CN104807476A - 一种基于位姿估计的测棒快速标定装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于位姿估计的测棒快速标定装置和方法。装置包括一个具有既定分布目标靶点的测棒、一个相机、一个标定辅件、一台计算机；方法步骤为所述标定辅件放置在相机视场范围之内，将测棒的测棒测头前端置于标定辅件上的一个定孔，围绕该定孔摆动测棒，分别置于i个不同位姿，其中i≥3的自然数，同时相机拍摄当前位姿下的测棒，所述相机与计算机连接，将采集的图像在计算机上利用图像处理的方法得到各个位姿下的位姿参数，通过相关算法计算得到各个目标靶点的中心点在以测棒测头中心为原点的右手坐标系下的精确三维坐标。本发明标定装置及方法为非接触式光学测量系统精度保障奠定了基础。

Description

一种基于位姿估计的测棒快速标定装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于位姿估计的测棒快速标定装置和方法，属于测量、测试领域。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展和各种先进制造技术思想和理论的不断提出，尤其是以数字化制造为核心的先进技术的迅猛发展，使得计算机辅助检测和计算机辅助质量的应用更加广泛。以计算机视觉为基础的视觉测量，是在三维坐标测量技术上发展起来的一门新兴空间三维坐标测量技术。它采用高分辨率、广视角的相机和高采集被测件的高分辨率数字图像，用高性能计算机经过图像处理和相关算法计算获得被测件的空间三维坐标。目前，视觉测量方案主要分为单相机测量和多相机测量。单相机测量是通过分析图像中的测棒上各目标靶点的图像坐标位置，利用“n点透视问题”（Perspective-n-Point,简称PNP问题）的求解方法求出被测件在摄像机坐标系下的位姿参数，进而实现三维测量。多相机测量一般是利用三角测量原理，通过计算图像对应点间的视差，以获取被测件表面点的三维信息。这类测量方法抛弃了传统的机械导轨式三维坐标测量模式，以其简单、灵活的系统结构适应现代制造业对测量技术和系统在测量精度、速度及操作便利性等多方面的要求。目前主要应用在三维形貌及几何尺寸测量，逆向工程中数据点云的快速获取，改善三坐标测量机性能的辅助工具，大尺寸高精度三维坐标测量等领域。而这类测量方法往往需要提前确定测头中心与目标靶点之间的位置关系。由于测棒上的测头会反复地被拆卸安装，导致测头中心位置信息变动，直接影响到测量精度。因此，提出一个标定测棒上目标靶点中心相对于测棒测头中心准确位置的装置和方法是有重要意义和价值的。

单目视觉测量具有极其广阔的应用前景，尤其是大尺度测量领域体现的优势尤为突出。为了能够在现场快速测量，要求系统对环境具有快速适应性。具体来说，在测量不同的物体，如隐藏点，小孔等时，需要安装不同的测头。每一次新安装的测棒测头的中心位置与前一次一般不同，即使重新安装同一个探头，由于安装用力大小不同，测头中心的位置也会与前一次有所不同。而测量现场一般没有精密坐标测量仪器对测头进行现场标定，这就给测量带来了不便。为了能将更换测针的测棒立即投入使用，就需要对测头中心在测棒坐标系下的坐标值进行快速自标定。

目前现有的标定方法主要还是通过三坐标测量机等精密仪器来测量各个特征点的位置信息。但是由于每一次现场测量，都可能需要拆卸安装不同型号的测棒测头，而三坐标测量机体积庞大，笨重，导致这种视觉测量系统操作便利，适合在复杂的工业现场进行测量的优点无法发挥，另外，这种标定方法成本昂贵。

发明内容

为了精确标定测棒上目标靶点中心相对于测棒测头中心准确位置，本发明的目的是提供一种基于位姿估计的测棒快速标定装置和方法。

为达到上述目的，本发明的构思是：

该装置由高性能相机、定制标定辅件构成，用来标定测棒上目标靶点相对于测棒测头中心准确位置，为测量系统的高精度测量奠定基础。测棒上的目标靶点绕测头中心旋转运动，当已知三个以上的不共面的姿态时，可唯一确定旋转中心位置。拍摄不同姿态下的测棒，识别标识测棒上的目标靶点，采用PNP算法或者立体视觉算法计算目标靶点的三维位置，根据刚体运动变换计算目标靶点的三维姿态，进而使用相关算法计算出各个目标靶点中心点在以测头中心为原点的右手坐标系下的精确三维坐标。

根据以上构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于位姿估计的测棒快速标定装置，包括一个具有既定分布目标靶点的测棒、一个相机、一个标定辅件、一台计算机；所述标定辅件放置在相机视场范围之内，将测棒的测棒测头前端置于标定辅件上的一个定孔，围绕该定孔摆动测棒，分别置于i个不同位姿，其中i≥3的自然数，同时相机拍摄当前位姿下的测棒，所述相机与计算机连接，将采集的图像在计算机上利用图像处理的方法得到各个位姿下的位姿参数，通过相关算法计算得到各个目标靶点的中心点在以测棒测头中心为原点的右手坐标系下的精确三维坐标。

所述标定辅件上等距分布了若干孔径小于测棒测头直径的标定定孔，用以作为标定过程中与测棒测头充分接触形成球运动副，若干标定定孔的孔径不同，配合不同直径的测棒测头使用；标定辅件四个边角位置分别布置了四个固定螺纹孔，保证在标定过程中标定辅件位置信息是唯一不变的；标定辅件上布置了两个高加工精度的校核孔，用来校核视觉测量系统中测孔功能的测量误差；标定辅件的两个面作为被夹具固定的夹持面；标定辅件上的另外两个面为校核面，作为校核视觉测量系统的测面功能的测量误差。

一种基于位姿估计的测棒快速标定方法，实施步骤为：

第一步：将测棒及标定辅件放置在已经标定好的相机视场之内，并利用标定辅件上的螺纹孔将标定辅件固定在相对于相机的静态基面上；

第二步：将测棒测头前端放置在标定辅件上的某一直径小于测棒测头直径的标定定孔上；

第三步：摆动测棒，使得测棒处于i个不同位姿，其中i≥3的自然数，同时，测棒上的目标靶点需要朝向相机，相机同步拍摄；

第四步：将拍摄到的不同位姿图像在计算机上利用图像处理的方法得到各个位姿下的位姿参数；

第五步：通过计算，求出测棒测头中心坐标，再将目标靶点坐标统一在以测棒测头中心为原点建立的右手直角坐标系上。

所述第三步中相机同步拍摄不同位姿下的测棒上的目标靶点，该目标靶点在图像中呈现的轮廓为椭圆光斑；通过对图像进行预处理及轮廓检测，并进行椭圆拟合，从而得到椭圆光斑中心在图像中的精确位置信息，为后续计算测棒所处位姿的位姿信息做好准备。

所述第五步中计算测棒测头中心坐标的方法为：通过第四步得到的位姿参数，能够得到测棒上目标靶点中心点在相机坐标系下的三维坐标信息；首先，求出相邻不同位姿之间的变换，包括旋转矩阵R和平移矩阵T；其次，假设相机坐标系下测棒测头中心的坐标为                                                ，由于测棒在各个位姿下测棒测头中心坐标不变，得到以下方程组：

        

其中、表示标定过程中，摆动测棒，第i个位姿下的旋转矩阵和平移矩阵；相机坐标系表示一种右手直角坐标系，其中，原点为相机光心，Z轴与相机的光轴重合，取摄影方向为正方向，X和Y轴所在平面与图像成像平面平行；

由于测棒测头标定时，测棒测头放置在标定定孔上进行任意的位姿变换，测棒测头中心的位置是不变的，简化并联立不同位姿下的方程得：

        

其中表示单位矩阵；通过解线性方程组就可以得到，即测棒测头中心的坐标信息。

所述第五步中将目标靶点坐标统一在以测棒测头中心为原点建立的右手直角坐标系上的方法为：根据目标靶点中心位置信息拟合直线得到Y轴方向向量和Z轴方向向量，在Z轴不变情况下对Y轴进行正交化，保证Y轴垂直Z轴，然后叉乘两轴可得到X轴，这样便得到测棒坐标系，即以测棒测头为原点，以 X、Y、Z 轴方向为坐标轴方向的右手直角坐标系；再以 X、Y、Z 轴方向的三个单位向量作为坐标系转换矩阵中旋转矩阵的三个列向量，测棒测头中心坐标作为坐标系转换的平移向量，根据变换公式：

        

其中表示为目标靶点在相机坐标系下的坐标信息，为目标靶点在测棒坐标系下的坐标信息；最后，根据上述公式，将相机坐标系下的目标靶点坐标变换到测棒坐标系下。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明可在复杂的工业现场使用，操作简单，能够迅速精确地标定出测棒上特征点相对于测棒测头中心点的准确位置信息。本发明携带方便，可以随时更换工作场地。操作简单，只需要针对测棒上的目标靶点拍摄不同位姿下的图像即可完成标定。

适用范围广，第一、该标定装置和方法既可以用于单相机测量系统的测棒标定，也可以用于多相机测量系统的测棒标定；第二、由于被测工件可能造型复杂，这个时候就需要不同类型的测头以适应不同条件下的测量工作。而标定辅件上布置了不同孔径的盲孔，所以本发明提出的装置和方法能够标定安装不同直径测头的测棒；第三，标定辅件上布置了固定螺纹孔和夹持面，因而能够在不同的工业现场进行标定工作。

装置加工成本低，功能丰富。标定辅件上，采用盲孔的形式作为用以固定测头中心的定孔，而不是一个圆锥槽，大大地降低了加工成本。此外，标定辅件上还布置了高加工精度的通孔与面，可用来进行测量系统上测孔功能和测面功能的误差校核。

附图说明

图1为基于位姿估计的测棒快速标定装置结构示意图。

图2测棒结构示意图。

图3标定辅件结构示意图。

图4基于位姿估计的测棒快速标定方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明：

参见图1和图2，一种基于位姿估计的测棒快速标定装置，包括一个具有既定分布目标靶点1的测棒2、一个相机3、一个标定辅件4、一台计算机5；所述标定辅件4放置在相机3视场范围之内，将测棒2的测棒测头6前端置于标定辅件4上的一个定孔，围绕该定孔摆动测棒2，分别置于i个不同位姿，其中i≥3的自然数，同时相机3拍摄当前位姿下的测棒2，所述相机3与计算机5连接，将采集的图像在计算机5上利用图像处理的方法得到各个位姿下的位姿参数，通过相关算法计算得到各个目标靶点1的中心点在以测棒测头6中心为原点的右手坐标系下的精确三维坐标。

如图3所示，所述标定辅件4上等距分布了若干孔径小于测棒测头6直径的标定定孔14，用以作为标定过程中与测棒测头6充分接触形成球运动副，若干标定定孔14的孔径不同，配合不同直径的测棒测头6使用；标定辅件4四个边角位置分别布置了四个固定螺纹孔15，保证在标定过程中标定辅件4位置信息是唯一不变的；标定辅件4上布置了两个高加工精度的校核孔16，用来校核视觉测量系统中测孔功能的测量误差；标定辅件4的两个面作为被夹具固定的夹持面18；标定辅件4上的另外两个面为校核面17，作为校核视觉测量系统的测面功能的测量误差。

如图4所示，一种基于位姿估计的测棒快速标定方法，实施步骤为：

第一步：将测棒2及标定辅件4放置在已经标定好的相机3视场之内，并利用标定辅件4上的螺纹孔15将标定辅件4固定在相对于相机的静态基面上；

第二步：将测棒测头6前端放置在标定辅件4上的某一直径小于测棒测头6直径的标定定孔14上；

第三步：摆动测棒2，使得测棒2处于i个不同位姿，其中i≥3的自然数，同时，测棒2上的目标靶点1需要朝向相机3，相机3同步拍摄；

第四步：将拍摄到的不同位姿图像在计算机5上利用图像处理的方法得到各个位姿下的位姿参数；

第五步：通过计算，求出测棒测头6中心坐标，再将目标靶点1坐标统一在以测棒测头6中心为原点建立的右手直角坐标系上。

所述第三步中相机3同步拍摄不同位姿下的测棒2上的目标靶点1，该目标靶点1在图像中呈现的轮廓为椭圆光斑；通过对图像进行预处理及轮廓检测，并进行椭圆拟合，从而得到椭圆光斑中心在图像中的精确位置信息，为后续计算测棒2所处位姿的位姿信息做好准备。

所述第五步中计算测棒测头6中心坐标的方法为：通过第四步得到的位姿参数，能够得到测棒2上目标靶点1中心点在相机3坐标系下的三维坐标信息；首先，求出相邻不同位姿之间的变换，包括旋转矩阵R和平移矩阵T；其次，假设相机3坐标系下测棒测头6中心的坐标为，由于测棒2在各个位姿下测棒测头6中心坐标不变，得到以下方程组：

        

其中、表示标定过程中，摆动测棒2，第i个位姿下的旋转矩阵和平移矩阵；相机3坐标系表示一种右手直角坐标系，其中，原点为相机3光心，Z轴与相机3的光轴重合，取摄影方向为正方向，X和Y轴所在平面与图像成像平面平行；

由于测棒测头6标定时，测棒测头6放置在标定定孔14上进行任意的位姿变换，测棒测头6中心的位置是不变的，简化并联立不同位姿下的方程得：

        

其中表示单位矩阵；通过解线性方程组就可以得到，即测棒测头6中心的坐标信息。

所述第五步中将目标靶点1坐标统一在以测棒测头6中心为原点建立的右手直角坐标系上的方法为：根据目标靶点1中心位置信息拟合直线得到Y轴方向向量和Z轴方向向量，在Z轴不变情况下对Y轴进行正交化，保证Y轴垂直Z轴，然后叉乘两轴可得到X轴，这样便得到测棒坐标系，即以测棒测头6为原点，以 X、Y、Z 轴方向为坐标轴方向的右手直角坐标系；再以 X、Y、Z 轴方向的三个单位向量作为坐标系转换矩阵中旋转矩阵的三个列向量，测棒测头6中心坐标作为坐标系转换的平移向量，根据变换公式：

        

其中表示为目标靶点1在相机3坐标系下的坐标信息，为目标靶点1在测棒坐标系下的坐标信息；最后，根据上述公式，将相机3坐标系下的目标靶点1坐标变换到测棒坐标系下。

Claims (6)

1.一种基于位姿估计的测棒快速标定装置，其特征在于，包括一个具有既定分布目标靶点（1）的测棒（2）、一个相机（3）、一个标定辅件（4）、一台计算机（5）；所述标定辅件（4）放置在相机（3）视场范围之内，将测棒（2）的测棒测头（6）前端置于标定辅件（4）上的一个定孔，围绕该定孔摆动测棒（2），分别置于i个不同位姿，其中i≥3的自然数，同时相机（3）拍摄当前位姿下的测棒（2），所述相机（3）与计算机（5）连接，将采集的图像在计算机（5）上利用图像处理的方法得到各个位姿下的位姿参数，通过相关算法计算得到各个目标靶点（1）的中心点在以测棒测头（6）中心为原点的右手坐标系下的精确三维坐标。

2.根据权利要求1所述的基于位姿估计的测棒快速标定装置，其特征在于，所述标定辅件（4）上等距分布了若干孔径小于测棒测头（6）直径的标定定孔（14），用以作为标定过程中与测棒测头（6）充分接触形成球运动副，若干标定定孔（14）的孔径不同，配合不同直径的测棒测头（6）使用；标定辅件（4）四个边角位置分别布置了四个固定螺纹孔（15），保证在标定过程中标定辅件（4）位置信息是唯一不变的；标定辅件（4）上布置了两个高加工精度的校核孔（16），用来校核视觉测量系统中测孔功能的测量误差；标定辅件（4）的两个面作为被夹具固定的夹持面（18）；标定辅件（4）上的另外两个面为校核面（17），作为校核视觉测量系统的测面功能的测量误差。

3.一种基于位姿估计的测棒快速标定方法，其特征在于，实施步骤为：

第一步：将测棒（2）及标定辅件（4）放置在已经标定好的相机（3）视场之内，并利用标定辅件（4）上的螺纹孔（15）将标定辅件（4）固定在相对于相机的静态基面上；

第二步：将测棒测头（6）前端放置在标定辅件（4）上的某一直径小于测棒测头（6）直径的标定定孔（14）上；

第三步：摆动测棒（2），使得测棒（2）处于i个不同位姿，其中i≥3的自然数，同时，测棒（2）上的目标靶点（1）需要朝向相机（3），相机（3）同步拍摄；

第四步：将拍摄到的不同位姿图像在计算机（5）上利用图像处理的方法得到各个位姿下的位姿参数；

第五步：通过计算，求出测棒测头（6）中心坐标，再将目标靶点（1）坐标统一在以测棒测头（6）中心为原点建立的右手直角坐标系上。

4.根据权利要求3所述的基于位姿估计的测棒快速标定方法，其特征在于，所述第三步中相机（3）同步拍摄不同位姿下的测棒（2）上的目标靶点（1），该目标靶点（1）在图像中呈现的轮廓为椭圆光斑；通过对图像进行预处理及轮廓检测，并进行椭圆拟合，从而得到椭圆光斑中心在图像中的精确位置信息，为后续计算测棒（2）所处位姿的位姿信息做好准备。

5.根据权利要求3所述的基于位姿估计的测棒快速标定方法，其特征在于，所述第五步中计算测棒测头（6）中心坐标的方法为：通过第四步得到的位姿参数，能够得到测棒（2）上目标靶点（1）中心点在相机（3）坐标系下的三维坐标信息；首先，求出相邻不同位姿之间的变换，包括旋转矩阵R和平移矩阵T；其次，假设相机（3）坐标系下测棒测头（6）中心的坐标为                                                ，由于测棒（2）在各个位姿下测棒测头（6）中心坐标不变，得到以下方程组：

其中、表示标定过程中，摆动测棒（2），第i个位姿下的旋转矩阵和平移矩阵；相机（3）坐标系表示一种右手直角坐标系，其中，原点为相机（3）光心，Z轴与相机（3）的光轴重合，取摄影方向为正方向，X和Y轴所在平面与图像成像平面平行；

由于测棒测头（6）标定时，测棒测头（6）放置在标定定孔（14）上进行任意的位姿变换，测棒测头（6）中心的位置是不变的，简化并联立不同位姿下的方程得：

其中表示单位矩阵；通过解线性方程组就可以得到，即测棒测头（6）中心的坐标信息。

6.根据权利要求3所述的基于位姿估计的测棒快速标定方法，其特征在于，所述第五步中将目标靶点（1）坐标统一在以测棒测头（6）中心为原点建立的右手直角坐标系上的方法为：根据目标靶点（1）中心位置信息拟合直线得到Y轴方向向量和Z轴方向向量，在Z轴不变情况下对Y轴进行正交化，保证Y轴垂直Z轴，然后叉乘两轴可得到X轴，这样便得到测棒坐标系，即以测棒测头（6）为原点，以 X、Y、Z 轴方向为坐标轴方向的右手直角坐标系；再以 X、Y、Z 轴方向的三个单位向量作为坐标系转换矩阵中旋转矩阵的三个列向量，测棒测头（6）中心坐标作为坐标系转换的平移向量 ，根据变换公式：

其中表示为目标靶点（1）在相机（3）坐标系下的坐标信息，为目标靶点（1）在测棒坐标系下的坐标信息；最后，根据上述公式，将相机（3）坐标系下的目标靶点（1）坐标变换到测棒坐标系下。