一種基于位姿估計(jì)的測(cè)棒快速標(biāo)定裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于位姿估計(jì)的測(cè)棒快速標(biāo)定裝置和方法，屬于測(cè)量、測(cè)試領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和各種先進(jìn)制造技術(shù)思想和理論的不斷提出，尤其 是以數(shù)字化制造為核心的先進(jìn)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)和計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量的 應(yīng)用更加廣泛。以計(jì)算機(jī)視覺為基礎(chǔ)的視覺測(cè)量，是在三維坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)上發(fā)展起來的一 門新興空間三維坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)。它采用高分辨率、廣視角的相機(jī)和高采集被測(cè)件的高分辨 率數(shù)字圖像，用高性能計(jì)算機(jī)經(jīng)過圖像處理和相關(guān)算法計(jì)算獲得被測(cè)件的空間三維坐標(biāo)。 目前，視覺測(cè)量方案主要分為單相機(jī)測(cè)量和多相機(jī)測(cè)量。單相機(jī)測(cè)量是通過分析圖像中的 測(cè)棒上各目標(biāo)革巴點(diǎn)的圖像坐標(biāo)位置，利用"η點(diǎn)透視問題"(Perspective-n-Point,簡(jiǎn)稱PNP 問題)的求解方法求出被測(cè)件在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的位姿參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量。多相機(jī)測(cè) 量一般是利用三角測(cè)量原理，通過計(jì)算圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的視差，以獲取被測(cè)件表面點(diǎn)的三維 信息。這類測(cè)量方法拋棄了傳統(tǒng)的機(jī)械導(dǎo)軌式三維坐標(biāo)測(cè)量模式，以其簡(jiǎn)單、靈活的系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)測(cè)量技術(shù)和系統(tǒng)在測(cè)量精度、速度及操作便利性等多方面的要求。目 前主要應(yīng)用在三維形貌及幾何尺寸測(cè)量，逆向工程中數(shù)據(jù)點(diǎn)云的快速獲取，改善三坐標(biāo)測(cè) 量機(jī)性能的輔助工具，大尺寸高精度三維坐標(biāo)測(cè)量等領(lǐng)域。而這類測(cè)量方法往往需要提前 確定測(cè)頭中心與目標(biāo)靶點(diǎn)之間的位置關(guān)系。由于測(cè)棒上的測(cè)頭會(huì)反復(fù)地被拆卸安裝，導(dǎo)致 測(cè)頭中心位置信息變動(dòng)，直接影響到測(cè)量精度。因此，提出一個(gè)標(biāo)定測(cè)棒上目標(biāo)靶點(diǎn)中心相 對(duì)于測(cè)棒測(cè)頭中心準(zhǔn)確位置的裝置和方法是有重要意義和價(jià)值的。
[0003] 單目視覺測(cè)量具有極其廣闊的應(yīng)用前景，尤其是大尺度測(cè)量領(lǐng)域體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)尤為 突出。為了能夠在現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量，要求系統(tǒng)對(duì)環(huán)境具有快速適應(yīng)性。具體來說，在測(cè)量不同 的物體，如隱藏點(diǎn)，小孔等時(shí)，需要安裝不同的測(cè)頭。每一次新安裝的測(cè)棒測(cè)頭的中心位置 與前一次一般不同，即使重新安裝同一個(gè)探頭，由于安裝用力大小不同，測(cè)頭中心的位置也 會(huì)與前一次有所不同。而測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)一般沒有精密坐標(biāo)測(cè)量儀器對(duì)測(cè)頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，這就 給測(cè)量帶來了不便。為了能將更換測(cè)針的測(cè)棒立即投入使用，就需要對(duì)測(cè)頭中心在測(cè)棒坐 標(biāo)系下的坐標(biāo)值進(jìn)行快速自標(biāo)定。
[0004] 目前現(xiàn)有的標(biāo)定方法主要還是通過三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等精密儀器來測(cè)量各個(gè)特征點(diǎn) 的位置信息。但是由于每一次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，都可能需要拆卸安裝不同型號(hào)的測(cè)棒測(cè)頭，而三坐 標(biāo)測(cè)量機(jī)體積龐大，笨重，導(dǎo)致這種視覺測(cè)量系統(tǒng)操作便利，適合在復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè) 量的優(yōu)點(diǎn)無法發(fā)揮，另外，這種標(biāo)定方法成本昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了精確標(biāo)定測(cè)棒上目標(biāo)靶點(diǎn)中心相對(duì)于測(cè)棒測(cè)頭中心準(zhǔn)確位置，本發(fā)明的目的 是提供一種基于位姿估計(jì)的測(cè)棒快速標(biāo)定裝置和方法。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是： 該裝置由高性能相機(jī)、定制標(biāo)定輔件構(gòu)成，用來標(biāo)定測(cè)棒上目標(biāo)靶點(diǎn)相對(duì)于測(cè)棒測(cè)頭 中心準(zhǔn)確位置，為測(cè)量系統(tǒng)的高精度測(cè)量奠定基礎(chǔ)。測(cè)棒上的目標(biāo)靶點(diǎn)繞測(cè)頭中心旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)，當(dāng)已知三個(gè)以上的不共面的姿態(tài)時(shí)，可唯一確定旋轉(zhuǎn)中心位置。拍攝不同姿態(tài)下的測(cè) 棒，識(shí)別標(biāo)識(shí)測(cè)棒上的目標(biāo)祀點(diǎn)，采用PNP算法或者立體視覺算法計(jì)算目標(biāo)祀點(diǎn)的三維位 置，根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)變換計(jì)算目標(biāo)靶點(diǎn)的三維姿態(tài)，進(jìn)而使用相關(guān)算法計(jì)算出各個(gè)目標(biāo)靶點(diǎn) 中心點(diǎn)在以測(cè)頭中心為原點(diǎn)的右手坐標(biāo)系下的精確三維坐標(biāo)。
[0007] 根據(jù)以上構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案： 一種基于位姿估計(jì)的測(cè)棒快速標(biāo)定裝置，包括一個(gè)具有既定分布目標(biāo)靶點(diǎn)的測(cè)棒、一 個(gè)相機(jī)、一個(gè)標(biāo)定輔件、一臺(tái)計(jì)算機(jī)；所述標(biāo)定輔件放置在相機(jī)視場(chǎng)范圍之內(nèi)，將測(cè)棒的測(cè) 棒測(cè)頭前端置于標(biāo)定輔件上的一個(gè)定孔，圍繞該定孔擺動(dòng)測(cè)棒，分別置于i個(gè)不同位姿，其 中3的自然數(shù)，同時(shí)相機(jī)拍攝當(dāng)前位姿下的測(cè)棒，所述相機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，將采集的圖 像在計(jì)算機(jī)上利用圖像處理的方法得到各個(gè)位姿下的位姿參數(shù)，通過相關(guān)算法計(jì)算得到各 個(gè)目標(biāo)靶點(diǎn)的中心點(diǎn)在以測(cè)棒測(cè)頭中心為原點(diǎn)的右手坐標(biāo)系下的精確三維坐標(biāo)。
[0008] 所述標(biāo)定輔件上等距分布了若干孔徑小于測(cè)棒測(cè)頭直徑的標(biāo)定定孔，用以作為標(biāo) 定過程中與測(cè)棒測(cè)頭充分接觸形成球運(yùn)動(dòng)副，若干標(biāo)定定孔的孔徑不同，配合不同直徑的 測(cè)棒測(cè)頭使用；標(biāo)定輔件四個(gè)邊角位置分別布置了四個(gè)固定螺紋孔，保證在標(biāo)定過程中標(biāo) 定輔件位置信息是唯一不變的；標(biāo)定輔件上布置了兩個(gè)高加工精度的校核孔，用來校核視 覺測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)孔功能的測(cè)量誤差；標(biāo)定輔件的兩個(gè)面作為被夾具固定的夾持面；標(biāo)定輔 件上的另外兩個(gè)面為校核面，作為校核視覺測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)面功能的測(cè)量誤差。
[0009] -種基于位姿估計(jì)的測(cè)棒快速標(biāo)定方法，實(shí)施步驟為： 第一步：將測(cè)棒及標(biāo)定輔件放置在已經(jīng)標(biāo)定好的相機(jī)視場(chǎng)之內(nèi)，并利用標(biāo)定輔件上的 螺紋孔將標(biāo)定輔件固定在相對(duì)于相機(jī)的靜態(tài)基面上； 第二步：將測(cè)棒測(cè)頭前端放置在標(biāo)定輔件上的某一直徑小于測(cè)棒測(cè)頭直徑的標(biāo)定定孔 上； 第三步：擺動(dòng)測(cè)棒，使得測(cè)棒處于i個(gè)不同位姿，其中i多3的自然數(shù)，同時(shí)，測(cè)棒上的 目標(biāo)靶點(diǎn)需要朝向相機(jī)，相機(jī)同步拍攝； 第四步：將拍攝到的不同位姿圖像在計(jì)算機(jī)上利用圖像處理的方法得到各個(gè)位姿下的 位姿參數(shù)； 第五步：通過計(jì)算，求出測(cè)棒測(cè)頭中心坐標(biāo)，再將目標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)一在以測(cè)棒測(cè)頭中心 為原點(diǎn)建立的右手直角坐標(biāo)系上。
[0010] 所述第三步中相機(jī)同步拍攝不同位姿下的測(cè)棒上的目標(biāo)靶點(diǎn)，該目標(biāo)靶點(diǎn)在圖像 中呈現(xiàn)的輪廓為橢圓光斑；通過對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理及輪廓檢測(cè)，并進(jìn)行橢圓擬合，從而得到 橢圓光斑中心在圖像中的精確位置信息，為后續(xù)計(jì)算測(cè)棒所處位姿的位姿信息做好準(zhǔn)備。
[0011] 所述第五步中計(jì)算測(cè)棒測(cè)頭中心坐標(biāo)的方法為：通過第四步得到的位姿參數(shù)，能 夠得到測(cè)棒上目標(biāo)靶點(diǎn)中心點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)信息；首先，求出相鄰不同位姿 之間的變換，包括旋轉(zhuǎn)矩陣