CN101788265A - 发动机缸体结合面孔组快速测量全局统一标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于视觉检测技术。具体讲涉及发动机缸体结合面孔组快速测量全局统一标定方法。为设计出一种应用于发动机缸体结合面孔组快速测量中的多视觉传感器全局统一标定方法，完成对整个检测系统的现场快速标定，本发明采用的技术方案是，由坐标转换关系，可以将测量相机图像坐标(u，v)统一到被测缸体坐标系Ob-XbYbZb下标定出投影比例因子λ₁、λ₂、λ和旋转矩阵R、平移矢量T、投影矩阵M1、M2、M，即可完成对发动机缸体结合面孔组的快速精确测量。采用一个标定靶标用于标定投影比例因子λ₁、λ₂、λ，投影矩阵M1、M2、M，被测缸体坐标系和靶标坐标系间的旋转矩阵R和平移矢量T。本发明主要应用于机械零件测量。

Description

发动机缸体结合面孔组快速测量全局统一标定方法

技术领域

本发明属于视觉检测技术、机械零件测量。具体讲，涉及发动机缸体结合面孔组快速测量全局统一标定方法。

背景技术

在发动机缸体的生产过程中，缸体的底平面和底面上的两个定位销孔是首先加工完成的，作为发动机缸体的工艺基准。发动机缸体结合面上的气缸孔和连接孔都是在该基准的定位下加工完成的。由于工艺基准在加工过程中只有粗定位基准，会存在一定的加工误差，每个发动机缸体的工艺基准之间都会存在差别。因此在发动机缸体结合面孔组的测量过程中，需要将最终的测量结果转化到发动机缸体加工过程中建立的工艺基准坐标系中，才能得到正确的检测结果。在检测过程中，需要研究坐标系统一融合技术，将线阵CCD的测量结果转化到被测发动机缸体的工艺基准坐标系中。在坐标系统一融合的过程中，将面阵CCD加入到检测系统中，利用面阵CCD对发动机缸体底面上的定位销孔成像获取被测缸体工艺基准在系统测量坐标系中的位置，求取系统测量坐标系与工艺基准坐标系之间的相对位置关系。因此为了保证测量结果的准确性，需要研究基于多视觉传感器的在线全局统一标定方法，一次性完成对发动机缸体结合面孔组检测系统的标定工作。

由于被测对象的特殊性，目前还没有在类似的应用环境下对基于多视觉传感器检测系统的在线全局统一标定方法。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于设计出一种应用于发动机缸体结合面孔组快速测量中的多视觉传感器全局统一标定方法，完成对整个检测系统的现场快速标定。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：。

定位相机选用2台面阵CCD相机，测量相机选用线阵CCD相机，标定时，整个检测系统建立以下五个坐标系：标定用靶标坐标系Ot-XtYtZt，被测缸体坐标系Ob-XbYbZb，定位相机1图像坐标系O1-U1V1，定位相机2图像坐标系O2-U2V2，测量相机图像坐标系O-UV；其中测量相机图像V向坐标来源于精密光栅尺的测量结果；靶标坐标系Ot-XtYtZt以靶标底面两定位孔中心连线为X轴，以过左侧定位孔中心且垂直于靶标底面的直线为Z轴建立右手坐标系，将靶标坐标系视为世界坐标系，分别对定位相机1、2和测量相机图像坐标系与靶标坐标系进行摄像机标定步骤，确定其之间的空间坐标转换关系：

${\mathrm{\λ}}_1\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ v_1\\ 1\end{array}\right]={M_1}^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$ ${\mathrm{\λ}}_2\left[\begin{array}{c}{u}_2\\ v_2\\ 1\end{array}\right]={M_2}^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$ $\mathrm{\λ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=M^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$

上式中，参数λ₁为定位相机1投影比例因子，M₁ ^3×4为定位相机1投影矩阵，参数λ₂为定位相机2投影比例因子，M₂ ^3×4为定位相机2投影矩阵，参数λ为测量相机投影比例因子，M^3×4为测量相机投影矩阵；

测量缸体时，需要找到被测缸体坐标系和标定时靶标坐标系间的坐标转换关系，被测缸体坐标系Ob-XbYbZb以被测缸体底面两定位孔中心连线为X轴，以过左侧定位孔中心且垂直于被测缸体底面的直线为Z轴建立右手坐标系，靶标坐标系与被测缸体坐标系之间只存在坐标原点在XOY平面上的平移和绕Z轴的旋转，假设被测缸体左侧定位孔在靶标坐标系Ot-XtYtZt下的坐标为(xt1，yt1，0)，右侧定位孔在靶标坐标系Ot-XtYtZt下的坐标为(xt2，yt2，0)，绕Z轴的旋转角度为θ，可以得到被测缸体坐标系Ob-XbYbZb和靶标坐标系Ot-XtYtZt的坐标转换关系如下：

其中

由以上坐标转换关系，可以将测量相机图像坐标(u，v)统一到被测缸体坐标系Ob-XbYbZb下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}T\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\·\mathrm{\λ}\·M_{3\×4}^{-1}\·\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}T\\ 0\end{array}\right]$

标定出投影比例因子λ₁、λ₂、λ和旋转矩阵R、平移矢量T、投影矩阵M1、M2、M，即可完成对发动机缸体结合面孔组的快速精确测量。

采用一个标定靶标用于标定投影比例因子λ₁、λ₂、λ，投影矩阵M1、M2、M，被测缸体坐标系和靶标坐标系间的旋转矩阵R和平移矢量T。

由花岗岩制成标定靶标主体；在标定靶标的花岗岩主体上下表面分别镶嵌合金铝，在合金铝上机械加工出与发动机缸体尺寸形状对应的，圆度要求较高的圆孔特征；通过三坐标机测量取得标定靶标上的标准尺寸和形位基准作为标准数据，将取得的标准数据代入到测试系统标定模型中即可完成系统标定；靶标上表面的圆孔特征用于标定测量相机图像坐标系与靶标坐标系的空间位置转换关系，即参数λ和参数矩阵M，下表面上的圆孔特征用于标定定位相机1、2与靶标坐标系的空间位置转换关系，即参数λ₁、λ₂和参数矩阵M1、M2，同时也可以标定得到被测缸体坐标系和靶标坐标系间的旋转矩阵R和平移矢量T。

本发明可以产生如下的有益效果：

本发明使用一个不需要精密加工的立体靶标，通过一次成像，完成对基于多视觉传感器的发动机缸体结合面孔组快速测量系统的标定工作。这种方法操作方便，标定过程比较简单，而且不需要精密加工的立体靶标，节约了标定成本。

附图说明

图1标定模型示意图。

图2标定靶标。

具体实施方式

下面结合附图和实例进一步详细说明本发明。

如附图1所示，定位相机选用2台面阵CCD相机，测量相机选用线阵CCD相机。标定时，整个检测系统建立以下五个坐标系。标定用靶标坐标系Ot-XtYtZt，被测缸体坐标系Ob-XbYbZb，定位相机1图像坐标系O1-U1V1，定位相机2图像坐标系O2-U2V2，测量相机图像坐标系O-UV。其中测量相机图像坐标系中V向坐标来源于精密光栅尺的测量结果。靶标坐标系Ot-XtYtZt以靶标底面两定位孔中心连线为X轴，以过左侧定位孔中心且垂直于靶标底面的直线为Z轴建立右手坐标系。将靶标坐标系视为世界坐标系，分别对定位相机1、2和测量相机图像坐标系与靶标进行摄像机标定步骤，确定其之间的空间坐标转换关系。

${\mathrm{\λ}}_1\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ v_1\\ 1\end{array}\right]={M_1}^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$ ${\mathrm{\λ}}_2\left[\begin{array}{c}{u}_2\\ v_2\\ 1\end{array}\right]={M_2}^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$ $\mathrm{\λ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=M^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$

测量缸体时，需要找到被测缸体坐标系和标定时靶标坐标系间的坐标转换关系。被测缸体坐标系Ob-XbYbZb以被测缸体底面两定位孔中心连线为X轴，以过左侧定位孔中心且垂直于被测缸体底面的直线为Z轴建立右手坐标系。靶标坐标系与被测缸体坐标系之间只存在坐标原点在XOY平面上的平移和绕Z轴的旋转。假设被测缸体左侧定位孔在靶标坐标系Ot-XtYtZt下的坐标为(xt1，yt1，0)，右侧定位孔在靶标坐标系Ot-XtYtZt下的坐标为(xt2，yt2，0)，绕Z轴的旋转角度为θ，可以得到被测缸体坐标系Ob-XbYbZb和靶标坐标系Ot-XtYtZt的坐标转换关系如下。

其中

由以上坐标转换关系，可以将测量相机图像坐标(u，v)统一到被测缸体坐标系Ob-XbYbZb下。

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}T\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\·\mathrm{\λ}\·{M^{-1}}_{3\×4}\·\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}T\\ 0\end{array}\right]$

由此可知，标定出投影比例因子λ₁、λ₂、λ和旋转矩阵R、平移矢量T、投影矩阵M1、M2、M，即可完成对发动机缸体结合面孔组的快速精确测量。旋转矩阵R、平移矢量T的计算方法在上文中已有论述，投影比例因子λ₁、λ₂、λ和投影矩阵M1、M2、M可通过已得到广泛应用的摄像机参数标定获得。

由于被测发动机缸体以底面上的两个定位销孔A、B和底平面作为基准，基准坐标平面与发动机缸体结合面孔组所在的被测上表面不在同一高度，而且过A、B两定位销孔中心与底平面垂直的AA线和BB线均不穿过上表面。因此，测量相机CCD扫描出的图形没有基准点线作为参考。因此需要设计一个专用的标定用基准靶标，如附图2所示。

标定靶标主体由花岗岩制成，采用花岗岩的原因主要有：①加工中不必经过多次时效处理，内应力小，长期稳定性高；②各基准平面的平面度可研磨至1-2μm的高精度；③吸水性低、抗酸碱性环境腐蚀能力强。在标定靶标的花岗岩主体上下表面分别镶嵌合金铝，在合金铝上机械加工出如附图2所示的圆孔特征。圆孔特征加工时对其圆度的要求较高，对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。通过三坐标机测量取得靶标上的标准尺寸和形位基准作为标准数据。将取得的标准数据代入到测试系统标定模型中即可完成系统标定。靶标上表面的圆孔特征用于标定测量相机图像坐标系与靶标坐标系的空间位置转换关系，即参数λ和参数矩阵M。下表面上的圆孔特征用于标定定位相机1、2与靶标坐标系的空间位置转换关系，即参数λ₁、λ₂和参数矩阵M1、M2，同时也可以标定得到被测缸体坐标系和靶标坐标系间的旋转矩阵R和平移矢量T。

标定时，将被测靶标缓慢放置于测试台上，使得被测靶标底面的两个定位孔分别位于两个定位相机的视场中。定位相机对定位孔成像，线阵测量相机对被测靶标上表面扫描成像。将靶标坐标系视为世界坐标系，分别对定位相机和线阵测量相机进行摄像机标定步骤。

测量时，根据被测缸体两个定位孔的中心坐标在定位相机视场中的位置标定出被测缸体坐标系和标定时靶标坐标系间的坐标转换关系，从而完成整个检测系统的标定工作。

Claims (3)

1.一种发动机缸体结合面孔组快速测量全局统一标定方法，其特征是，定位相机选用2台面阵CCD相机，测量相机选用线阵CCD相机，标定时，整个检测系统建立以下五个坐标系：标定用靶标坐标系Ot-XtYtZt，被测缸体坐标系Ob-XbYbZb，定位相机1图像坐标系O1-U1V1，定位相机2图像坐标系O2-U2V2，测量相机图像坐标系O-UV；其中测量相机图像V向坐标来源于精密光栅尺的测量结果；靶标坐标系Ot-XtYtZt以靶标底面两定位孔中心连线为X轴，以过左侧定位孔中心且垂直于靶标底面的直线为Z轴建立右手坐标系，将靶标坐标系视为世界坐标系，分别对定位相机1、2和测量相机图像坐标系与靶标坐标系进行摄像机标定步骤，确定其之间的空间坐标转换关系：

${\mathrm{\λ}}_1\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ v_1\\ 1\end{array}\right]={M_1}^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$ ${\mathrm{\λ}}_2\left[\begin{array}{c}{u}_2\\ v_2\\ 1\end{array}\right]={M_2}^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$ $\mathrm{\λ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=M^{3\×4}\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]$

上式中，参数λ₁为定位相机1投影比例因子，M₁ ^3×4为定位相机1投影矩阵，参数λ₂为定位相机2投影比例因子，M₂ ^3×4为定位相机2投影矩阵，参数λ为测量相机投影比例因子，M^3×4为测量相机投影矩阵；

测量缸体时，需要找到被测缸体坐标系和标定时靶标坐标系间的坐标转换关系，被测缸体坐标系Ob-XbYbZb以被测缸体底面两定位孔中心连线为X轴，以过左侧定位孔中心且垂直于被测缸体底面的直线为Z轴建立右手坐标系，靶标坐标系与被测缸体坐标系之间只存在坐标原点在XOY平面上的平移和绕Z轴的旋转，假设被测缸体左侧定位孔在靶标坐标系Ot-XtYtZt下的坐标为(xt1，yt1，0)，右侧定位孔在靶标坐标系Ot-XtYtZt下的坐标为(xt2，yt2，0)，绕Z轴的旋转角度为θ，可以得到被测缸体坐标系Ob-XbYbZb和靶标坐标系Ot-XtYtZt的坐标转换关系如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]+T,$ 其中 $T=\left[\begin{array}{c}{x}_{t1}\\ y_{t1}\\ 0\end{array}\right],$ $R=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{y_{t2}-y_{t1}}{x_{t2}-x_{t1}}$

由以上坐标转换关系，可以将测量相机图像坐标(u，v)统一到被测缸体坐标系Ob-XbYbZb下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}T\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\·\mathrm{\λ}\·M_{3\×4}^{-1}\·\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}T\\ 0\end{array}\right]$

标定出投影比例因子λ₁、λ₂、λ和旋转矩阵R、平移矢量T、投影矩阵M1、M2、M，即可完成对发动机缸体结合面孔组的快速精确测量。

2.根据权利要求1所述的一种发动机缸体结合面孔组快速测量全局统一标定方法，其特征是，采用一个标定靶标用于标定投影比例因子λ₁、λ₂、λ，投影矩阵M1、M2、M，被测缸体坐标系和靶标坐标系间的旋转矩阵R和平移矢量T。

3.根据权利要求1所述的一种发动机缸体结合面孔组快速测量全局统一标定方法，其特征是，由花岗岩制成标定靶标主体；在标定靶标的花岗岩主体上下表面分别镶嵌合金铝，在合金铝上机械加工出与发动机缸体尺寸形状对应的，圆度要求较高的圆孔特征；通过三坐标机测量取得标定靶标上的标准尺寸和形位基准作为标准数据，将取得的标准数据代入到测试系统标定模型中即可完成系统标定；靶标上表面的圆孔特征用于标定测量相机图像坐标系与靶标坐标系的空间位置转换关系，即参数λ和参数矩阵M，下表面上的圆孔特征用于标定定位相机1、2与靶标坐标系的空间位置转换关系，即参数λ₁、λ₂和参数矩阵M1、M2，同时也可以标定得到被测缸体坐标系和靶标坐标系间的旋转矩阵R和平移矢量T。

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