進(jìn)一步求解得到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

19、優(yōu)選的方案中，所述求解得到垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)相機(jī)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系的具體過程可描述為：

20、在三維空間中，坐標(biāo)系沿軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)矩陣、坐標(biāo)系整體平移的平移矩陣分別滿足：

21、（4）

22、（5）

23、其中，表示三維空間中坐標(biāo)系繞y軸旋轉(zhuǎn)的角度；

24、假設(shè)相機(jī)坐標(biāo)系的軸與垂直轉(zhuǎn)軸平行，且相機(jī)坐標(biāo)系的平面與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系的平面在同一平面內(nèi)，則平移矩陣改寫為：

25、（6）

26、其中，表示垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后橫梁與軸所成的角度，表示相機(jī)光心與垂直轉(zhuǎn)軸的距離；

27、將轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系原點(diǎn)定義在與相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)在沿方向的位移差為0的位置，則初始位置的平移矩陣改寫為：

28、（7）

29、則相機(jī)旋轉(zhuǎn)前后的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，滿足：

30、（8）

31、其中，為垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前后的相機(jī)坐標(biāo)系、之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，為垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前后的相機(jī)坐標(biāo)系、之間的旋轉(zhuǎn)矩陣，為垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前后的相機(jī)坐標(biāo)系、之間的平移矩陣；

32、引入轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系后，總轉(zhuǎn)換關(guān)系，滿足：

33、（9）

34、其中，為轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系繞軸旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)矩陣，為相機(jī)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系之間的平移矩陣，為相機(jī)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系之間的平移矩陣；

35、進(jìn)行垂直轉(zhuǎn)軸標(biāo)定時(shí)，由于垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后橫梁與軸所成的角度已知，因此將棋盤格板固定，在垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前后分別用相機(jī)采集棋盤格板圖像，通過相機(jī)標(biāo)定得到兩個(gè)不同的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，分別為：

36、（10）

37、（11）

38、其中，和分別為垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前后的相機(jī)坐標(biāo)系、相對于世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；

39、聯(lián)立式（8）、式（10）和式（11），計(jì)算得到相機(jī)光心與垂直轉(zhuǎn)軸之間的距離，滿足：

40、（12）

41、其中，相機(jī)光心與垂直轉(zhuǎn)軸之間的距離用于標(biāo)記相機(jī)的安裝位置，并由此進(jìn)一步求解得到垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)相機(jī)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

42、優(yōu)選的方案中，所述step5中求解得到水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)相機(jī)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系的具體過程包括：利用旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，通過聯(lián)立方程組計(jì)算得到水平轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的距離，并進(jìn)一步求解得到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

43、優(yōu)選的方案中，所述求解得到水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)相機(jī)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系的具體過程可描述為：

44、在三維空間中，坐標(biāo)系沿軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)矩陣、坐標(biāo)系整體平移的平移矩陣分別滿足：

45、（13）

46、（14）

47、其中，表示三維空間中坐標(biāo)系繞y軸旋轉(zhuǎn)的角度；

48、水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系原點(diǎn)在方向的平移量為，方向的平移量為，則平移矩陣可以改寫為：

49、（15）

50、其中，表示水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后橫梁與平面之間的夾角，表示水平轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的距離；

51、由于水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系會隨之發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前后的轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系與，滿足：

52、（16）

53、其中，表示水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前后的轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系與之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；

54、由于水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)相機(jī)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系同步變化，因此相機(jī)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)前后的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣與相同；則旋轉(zhuǎn)前后的相機(jī)坐標(biāo)系、，滿足：

55、（17）

56、其中，表示水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前后的轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系與之間的旋轉(zhuǎn)矩陣，表示水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前后的轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系與之間的平移矩陣；

57、進(jìn)行水平轉(zhuǎn)軸標(biāo)定時(shí)，由于水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后橫梁與平面之間的夾角已知，因此將棋盤格板固定，在水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前后分別用相機(jī)采集棋盤格板圖像，通過相機(jī)標(biāo)定得到兩個(gè)不同的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，分別為：

58、（18）

59、（19）

60、其中，和分別為水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前后的相機(jī)坐標(biāo)系、相對于世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；

61、聯(lián)立式（17）、式（18）以及式（19），計(jì)算得到：

62、（20）

63、設(shè)水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前的相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)位置為，旋轉(zhuǎn)后的相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)位置為，進(jìn)行兩坐標(biāo)系的位置轉(zhuǎn)換，計(jì)算得到：

64、（21）

65、其中，為轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系繞軸旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)矩陣，為水平轉(zhuǎn)軸（3）旋轉(zhuǎn)前后的轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系與之間的平移矩陣；

66、由式（20），求出水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)前后的相機(jī)坐標(biāo)系、之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；由式（21），求出水平轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的距離；進(jìn)而求解得到水平轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)相機(jī)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，滿足：

67、（22）。

68、優(yōu)選的方案中，所述相機(jī)選用幀頻為30fps、分辨率為1280×1024像素的鏡頭，激光器選用線結(jié)構(gòu)光激光器，波長為450nm，功率為10mw，線寬為預(yù)設(shè)值。

69、優(yōu)選的方案中，所述標(biāo)定過程中采用的棋盤格板大小為200mm×200mm，棋盤格板上分布有大小為10mm×10mm的棋盤格，通過多次移動棋盤格板改變其在相機(jī)視場中的位置與姿態(tài)，采集一系列標(biāo)定圖像進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定。

70、本發(fā)明提供的一種旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)標(biāo)定方法，有如下有益效果：

71、1、本發(fā)明解決了水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備缺陷定量檢測技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵問題，特別是針對現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)在大尺寸目標(biāo)測量過程中存在的局限性，如測量范圍受限、系統(tǒng)裝調(diào)誤差對標(biāo)定精度的影響等問題；

72、2、本發(fā)明通過提供一種創(chuàng)新的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)標(biāo)定方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)了對大尺寸物體的有效測量，并顯著提升了測量精度；

73、3、本發(fā)明的雙軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的單軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)，該方案引入了垂直轉(zhuǎn)軸和水平轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)了測量系統(tǒng)的雙軸旋轉(zhuǎn)功能，從而顯著擴(kuò)大了測量范圍，使其能夠更有效地測量大尺寸物體；

74、4、本發(fā)明精確的轉(zhuǎn)軸標(biāo)定方法，通過對垂直轉(zhuǎn)軸和水平轉(zhuǎn)軸的精確標(biāo)定，該方案能夠準(zhǔn)確計(jì)算相機(jī)與轉(zhuǎn)軸之間的安裝位置，避免了系統(tǒng)裝調(diào)誤差對標(biāo)定精度的影響。這種精確的標(biāo)定方法是傳統(tǒng)方法所不具備的；

75、5、本發(fā)明全面的系統(tǒng)標(biāo)定流程，該方案不僅包括相機(jī)標(biāo)定和結(jié)構(gòu)光標(biāo)定，還詳細(xì)描述了垂直轉(zhuǎn)軸和水平轉(zhuǎn)軸的標(biāo)定過程，形成了一個(gè)全面的系統(tǒng)標(biāo)定流程。這種全面的標(biāo)定流程有助于提高系統(tǒng)的整體測量精度；

76、6、本發(fā)明創(chuàng)新的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系求解，在垂直轉(zhuǎn)軸和水平轉(zhuǎn)軸的標(biāo)定過程中，該方案通過引入轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系，利用旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，創(chuàng)新性地求解了相機(jī)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。這種方法提高了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性和可靠性；

77、7、本發(fā)明結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，針對水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備缺陷定量檢測的實(shí)際需求，該方案通過優(yōu)化測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和標(biāo)定方法，提高了測量精度和效率，展現(xiàn)了將先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程問題的創(chuàng)造性；

78、8、本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，解決了現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)在大尺寸目標(biāo)測量過程中的技術(shù)瓶頸，如單軸旋轉(zhuǎn)限制和安裝誤差影響等，通過引入雙軸旋轉(zhuǎn)和精確標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)了對大尺寸物體的有效測量；

79、9、本發(fā)明在旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和標(biāo)定方法上均表現(xiàn)出較高的新穎性和創(chuàng)造性，為水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備缺陷定量檢測提供了一種新的技術(shù)手段；

80、10、本發(fā)明不僅提高了測量的精度與效率，還降低了對操作環(huán)境的依賴，使得在復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場也能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的三維掃描與缺陷識別，為工業(yè)檢測領(lǐng)域帶來了顯著的革新與進(jìn)步。