CN103335634A - 一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于部件安装姿态调校的视觉靶板装置及标定方法，设计了一种由视觉靶面、伸出杆与适配工装构成的视觉靶板，根据视觉靶板装置，提出了视觉靶板中各靶点相对位置关系以及视觉靶面与适配工装几何关系的一整套标定方法。首先，采用单摄像机摄影测量方法结合通过精确移动构成的具有确定间距的辅助靶点标定靶板上面各光学靶点的相对位置关系；然后，利用精确控制的移动平台控制视觉靶板做特定移动，根据移动视觉靶点在相机中的位置，采用多点透视算法，标定出靶面坐标系与适配工装坐标的相对姿态。结合本发明设计与标定的视觉靶板装置，可对机身复杂机构中的安装基座进行姿态测量，满足现代飞机柔性自动化现场装配的需要。

Description

一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置及标定方法

技术领域

本发明属于视觉测量，姿态检测领域，具体涉及一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置及标定方法。

背景技术

在飞机装配过程中，机载部件的安装与校准对飞机的作战性能起着至关重要的影响。现代作战飞机一般具有多种火炮、导弹等机载设备，同时还具有平视显示器（HUD），前视红外成像系统（FLIR），航姿参考系统（AHRS）以及惯性导航系统（INU）等多种飞机制导与控制系统。为了确保机载部件定位的有效性，需要对这些部件的安装姿态进行校准。

传统的校准方法主要利用水平仪、经纬仪等工具对飞机进行水平标定，然后在飞机前方一定距离放置标准靶板，将校准夹具和光学校准仪固定在武器系统的安装基座上，通过校准仪人工观察靶板上的靶图对安装基座姿态进行校准。这种方法无法实现数字化实时跟踪测量与校准，工作人员操作起来不仅耗时费力，而且精度难以保证，已经无法适应现代作战飞机制造的技术发展趋势。

根据Fishchler和Bolles在文章“Random sample consensus:a paradigmfor model fitting with applications to image analysis and automatedcartography”中提出的N点透视（Perspective N Point，PNP）算法，由空间中n个已知三维坐标的空间点和其对应在成像平面上的图像坐标，可以确定这n个点在摄像机坐标系下的坐标，即可以确定由该n点构成的坐标系在摄像机坐标系下的位姿。

如果待测量的部件位姿可以通过空间中n个已知三维坐标的空间点表征，那么通过在部件前方一定距离放置单个摄像机，用该摄像机同时对多个部件姿态以及飞机坐标系基准进行测量，可实现部件安装姿态的校准。

但是由于多数设备的安装部位处于机身内部，即使暴露在机身外部的安装基座也可能会被其他结构遮挡，因此需要将隐藏部位的姿态间接表征出来，并使得摄像机可以方便地对其进行视觉成像，从而保证基于机器视觉的部件姿态测量得以实现。“间接表征出来”的含义包含两方面的内容：1）需要通过特殊设计装置将隐藏部位的姿态传递出来；2）在视觉测量上被测部分中特征点的相对位置关系必须已知，同时作为测量目标的传递机构，其被测部分与隐藏部位间的位姿关系必须事先精确标定。

由此可见，上述表征部件姿态装置的设计和标定对于部件安装姿态的视觉检测系统研发，起着至关重要的作用。

发明内容

鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置及标定方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置，：包括视觉靶面、引出杆和适配工装三个部分，其中，所述视觉靶面由靶板、红外LED光学靶点及靶点底座构成；所述靶板的上部表面上固定所述靶点底座，所述靶点底座内放置所述红外LED光学靶点，所述靶板上设有用于固定所述靶点底座的基座，所述红外LED光学靶点、靶点底座和靶板之间胶接固定，共同构成视觉靶板的视觉被测部分；所述靶板的下端连接所述引出杆，引出杆的另一端与所述适配工装相连接；所述适配工装有定位面、定位孔、定位销等形位特征，用于与部件安装基座进行装配。

所述靶点底座具有45度倾角的安装面，该安装面通过胶接的方式固定安装在水平倾角为20度的靶板上。

靶点底座使用的是热膨胀系数极小的因瓦合金材料，在靶点底座上加装一个环形磁石。

所述靶板上基座的分布设计成非对称结构，各基座的分布数量满足PNP算法所需靶点数量。

一种使用所述视觉靶板装置对部件安装姿态进行标定的标定方法，包括视觉靶面上光学靶点空间相对位置标定和视觉靶面与适配工装几何关系标定两个标定步骤，其中：所述光学靶点空间相对位置标定步骤，采用单摄像机摄影测量方法结合辅助靶点空间移动，标定出视觉靶面上光学靶点相对位置关系；所述视觉靶面与适配工装几何关系标定步骤，利用数控移动平台控制视觉靶板做平面内移动，标定出视觉靶面坐标系与适配工装坐标系的关系。

所述视觉靶面上光学靶点空间相对位置标定具体包括以下几个步骤：

步骤1.1：离线标定出摄像机的内部参数；

步骤1.2：任选一个红外LED光学靶点作为辅助靶点，将所述辅助靶点固定在可精确控制移动的运动部件上，在该运动部件的行程空间中取N个预设位置，并将靶板固定在该行程包围的空间中，其中：N取2-10整数个；

步骤1.3：将摄像机摆放在某个方位，移动辅助靶点分别到达上述预设位置，当辅助靶点到达一个所述预设位置后同时对靶面上的靶点和辅助靶点进行图像采集，并用高斯拟合算法获得靶点的图像坐标，将该摄像机方位下拍摄的靶点坐标做多图平均计算，并合成至一张图像；

步骤1.4：选取步骤1.2中辅助靶点在空间移动的最大距离，用于精确确定实际空间比例；

步骤1.5：根据摄影测量原理，将摄像机摆放在多个方位（一般为3-8个）按照步骤1.2到步骤1.4对靶板进行图像采集，利用上述多个方位摄取的图像中相同靶点间的匹配约束关系，利用空间三角法原理，求解各靶点空间三维坐标；

步骤1.6：对步骤1.5中求解获得的所有靶点空间三维坐标进行反投影到图像平面获得反投影图像坐标，计算与步骤1.3中的图像坐标间的误差，以累加误差的均方根为最小的目标函数，采用光束平差法（bundle adjustment）对上述目标函数进行最优化求解，以获得所有摄像机位姿参数以及靶点空间三维坐标最优结果；

步骤1.7：以步骤1.6中优化后的视觉靶面上的各个靶点坐标建立靶面坐标系，完成视觉靶面上各光学靶点相对位置标定。

所述视觉靶面与适配工装几何关系标定具体包括以下几个步骤：

步骤2.1：利用适配工装上定位面、定位孔或定位销等形位特征建立适配工装坐标系；

步骤2.2：将视觉靶面摆放在可以沿面内精确移动的平台上，调整视觉靶面摆放位置，使得移动平台两个面内平移方向与适配工装坐标系上两个轴向方向平行；

步骤2.3：将摄像机固定在适当距离，即保证靶板在移动过程中始终处于摄像机的视场内；

步骤2.4：在步骤2.3中可平移的方向上移动平台至一个预设位置，根据PNP算法求出该位置下，靶面坐标系在摄像机坐标系下的旋转矩阵和平移向量；平移向量可视为靶面坐标系原点的轨迹方向；

步骤2.5：在两个方向上重复步骤2.4各若干次（一般3-5次），求得靶面坐标系在摄像机坐标系下的平均旋转矩阵和原点移动轨迹对应的方向向量；

步骤2.6：根据原点移动轨迹对应的两个方向向量，求得适配工装坐标系在摄像机坐标系下的旋转矩阵；

步骤2.7：根据步骤2.5和步骤2.6的结果，可求出靶面坐标系在适配工装坐标系下的旋转矩阵。

采用本发明中提供的视觉靶板装置及标定方法的有益效果是：

采用单摄像机摄影测量方法结合通过精确移动构成的具有确定间距的辅助靶点标定靶板上面各光学靶点的相对位置关系；然后，利用精确控制的移动平台控制视觉靶板做特定移动，根据移动视觉靶点在相机中的位置，采用PNP算法，标定出靶面坐标系与适配工装坐标的相对姿态。

结合本发明设计与标定的视觉靶板装置，可对机身复杂机构中的安装基座进行姿态测量，满足现代飞机柔性自动化现场装配的需要。

附图说明

图1为本发明提出的视觉靶板装置结构示意图；

图2为本发明装置中光学靶点结构前视图；

图3为本发明装置中光学靶点结构A向剖面图；

图4为本发明装置中视觉靶面结构示意图；

图5为本发明装置中视觉靶面结构左视图；

图6为本发明装置中视觉靶面结构局部剖视图；

图7为本发明装置中适配工装结构俯视图；

图8为本发明装置中适配工装结构前视图；

图9为本发明装置标定方法中光学靶点空间相对位置标定示意图；

图10为本发明装置标定方法中视觉靶面与适配工装几何关系标定示意图；

其中：11、红外LED光学靶点光学靶点；12、视觉靶面；13、引出杆；14、适配工装；15、定位孔；16、安装基座；17、定位销；71、定位平面；91、辅助光学靶点位置；92、成像平面；93、光学靶点；94、极线；101、摄像机。

具体实施方式

本发明的基本思想是：设计一种由视觉靶面、引出杆与适配工装构成视觉靶板装置，结合视觉检测技术特点，提供靶板中各靶点相对位置关系以及视觉靶面与适配工装几何关系标定问题的一整套解决方法。

本发明用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置如1所示，包括：8个红外LED光学靶点11、视觉靶面12、引出杆13、适配工装14、定位孔15。

光学靶点11如图2和图3所示，光学靶点11的底座设计成45度倾角，这样可以保证安装在水平倾角为20度左右的靶板上时，红外LED光学靶点的轴线和相机光轴之间的夹角保持在25度左右，处于LED最佳视场角范围内，从而获得良好的成像效果。

底座使用的是热膨胀系数极小的因瓦合金材料，其具有良好的磁性，因此只需在底座上加装一个环形磁石，就可以把光靶点方便地安装固定在铁磁性待测物体上。

视觉靶面12如图4,5和图6所示，上面布设8个光学靶点底座，靶点底座和基座之间用胶接固定，构成视觉靶板的视觉被测部分。基座分布设计成非对称结构，利用这种非对称性，通过一幅靶板图像即可快速确定每个靶点图像光斑与实物靶点的一一对应关系。

适配工装14如图7和图8所示，其设计要求将部件安装坐标系精确传递至适配工装坐标系，因此采用机械加工方式加工出工装坐标系。由于不同部件的安装基座有较大差别，因此该部分往往需要根据不同的测量目标进行单独设计。本发明根据安装基座16的结构特点，采用一面两孔的方式完成工装坐标系的加工，但此工装加工坐标系仅为本发明的较佳实施例而已，工装坐标系并不仅限于此。

根据图1所示的部件安装姿态校准装置，本发明还提供了该装置的一整套标定方法，主要内容包括：视觉靶面上光学靶点空间相对位置标定和视觉靶面与适配工装几何关系标定。

视觉靶面上光学靶点空间相对位置标定包括以下步骤：

步骤1.1：离线标定出摄像机的内部参数，这里可采用杨博文在文章“面向大视场视觉测量的摄像机标定技术[J].光学学报,2012,32(9):0915001.”中提到的相机标定方法，对摄像机的内部参数进行标定。

步骤1.2：使用一个红外LED光学靶点靶点作为辅助靶点，如图5所示，固定在可精确控制移动的运动部件（如三轴数控机床的刀具装夹基座）上，在其行程空间中取n个（比如2个）预设位置，并将靶板固定在该行程空间中。

步骤1.3：当摄像机在某个方位时，移动辅助靶点分别到达上述预设位置，当辅助靶点到达一个预定位置后同时对靶板和辅助靶点进行图像采集。采用冯新星在文章“二维高斯分布光斑中心快速提取算法研究[J].光学学报，2012，32(5):0512005”中提到的靶点图像坐标提取方法，将该摄像机方位下拍摄的n张图像中提取的靶点坐标做多图平均，并合成至一张图像中，合成后的图像中共有8+n个靶点。

步骤1.4：选取步骤1.2中辅助靶点在空间移动的最大距离L，并记下其对应的两个点位，用于精确确定实际空间比例。

步骤1.5：变换摄像机的拍摄方位重复步骤1.2到步骤1.4拍摄及图像合成过程，摄像机拍摄方位取为m个。

步骤1.6：令第一个摄像机方位为初始方位（j=0），该方位下的摄像机坐标系设定为世界坐标系(O_c0X_c0Y_c0Z_c0)，第二个摄像机方位（j=1）与初始方位拍摄的图像利用两视图几何的原理求解出第二个摄像机方位的旋转矩阵R₁以及平移向量t₁，并且求解出8+n个靶点在坐标系O_c0X_c0Y_c0Z_c0下的三维坐标。

步骤1.7：第j（j=2,…,m）个摄像机方位利用多视图几何原理，利用前两幅视图的求解结果，恢复第j个摄像机方位相对初始方位的旋转矩阵R_j以及平移向量t_j。

步骤1.8：当m个视图计算完毕以后，对所有摄像机位姿参数以及靶点三维坐标进行整体优化，采用光束平差法建立所有视图中靶点重建坐标的再投影误差累加为最小的目标函数，表达式为

$\min {\mathrm{\Σ}}_{j=1}^m\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{8+n}\right||p_{\mathrm{ij}}-{\hat{p}}_{\mathrm{ij}}(R_j^0,t_j^0,P_i)|\left|\right)---\left(1\right)$

其中P_i为光学靶点在O_c0X_c0Y_c0Z_c0下的三维坐标，p_ij为第j个摄像机方位下拍摄的图像中对应实物靶点P_i的图像坐标；为第i个靶点的三维坐标P_i再投影到第j个图像平面的图像坐标，且这里的图像坐标是畸变校正后的结果；

分别表示第j个摄像机坐标系在初始摄像机坐标系下的旋转矩阵和平移向量。采用Levenberg-Marquardt迭代算法对式（1）中的优化变量

和

进行优化求解。

步骤1.9：令步骤1.4中的两个点位对应步骤1.7中的两个点

令

则实际空间比例

用λ将步骤1.7中结果恢复至实际空间尺度， $P_i=\mathrm{\λ}{\hat{P}}_t.$

步骤1.10：根据步骤1.8中得到的视觉靶面上的8个靶点坐标建立靶面坐标系。如图9所示，以8个靶点空间分布的形心为坐标原点，根据8个靶点拟合O_tX_tY_t平面，其法向为Z_t轴，以靶板左上角的靶点作为1号点起始，由1号起顺时针对靶点依次编号，将4号靶点坐标投影到O_tX_tY_t平面上与坐标原点的连线确定X_t轴，进而根据右手法则确定Y_t轴，至此光学靶点相对位置关系标定完毕，靶面坐标系建立完成。

视觉靶面与适配工装几何关系标定包含以下步骤：

步骤2.1：建立安装基座坐标系O_s-X_sY_sZ_s，适配工装坐标系O_b-X_bY_bZ_b。适配工装通过销、孔等定位特征与部件安装安装基座固定连接，装夹后适配工装坐标系将与部件安装安装基座坐标系重合。以图1中所示安装基座为例，安装基座上表面为O_sX_sY_sZ_s平面，两定位销中心连线为X_s轴。与之相配合的适配工装的下表面为O_bX_bY_bZ_b平面，两销孔中心连线为X_b轴，方向与X_s轴一致。为便于与适配工装坐标系的对齐，结合适配工装结构设计一个定位面，如图4所示，要求与Y_b轴垂直。

步骤2.2：将视觉靶面与适配工装连接固定构成视觉靶板，固定在可以沿X、Y两个垂直方向精确移动的平台（如工作台可移动式数控机床的工作台）上，通过适配工装的工艺基准，使得移动平台的X轴和Y轴分别与适配工装坐标系的X_b轴、Y_b轴平行。将摄像机固定在适当距离，保证靶板在移动过程中始终处于摄像机的有效视场内。

步骤2.3：光学靶点相对位置关系标定完毕后，移动平台每次移动靶板至一个预定位置i(i=1,2,…,n)，如图10所示，则可以根据PNP算法求出该位置下，靶面坐标系在摄像机坐标系下的旋转矩阵和平移向量

移动平台沿着X_b和Y_b方向分别移动n个预定位置。由于靶板始终做平移运动，因此理想情况下，每个预定位置下获得的靶面坐标系相对于摄像机坐标系的旋转矩阵

是相同的。但由于噪声、振动等原因

之间会略有变化，对这些旋转取平均获得旋转矩阵

根据平移向量

可得靶面坐标系的原点O_ti在摄像机坐标系下的坐标即为(^cx_i,^cy_i,^cz_i)^T。根据X_b方向下的O_ti(i=1,2,…,m)求得方向向量^ce_bx，同理求得Y_b方向下的方向向量^ce_by，^ce_bx与^ce_by叉积获得向量^ce_bz，则适配工装坐标系O_bX_bY_bZ_b在摄像机坐标系下的旋转矩阵

表示为

$R_b^c=\left[\begin{array}{ccc}e_{\mathrm{bx}}^c& e_{\mathrm{by}}^c& e_{\mathrm{bz}}^c\end{array}\right]---\left(2\right)$

步骤2.4：根据求得的

和

即可求出靶面坐标系在适配工装坐标系下的旋转矩阵

$R_t^b=R_T^b{}_c\stackrel{\‾}{R}_t^c---\left(3\right)$

步骤2.5：由于一般情况下只需要对部件安装安装基座的姿态角度进行校准，因此获得靶面坐标系与适配工装坐标系的相对旋转矩阵

即实现了将基座姿态与靶面姿态之间的精确关联，从而可以通过对视觉靶面姿态的测量，间接测量基座姿态，至此，视觉靶板标定完毕。

视觉靶面与适配工装的几何关系一经标定以后，视觉靶板将以一个刚性的整体用于部件安装安装姿态校准，如无拆解或受力变形，不需要重新标定。

对设备安装基座进行姿态检测校准时，通过单相机对安装基座安装的视觉靶板以及表征飞机基准坐标系的靶板共m个靶板同时进行成像，识别并精确定位各靶点在图像中的位置，利用PNP算法计算出各靶面坐标系在摄像机坐标系下的旋转矩阵

将以及视觉靶面与适配工装几何关系标定结果

代入式（3）即可求出相应的适配工装坐标系（即安装基座坐标系）在摄像机坐标系下的旋转矩阵

工作状态下，部件安装安装姿态的视觉校准系统对靶面坐标系的姿态进行测量，通过靶面坐标系与适配工装坐标系的相对姿态R，即可间接测量出安装基座坐标系的姿态。不失一般性，记表征飞机基准坐标系的靶板为第1个靶板，则可以测量输出各部件安装安装座坐标系与飞机基准坐标系之间的相对姿态

$R_{\mathrm{bi}}^{b1}=R_T^{b1}{}_{c}R_{\mathrm{bi}}^c---\left(4\right)$

实施例

本实施例中所有实验采用的摄像机成像系统均为：Basler A102f摄像机，图像分辨率1394×1040pixel²，镜头的标称焦距为12.5mm，前端加装红外滤镜过滤掉可见光。

光学靶点相对位置标定采用NH-SK数控机床控制辅助靶点精确移动，机床有效行程1000×600×550mm³，机床的X、Y、Z轴三个方向的移动自由度都在刀具上。将靶板固定在机床的工作台面中部。在刀具装夹基座处固定一个红外LED光学靶点辅助靶点。摄像机放置在距离靶板约6m处。

机床坐标系中预设的两个坐标位置（单位mm）为（0.00,588.00,485.00）和（955.00,0.00,0.00），则由这两个位置下的辅助靶点构成的标准长度为1071.372mm。首先移动辅助靶点到预设位置1，令靶板上的各靶点与辅助靶点同时点亮，采集一幅图像。然后移动辅助靶点到预设位置2，同时点亮并拍摄靶板与辅助靶点，得到另一幅图像。将两幅图像叠加合成的最为该相机位置下的合成图像。变换摄像机摆放的方位，确保靶板与辅助靶点都包括在摄像机的视场之中，重复上述过程，共在20个不同的方位对视觉靶面以及辅助靶点进行了图像采集。每个方位均拍摄两次并进行叠加合成。根据20幅不同方位拍摄得到的图像，用本发明中提供视觉靶面上光学靶点空间相对位置标定方法对该靶面上的靶点相对位置进行标定，得到靶板上的8个靶点、2个辅助靶点位置以及各次拍摄时的相机位姿在三维空间中的相对关系，其数值结果见表1。

表1所有靶点在摄像机坐标系下的坐标

光学靶点	x	y	z
				1	421.267	333.508	6757.239
2	537.378	337.557	6752.619
				3	652.087	340.211	6741.504
4	637.660	397.390	6608.497
				5	622.855	454.776	6476.024
6	473.527	451.892	6491.262
				7	394.013	450.636	6499.551
8	409.410	392.695	6631.645
				辅助靶点1	940.171	624.621	6147.142
辅助靶点2	49.687	90.346	6791.027

视觉靶面与适配工装几何关系标定采用VC1400S型数控机床作为视觉靶面与适配工装几何关系标定的移动平台，该机床的X、Y轴移动自由度在其工作平台上，有效行程为1400×700mm²。将摄像机固定在距离靶板约6m处。

机床工作平台首先沿着X轴正方向由X=50.00mm，Y=50.00mm处开始沿机床的X轴方向移动，每移动50mm摄像机对靶板进行图像采集，X轴方向共采集20个靶板方位。然后移动工作平台至X=600.00mm，Y=50.00mm处，工作平台沿Y轴正方向移动，每移动25mm摄像机对靶板进行图像采集，Y轴方向共采集20个靶板方位。利用PNP算法，分别计算出上述40个位置下靶面坐标系原点Oti（i=1,2,…,40）在摄像机坐标系下的坐标。

由测量所得靶板移动的方位坐标拟合得到适配工装坐标系，利用本发明提供的视觉靶面与适配工装几何关系标定方法求得靶面坐标系相对适配工装坐标系的旋转矩阵

为

$\left[\begin{array}{ccc}0.99998& 0.00045& 0.00686\\ 0.00219& 0.92511& -0.37969\\ -0.00652& 0.3797& 0.925087\end{array}\right]$

以上所述，仅为本发明的一个具体实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置，其特征在于：包括视觉靶面、引出杆和适配工装三个部分，其中，所述视觉靶面由靶板、红外LED光学靶点及靶点底座构成；所述靶板的上部表面上固定所述靶点底座，所述靶点底座内放置所述红外LED光学靶点，所述靶板上设有用于固定所述靶点底座的基座，所述红外LED光学靶点、靶点底座和靶板之间胶接固定，共同构成视觉靶板的视觉被测部分；所述靶板的下端连接所述引出杆，引出杆的另一端与所述适配工装相连接；所述适配工装作为连接端与部件的安装基座连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置，其特征在于：所述靶点底座具有45度倾角的安装面，该安装面通过胶接的方式固定安装在水平倾角为20度的靶板上。

3.根据权利要求1所述的一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置，其特征在于：靶点底座使用的是热膨胀系数极小的因瓦合金材料，在靶点底座上加装一个环形磁石。

4.根据权利要求1所述的一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置，其特征在于：所述靶板上基座的分布设计成非对称结构，各基座的分布数量满足PNP算法所需靶点数量。

5.一种使用如权利要求1所述视觉靶板装置对部件安装姿态进行标定的标定方法，其特征在于：包括视觉靶面上光学靶点空间相对位置标定和视觉靶面与适配工装几何关系标定两个标定步骤，其中：所述光学靶点空间相对位置标定步骤，采用单摄像机摄影测量方法结合辅助靶点空间移动，标定出视觉靶面上光学靶点相对位置关系；所述视觉靶面与适配工装几何关系标定步骤，利用数控移动平台控制视觉靶板做平面内移动，标定出视觉靶面坐标系与适配工装坐标系的关系。

6.根据权利要求5所述视觉靶板装置对部件安装姿态进行标定的标定方法，其特征在于：所述视觉靶面上光学靶点空间相对位置标定具体包括以下几个步骤：

步骤1.1：离线标定出摄像机的内部参数；

步骤1.2：任选一个红外LED光学靶点作为辅助靶点，将所述辅助靶点固定在可精确控制移动的运动部件上，在该运动部件的行程空间中取N个预设位置，并将靶板固定在该行程包围的空间中，其中：N取2-10整数个；

步骤1.3：将摄像机摆放在某个方位，移动辅助靶点分别到达上述预设位置，当辅助靶点到达一个所述预设位置后同时对靶面上的靶点和辅助靶点进行图像采集，并用高斯拟合算法获得靶点的图像坐标，将该摄像机方位下拍摄的靶点坐标做多图平均计算，并合成至一张图像；

步骤1.4：选取步骤1.2中辅助靶点在空间移动的最大距离，用于精确确定实际空间比例；

步骤1.5：根据摄影测量原理，将摄像机摆放在多个方位（一般为3-8个）按照步骤1.2到步骤1.4对靶板进行图像采集，利用上述多个方位摄取的图像中相同靶点间的匹配约束关系，利用空间三角法原理，求解各靶点空间三维坐标；

步骤1.6：对步骤1.5中求解获得的所有靶点空间三维坐标进行反投影到图像平面获得反投影图像坐标，计算与步骤1.3中的图像坐标间的误差，以累加误差的均方根为最小的目标函数，采用光束平差法（bundle adjustment）对上述目标函数进行最优化求解，以获得所有摄像机位姿参数以及靶点空间三维坐标最优结果；

步骤1.7：以步骤1.6中优化后的视觉靶面上的各个靶点坐标建立靶面坐标系，完成视觉靶面上各光学靶点相对位置标定。

7.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于：所述视觉靶面与适配工装几何关系标定具体包括以下几个步骤：

步骤2.1：利用适配工装上定位面、定位孔或定位销等形位特征建立适配工装坐标系；

步骤2.2：将视觉靶面摆放在可以沿面内精确移动的平台上，调整视觉靶面摆放位置，使得移动平台两个面内平移方向与适配工装坐标系上两个轴向方向平行；

步骤2.3：将摄像机固定在适当距离，即保证靶板在移动过程中始终处于摄像机的视场内；

步骤2.4：在步骤2.3中可平移的方向上移动平台至一个预设位置，根据PNP算法求出该位置下，靶面坐标系在摄像机坐标系下的旋转矩阵和平移向量；平移向量可视为靶面坐标系原点的轨迹方向；

步骤2.5：在两个方向上重复步骤2.4各若干次（一般3-5次），求得靶面坐标系在摄像机坐标系下的平均旋转矩阵和原点移动轨迹对应的方向向量；

步骤2.6：根据原点移动轨迹对应的两个方向向量，求得适配工装坐标系在摄像机坐标系下的旋转矩阵；

步骤2.7：根据步骤2.5和步骤2.6的结果，可求出靶面坐标系在适配工装坐标系下的旋转矩阵。

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