CN108036791A - 一种部件间高精度自动对接的位姿检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种部件间高精度自动对接的位姿检测方法。该部件间高精度自动对接的位姿检测方法包括：获取第一对接部件表面上的第一待测标志物的坐标；获取第二对接部件表面上的第二待测标志物的坐标；获取第一对接部件的螺栓与螺孔的位姿对应的第一位姿引出部件的第一参考标志物的坐标；获取第二对接部件的螺栓与螺孔的位姿对应的第二位姿引出部件的第二参考标志物的坐标；确定第一参考标志物相对于第一待测标志物的位姿；确定第二参考标志物相对于第二待测标志物的位姿；确定第一对接部件和第二对接部件的位姿差。根据本发明的部件间高精度自动对接的位姿检测方法，可以解决现有技术中部件间对接速度慢，操作复杂的问题。

Description

一种部件间高精度自动对接的位姿检测方法

技术领域

本发明涉及舱段大部段位姿高精度检测技术领域，具体而言，涉及一种部件间高精度自动对接的位姿检测方法。

背景技术

在航空航天和船舶制造等领域，飞机、火箭和潜艇等装备的外形尺寸大、涉及部件和舱段多、结构轻薄易变形，并且各舱段往往由多家单位分段建造，再在总装厂进行整体协同对接。将分离的舱段对接成一个整体，这些大部件和舱段的对接是其中的重要环节，是技术难度大、涉及领域多的复杂工程。

以往大多依靠人工手动操作完成，即先将各部件分别置于托架或者拖车平台上，然后根据各部件的结合面上不同位置处的螺栓和螺孔，依靠若干工人推动其中一个部件缓慢接近另一个部件，并通过不断观测和反复调整螺栓、螺孔的相对位置，完成部件的对准插入操作。显然，上述人工手动对接方式存在很多难以克服的问题，例如：1)人眼从侧面观测螺栓和螺孔的位置，得到的位置偏差不够准确；2)观测人员只能给出一个调整方向和大致的调整值，需要反复调整才能达到对准，效率低；3)对操作人员的技术要求较高，操作人员的错误调整指令可能会对部件造成损坏。由此可以看出，人工方式无法满足大型机械部件对接的高速、高精度、高可靠性需求。

近年来，已有一些研究人员开始研究大型机械部件的对接。如易旺民等采用激光跟踪仪实现大型舱段对接中的水平对接(期刊：计算机集成制造系统；出版年月：2015年9月；题目：大型舱段对接中的水平对接技术；页码：2354-2360)，该方法较为成熟，可以实现舱段位姿的高精度测量，但此方法有如下两个缺点：1)激光跟踪仪价格十分昂贵，使得该方案成本较高，无法进行大范围推广；2)该方法需要在部件上设置球形的靶标，使用起来不方便。专利号CN105015800A设计的舱段对接系统采用激光跟踪仪测量舱段位姿，同样存在上述激光跟踪仪的缺点。邹伟金应用双目视觉实现刚体自动对接(学位论文题目：基于双目视觉的刚体自动对接系统的研究；保存地点：江西省南昌市；保存单位：南昌大学物理系；答辩年份：2011年)，即采用双目检测调整刚体对接面圆心的三维坐标，通过与已知的基准刚体对接面圆心坐标比较，得到三个轴方向的调整量。上述双目测量方法实现对接的方案存在如下几个问题：1)由于仅测出刚体部件对接面中心点的三维位置坐标只能保证两部件位置对齐，在部件横滚、俯仰和偏航三个姿态无法精确对齐的前提下，对接难以实现；2)由于双目视场区域较小的限制，该方法难以对体量较大的部件实施高精度的测量。

以上分析表明，现有的方法无法满足价格适中、高精度、操作简便的舱段大部段位姿测量需求。

发明内容

本发明的目的是提出一种部件间高精度自动对接的位姿检测方法，以解决现有技术中部件间对接速度慢，操作复杂的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种部件间高精度自动对接的位姿检测方法，包括：

获取第一对接部件表面上的第一待测标志物的坐标；

获取第二对接部件表面上的第二待测标志物的坐标；

获取第一对接部件的螺栓与螺孔的位姿对应的第一位姿引出部件的第一参考标志物的坐标；

获取第二对接部件的螺栓与螺孔的位姿对应的第二位姿引出部件的第二参考标志物的坐标；

确定第一参考标志物相对于第一待测标志物的位姿；

确定第二参考标志物相对于第二待测标志物的位姿；

确定第一对接部件和第二对接部件的位姿差。

优选地，获取第一对接部件表面上的第一待测标志物的坐标的步骤之前还包括：

在第一对接部件表面上设置第一待测标志物；

在第一位姿引出部件的正对相机的一侧设置第一参考标志物，第一参考标志物用于引出第一对接部件上的螺栓与螺孔的位姿；

在第二对接部件表面上设置第二待测标志物，其中第二待测标志物与第一待测标志物的ID不同；

在第二位姿引出部件的正对相机的一侧设置第二参考标志物，第二参考标志物用于引出第二对接部件上的螺栓与螺孔的位姿；

将第一位姿引出部件对准第一对接部件插入；

将第二位姿引出部件对准第二对接部件插入；

将第一对接部件和第二对接部件进行对接。

优选地，位姿检测方法还包括：

通过两个CCD相机建立双目视觉测量系统；

根据所建立的双目视觉测量系统确定第一待测标志物和第二待测标志物的坐标系；

根据所确定的第一待测标志物和第二待测标志物的坐标系确定第一对接部件和第二对接部件的位姿偏差。

优选地，根据所确定的第一待测标志物和第二待测标志物的坐标系确定第一对接部件和第二对接部件的位姿偏差的步骤包括：

建立第一待测标志物的坐标系；

确定第一待测标志物的坐标系在相机坐标系下的第一待测位姿；

确定第一参考标志物的坐标系在相机坐标系下的第一参考位姿；

确定第一参考标志物的坐标系在第一待测标志物的坐标系下的位姿；

建立第二待测标志物的坐标系；

确定第二待测标志物的坐标系在相机坐标系下的第二待测位姿；

确定第二参考标志物的坐标系在相机坐标系下的第二参考位姿；

确定第二参考标志物的坐标系在第二待测标志物的坐标系下的位姿；

确定第一对接部件和第二对接部件之间的位姿差。

优选地，建立第一待测标志物的坐标系的步骤包括：

通过双目视觉测量系统确定第一待测标志物的三个角点a、b、c在相机坐标系下的三维空间坐标；

以第一待测标志物的角点连线作ab为X轴方向，以第一待测标志物的角点连线ac作为Y轴方向，由右手定则确定坐标系Z轴方向；

根据确定的X轴方向和Z轴方向反推Y轴方向，建立坐标系。

优选地，第一待测标志物为aruco标志码。

优选地，获取第一对接部件的螺栓与螺孔的位姿对应的第一位姿引出部件的第一参考标志物的坐标的步骤包括：

在第一对接部件的螺栓与螺孔位置设置与第一位姿引出部件的坐标相对应的参照物；

确定第一参考标志物相对于参照物的坐标；

确定螺栓与螺孔相对于参照物的坐标；

确定第一参考标志物相对于螺栓与螺孔的相对位姿。

建立第一待测标志物的坐标系的步骤包括：

对第一对接部件上的不同标记点进行标号；

对该第一对接部件的位姿进行实时测量；

获取不同时刻的各个标记点的状态变化；

对各个标记点进行匹配，确定各个标记点在不同时刻所处位置。

优选地，第一对接部件上的不同标记点是指设置在同一标记点位置的第一椭圆和第二椭圆。

优选地，获取不同时刻的各个标记点的状态变化是指获取标记点椭圆大小变化。

优选地，标记点椭圆大小变化是采用立体视觉的方法检测获取。

优选地，对第一对接部件和第二对接部件进行编码，编码方法包括：

在第一对接部件和第二对接部件上随机设置三组标记点，三组标记点形成三角形；

通过立体视觉检测第一对接部件和第二对接部件上的各组标记点，根据检测结果对第一对接部件和第二对接部件进行编码。

优选地，在通过立体视觉检测各个曲面刚体上的各组标记点时，根据检测到的标记点数据建立数据库。

优选地，三组标记点的椭圆长轴各不相同。

本发明的部件间高精度自动对接的位姿检测方法，包括：获取第一对接部件表面上的第一待测标志物的坐标；获取第二对接部件表面上的第二待测标志物的坐标；获取第一对接部件的螺栓与螺孔的位姿对应的第一位姿引出部件的第一参考标志物的坐标；获取第二对接部件的螺栓与螺孔的位姿对应的第二位姿引出部件的第二参考标志物的坐标；确定第一参考标志物相对于第一待测标志物的位姿；确定第二参考标志物相对于第二待测标志物的位姿；确定第一对接部件和第二对接部件的位姿差。本发明采用高精度的位姿引出部件引出螺栓、螺孔的位姿，提高了测量精度。由于采用了高精度位姿引出部件将螺栓、螺孔的位姿引出到对接部件表面，不但可以将标志物的成像区域置于成像平面中间位置，防止图像边缘畸变的影响，还可以使标志物成像尽可能覆盖成像面，提高图像识别的精度，可以提高部件间对接速度，降低操作难度，降低检测成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是双目视觉系统的结构示意图；

图2是标志物的示意图；

图3是第一对接部件一侧的结构模型；

图4是第二对接部件一侧的结构模型；

图5是对应图3的第一位姿引出部件的结构示意图；

图6是对应图4的第二位姿引出部件的结构示意图；

图7是第一参考标志物建立坐标系的示意图；

图8是位姿转换关系示意图；

图9是本发明实施例的部件间高精度自动对接的位姿检测方法流程图。

附图标记说明：1、第一对接部件；2、第二对接部件；3、第一待测标志物；4、第二待测标志物；5、第一位姿引出部件；6、第二位姿引出部件。

具体实施方式

在以下详细描述中，提出大量特定细节，以便于提供对本发明的透彻理解。但是，本领域的技术人员会理解，即使没有这些特定细节也可实施本发明。在其它情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路，以免影响对本发明的理解。

结合参见图1至图9所示，根据本发明的实施例，部件间高精度自动对接的位姿检测方法包括：获取第一对接部件1表面上的第一待测标志物3的坐标；获取第二对接部件2表面上的第二待测标志物4的坐标；获取第一对接部件1的螺栓与螺孔的位姿对应的第一位姿引出部件5的第一参考标志物的坐标；获取第二对接部件2的螺栓与螺孔的位姿对应的第二位姿引出部件6的第二参考标志物的坐标；确定第一参考标志物相对于第一待测标志物3的位姿；确定第二参考标志物相对于第二待测标志物4的位姿；确定第一对接部件1和第二对接部件2的位姿差。

由于采用了高精度位姿引出部件将螺栓、螺孔的位姿引出到对接部件表面，不但可以将标志物的成像区域置于成像平面中间位置，防止图像边缘畸变的影响，还可以使标志物成像尽可能覆盖成像面，提高图像识别的精度，可以提高部件间对接速度，降低操作难度，降低检测成本。

获取第一对接部件1表面上的第一待测标志物3的坐标的步骤之前还包括：在第一对接部件1表面上设置的第一待测标志物3；在第一位姿引出部件5的正对相机的一侧设置第一参考标志物，第一参考标志物用于引出第一对接部件1上的螺栓与螺孔的位姿；在第二对接部件2表面上设置的第二待测标志物4；在第二位姿引出部件6的正对相机的一侧设置第二参考标志物，第二参考标志物用于引出第二对接部件2上的螺栓与螺孔的位姿；将第一位姿引出部件5对准第一对接部件1插入；将第二位姿引出部件6对准第二对接部件2插入；将第一对接部件1和第二对接部件2进行对接。其中第一待测标志物3与第二待测标志物4的ID不同。

采用高精度的位姿引出部件将待对接的部件的螺栓和螺孔的位姿引出，在位姿引出部件的正对相机的那一侧表面上设置好标志物，同时需要在待对接的部件表面上也粘贴不同ID的标志物。在引出位姿时，将位姿引出部件与相应的对接部件先对准插入，利用位姿引出部件上的参考标志物的参考在对接部件的表面设置待测标志物。待测标志物采用aruco标志码，通过图像识别可以得到它的编号以及在相机下四个角点的坐标。

位姿引出的过程也就是线下标定的过程，此过程标定的是待对接的部件表面的待测标志物的位姿与位姿引出部件上的参考标志物之间的相对位姿。由于位姿引出部件的精度足够高，因此可以认为位姿引出部件上的参考标志物的位姿与待对接的部件螺栓与螺孔之间的位姿关系是固定的，可以用标志物位姿代替螺栓与螺孔的位姿。因此，标定过程即是采集部件表面待测标志物位姿与最终对接基准的螺栓与螺孔的位姿关系，并存入数据库，在正式对接时调用。

优选地，位姿检测方法还包括：通过两个CCD相机建立双目视觉测量系统；根据所建立的双目视觉测量系统确定第一待测标志物3和第二待测标志物4的坐标系；根据所确定的第一待测标志物3和第二待测标志物4的坐标系确定第一对接部件1和第二对接部件2的位姿偏差。

优选地，根据所确定的第一待测标志物3和第二待测标志物4的坐标系确定第一对接部件1和第二对接部件2的位姿偏差的步骤包括：建立第一待测标志物3的坐标系；确定第一待测标志物3的坐标系在相机坐标系下的第一待测位姿；确定第一参考标志物的坐标系在相机坐标系下的第一参考位姿；确定第一参考标志物的坐标系在第一待测标志物3的坐标系下的位姿；建立第二待测标志物4的坐标系；确定第二待测标志物4的坐标系在相机坐标系下的第二待测位姿；确定第二参考标志物的坐标系在相机坐标系下的第二参考位姿；确定第二参考标志物的坐标系在第二待测标志物4的坐标系下的位姿；确定第一对接部件1和第二对接部件2之间的位姿差。

对接过程所需要的位姿转换关系如图8所示：

图8中，坐标系{L}代表第一对接部件1表面粘贴的第一待测标志物坐标系，{Q}代表第一位姿引出部件5上的第一参考标志物坐标系，{R}代表第二对接部件2表面粘贴的第二待测标志物坐标系，{P}代表第二位姿引出部件6上第二参考标志物坐标系，{C}代表相机坐标系。

首先计算位姿引出部件与对接部件表面标志物间的位姿转换关系，以第一对接部件1为例，即求也就是部件标定步骤。通过建立标志物坐标系，可以得到第一对接部件1表面粘贴的标志物坐标系{L}在相机坐标{C}下的位姿第一位姿引出部件5上参考标志物坐标系{Q}在相机坐标系{C}下的位姿这样，就可以得到坐标系{Q}在坐标系{L}下的位姿：

同理可得到第二位姿引出部件6与第二对接部件2表面标志物间的位姿转换关系。

在对接过程中，将待对接的两个部件上粘贴的视觉标签区域放置在双目立体视觉测量系统视场范围内，通过双目系统拍摄两个待对接部件上的待测标志物，便可以建立起两侧部件表面的待测标志物坐标系{L1}和{L2}。

在线下标定过程中，已经获得了粘贴标志物即参考标志物坐标系与工件标志物即待测标志物坐标系的变换和因此，我们便可以得出两位姿引出部件在相机坐标系下的位姿，表示为

在两个部件对准后，这时候通过部件上粘贴的标志物坐标系转换到的位姿引出部件坐标系只有X方向即进给方向偏差，这时可认为一侧为参考侧，这时对准问题可转换为假想的两个工件标志物坐标系的对准问题。

则以第一对接部件1为参考为例，此时第二对接部件2与第一对接部件1之间的位姿差可以表示为

通过使用六自由度机械臂进行实验，最终在X方向的测量误差小于0.1mm，Y方向的测量误差小于0.15mm，Z方向的误差小于0.2mm，俯仰角的误差小于0.2°，偏航角的误差小于0.25°，滚转角的误差小于0.18°。

优选地，建立第一待测标志物3的坐标系的步骤包括：通过双目视觉测量系统确定第一待测标志物3的三个角点a、b、c在相机坐标系下的三维空间坐标；以第一待测标志物3的角点连线作ab为X轴方向，以第一待测标志物3的角点连线ac作为Y轴方向，由右手定则确定坐标系Z轴方向；根据确定的X轴方向和Z轴方向反推Y轴方向，建立坐标系。

在双目视觉系统的构建过程中，采用高精度双目相机测量部件的待测标志物的三维世界坐标。双目系统主要由两个200万像素的工业黑白相机组成，分辨率为1600*1200，最高频率为24帧每秒，采用工业以太网与上位机进行通信，采用定焦工业镜头，采用对射式而非平行式双目系统结构，如图1所示，两相机之间的距离为416mm，并且两相机的光轴与相机连线之间的夹角为60゜。

则对于双目视场内的一点P，可以由以下公式得出该点在相机坐标系下的三维坐标。在图1中，o₁、o₂分别是镜头1、2的光心，o₁、o₂之间的距离称为基线，用B表示。O₁、O₂分别是左右图像平面的中心。设两CCD相机水平放置，用CCD1、CCD2分别表示左右相机的图像平面，左右图像坐标系分别为O₁-X₁Y₁和O₂-X₂Y₂。O₁o₁是左摄像机光轴，O₂o₂是右摄像机光轴。空间点P分别成像在左右图像平面上，对应像点的坐标分别为P₁(X₁,Y₁)和P₂(X₂,Y₂)。现以o₁-xyz作为双目系统的坐标系。相机有效焦距分别为f₁和f₂，光轴与基线的夹角分别为α₁和α₂；空间点P的水平投影角分别为ω₁和ω₂，垂直投影角分别为φ₁和φ₂。根据几何结构关系，可以求出P点的坐标如下：

其中θ₁＝α₁+ω₁，θ₂＝α₂+ω₂

tanφ₁＝Y₁/cosω₁，tanφ₂＝Y₂/cosω₂

ω₁＝arctan(X₁/f₁)，ω₂＝arctan(X₂/f₂)

为验证双目系统的坐标测量精度，采用高精度0.02mm的直线滑台进行了实验。实验过程及结果如下：使用双目系统跟踪固定在滑台上的标志物的一点，控制滑台做单次直线运动，同时计算每次运动前后双目系统测量到的该点的移动距离，并与实际控制滑台移动的距离进行比较，得到测量误差。经过多次重复试验，验证双目系统检测空间点坐标的精度可以达到0.06mm。

优选地，第一待测标志物3为aruco标志码。实际测量时，双目系统获取的是部件表面的标志物图像信息。因此，标志物的选择对图像识别以及位姿测量都有着重要的影响。本发明选择了一种矩形二维码形式的标志物，如图2所示。该标志物叫做aruco，通过图像识别可以得到它的编号以及四个角点坐标。标志物的编号一共有1024个，可以利用不同编号的标志物来表征不同的对接部件，使得部件的表示具有唯一性。

优选地，获取第一对接部件1的螺栓与螺孔的位姿对应的第一位姿引出部件5的第一参考标志物的坐标的步骤包括：在第一对接部件1的螺栓与螺孔位置设置与第一位姿引出部件5的坐标相对应的参照物；确定第一参考标志物相对于参照物的坐标；确定螺栓与螺孔相对于参照物的坐标；确定第一参考标志物相对于螺栓与螺孔的相对位姿。

由于螺栓、螺孔位于对接对准面上，无法采用双目视觉技术直接测量其位姿，因此需要通过定制的高精度位姿引出部件将其位姿信息引出到部件表面。高精度位姿引出部件成对设置，分别对应于要对接的两部件。位姿引出部件上设有参考标志物，参考标志物与螺栓或螺孔有已知的位置关系。将位姿引出部件与相应的对接部件先对准插入，利用位姿引出部件在对接部件的表面设置待测标志物。然后通过双目视觉测量技术得到两个标志物的位姿关系。通过这种方式就可以得到的标志物与对接部件的螺栓或螺孔的位姿转换关系，通过标志物就可以表征对接部件的位姿。

在通过双目视觉系统同时获取两对接部件表面的标志物图像后，经过图像识别得到标志物角点的图像坐标，然后可以利用相机投影模型解算出标志物角点在双目视觉系统坐标系下的三维坐标，之后通过位姿转换算法解算得到对接两部件的位姿偏差。

在另一个实施例当中，建立第一待测标志物3的坐标系的步骤包括：对第一对接部件1上的不同标记点进行标号；对该第一对接部件1的位姿进行实时测量；获取不同时刻的各个标记点的状态变化；对各个标记点进行匹配，确定各个标记点在不同时刻所处位置。

优选地，第一对接部件1上的不同标记点是指设置在同一标记点位置的第一椭圆和第二椭圆。

优选地，获取不同时刻的各个标记点的状态变化是指获取标记点椭圆大小变化。

优选地，标记点椭圆大小变化是采用立体视觉的方法检测获取。

优选地，对第一对接部件1和第二对接部件2进行编码，编码方法包括：在第一对接部件1和第二对接部件2上随机设置三组标记点，三组标记点形成三角形；通过立体视觉检测第一对接部件1和第二对接部件2上的各组标记点，根据检测结果对第一对接部件1和第二对接部件2进行编码。

优选地，在通过立体视觉检测各个曲面刚体上的各组标记点时，根据检测到的标记点数据建立数据库。

优选地，三组标记点的椭圆长轴各不相同。

优选地，第一椭圆与第二椭圆相同。

上述的标记点设计方法所形成的标记点，由两个完全相同的椭圆形垂直交叉叠加而成，该椭圆的长轴为a，短轴为b，两个椭圆的中心重合，且两者的长轴垂直，椭圆为空心而非实心。在对标记点进行识别的过程中，标记点附着在如第一对接部件1和第二对接部件2等类似的曲面刚体上。当摄像机等视觉传感器处于中间正对着视觉标记点的位置时，摄像机感光元件上呈现两个近乎标准的椭圆，当摄像机位于两侧的偏离不同角度的位置时，在摄像机的成像面上，两个椭圆中长轴和摄像机移动方向平行的那个椭圆会更接近于圆形，即a和b的差距变小，而另一个垂直的椭圆会变得更扁平。

中间的摄相机检测到的标记点应该为不会有形变的两个椭圆十字交叉，而左右两个摄相机检测标记点时由于是侧视，会导致一个方向上的椭圆产生趋近于圆的形变，另一个方向上的椭圆则会产生趋近于更加扁的椭圆的形变，显然趋近于圆的椭圆中心的提取精度会高于趋近于更加扁的椭圆中心的提取精度，因此在曲面上标记点产生如此巨大形变的情况下，提取此标记点中第二椭圆的中心能较精确的代表标记点的中心位置；如果是相机前视于圆筒曲面上的标记点，则第一椭圆会产生趋近于圆的形变，第二椭圆则会有变为更加扁平的椭圆的趋势，显然此时第一椭圆的中心更能代表标记点的提取中心。

因此在摄像机处于不同角度时，就可以选取视觉标记点在成像面上对应的更接近于圆形的那个椭圆作为拟合视觉标记点中心坐标的依据，从而有效克服大曲面上标记点从不同角度采集会有形变进而影响标记点提取精度的问题。

在立体视觉对舱段位姿的测量过程中，舱段位姿是在不断变化的，是一个动态的实时测量的过程。而测量算法需要对变化前后的标记点进行匹配，这样才能计算得出位姿的变化量，因此变化前后标记点的匹配问题就变得尤为重要。为此，本申请还提出了一种应用上述的曲面刚体的标记点设计方法所形成的标记点的匹配方法，包括：对同一曲面刚体上的不同标记点进行标号；对该曲面刚体的位姿进行实时测量；获取不同时刻的各个标记点的状态变化；对各个标记点进行匹配，确定各个标记点在不同时刻所处位置。

通过上述的匹配方法，可以根据标记点椭圆大小来对标记点进行标号，之后采用立体视觉的方法对标记点大小进行检测，这样就可以知道变化前后同一个标记点分别位于什么位置，完成了标记点的匹配，保证了位姿测量算法的有效执行。

在本实施例中，同一曲面刚体上的不同标记点是指设置在同一标记点位置的第一椭圆和第二椭圆，能够进一步保证匹配的准确性。

获取不同时刻的各个标记点的状态变化是指获取标记点椭圆大小变化。由于一组标记点包括两个椭圆，即第一椭圆和第二椭圆，在不同视角下，椭圆的大小会随之发生变化，因此根据椭圆大小变化来确定标记点所处位置会更加准确直观地获取标记点信息，提高位姿测量算法的准确度和有效性。

优选地，标记点椭圆大小变化是采用立体视觉的方法检测获取。当然，标记点椭圆大小变化也可以通过其他的方式来获取。

本申请还提出了一种曲面刚体的编码方法，用于对多个相似的曲面刚体进行编码，应用了上述的曲面刚体的标记点设计方法所形成的标记点，包括：在各个曲面刚体上随机设置三组标记点，三组标记点形成三角形；通过立体视觉检测各个曲面刚体上的各组标记点，根据检测结果对每个曲面刚体进行编码。

3个附着在同一曲面刚体表面的视觉标记点采用不同的大小，即3组不同标记点中，任意两组标记点的椭圆的长轴长度不相同，通过立体视觉系统测量得到的视觉标记点的大小，可以作为视觉标记点的唯一性标准。由于3个视觉标记点粘贴在刚体上位置的随机性，保证了每个被测刚体上3个视觉标记点中心组成的三角形的唯一性。如此，不管刚体如何运动，立体视觉系统总能按相同的规则识别视觉标记点并进行后续的位置、姿态测量工作，根据检测结果可以区分每个曲面刚体，实现编码，这对于需要对刚体进行编码建立数据库的情况非常有意义。

上述方法还包括，在通过立体视觉检测各个曲面刚体上的各组标记点时，根据检测到的标记点数据建立数据库。当将事先采集的标记点数据建立数据库之后，在应用过程中，检测到一组标记点时，就可以唯一确定一个曲面刚体，实现编码，提高了编码效率。

本发明具有如下优点：

1、采用双目视觉测量技术测量舱段大部段位姿，成本低。相较于传统的采用激光跟踪仪的测量方式，本发明仅通过两个CCD相机以及定制的高精度位姿引出部件就可以实现舱段大部段的位姿检测，造价低，性价比高，有利于进行大规模推广。

2、采用高精度的位姿引出部件引出螺栓、螺孔的位姿，提高了测量精度。本发明采用了定制的高精度位姿引出部件将螺栓、螺孔的位姿引出到对接部件表面，不但可以将标志物的成像区域置于成像平面中间位置，防止图像边缘畸变的影响，还可以使标志物成像尽可能覆盖成像面，提高图像识别的精度。

3、该测量方法适用范围广。本发明所采用的测量方法对于对接部件的对接具有通用性。对于机械部件，其机械设计图是已知的，因此可以根据其设计图纸定制高精度的位姿引出部件，从而利用本发明的测量方法进行位姿的测量。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (14)

1.一种部件间高精度自动对接的位姿检测方法，其特征在于，包括：

获取第一对接部件(1)表面上的第一待测标志物(3)的坐标；

获取第二对接部件(2)表面上的第二待测标志物(4)的坐标；

获取第一对接部件(1)的螺栓与螺孔的位姿对应的第一位姿引出部件(5)的第一参考标志物的坐标；

获取第二对接部件(2)的螺栓与螺孔的位姿对应的第二位姿引出部件(6)的第二参考标志物的坐标；

确定第一参考标志物相对于第一待测标志物(3)的位姿；

确定第二参考标志物相对于第二待测标志物(4)的位姿；

确定第一对接部件(1)和第二对接部件(2)的位姿差。

2.根据权利要求1所述的位姿检测方法，其特征在于，所述获取第一对接部件(1)表面上的第一待测标志物(3)的坐标的步骤之前还包括：

在第一对接部件(1)表面上设置第一待测标志物(3)；

在第一位姿引出部件(5)的正对相机的一侧设置第一参考标志物，所述第一参考标志物用于引出第一对接部件(1)上的螺栓与螺孔的位姿；

在第二对接部件(2)表面上设置第二待测标志物(4)，其中第二待测标志物(4)与第一待测标志物(3)的ID不同；

在第二位姿引出部件(6)的正对相机的一侧设置第二参考标志物，所述第二参考标志物用于引出第二对接部件(2)上的螺栓与螺孔的位姿；

将第一位姿引出部件(5)对准第一对接部件(1)插入；

将第二位姿引出部件(6)对准第二对接部件(2)插入；

将第一对接部件(1)和第二对接部件(2)进行对接。

3.根据权利要求1所述的位姿检测方法，其特征在于，所述位姿检测方法还包括：

通过两个CCD相机建立双目视觉测量系统；

根据所建立的双目视觉测量系统确定第一待测标志物(3)和第二待测标志物(4)的坐标系；

根据所确定的第一待测标志物(3)和第二待测标志物(4)的坐标系确定第一对接部件(1)和第二对接部件(2)的位姿偏差。

4.根据权利要求3所述的位姿检测方法，其特征在于，所述根据所确定的第一待测标志物(3)和第二待测标志物(4)的坐标系确定第一对接部件(1)和第二对接部件(2)的位姿偏差的步骤包括：

建立第一待测标志物(3)的坐标系；

确定第一待测标志物(3)的坐标系在相机坐标系下的第一待测位姿；

确定第一参考标志物的坐标系在相机坐标系下的第一参考位姿；

确定第一参考标志物的坐标系在第一待测标志物(3)的坐标系下的位姿；

建立第二待测标志物(4)的坐标系；

确定第二待测标志物(4)的坐标系在相机坐标系下的第二待测位姿；

确定第二参考标志物的坐标系在相机坐标系下的第二参考位姿；

确定第二参考标志物的坐标系在第二待测标志物(4)的坐标系下的位姿；

确定第一对接部件(1)和第二对接部件(2)之间的位姿差。

5.根据权利要求4所述的位姿检测方法，其特征在于，所述建立第一待测标志物(3)的坐标系的步骤包括：

通过双目视觉测量系统确定第一待测标志物(3)的三个角点a、b、c在相机坐标系下的三维空间坐标；

以第一待测标志物(3)的角点连线作ab为X轴方向，以第一待测标志物(3)的角点连线ac作为Y轴方向，由右手定则确定坐标系Z轴方向；

根据确定的X轴方向和Z轴方向反推Y轴方向，建立坐标系。

6.根据权利要求1所述的位姿检测方法，其特征在于，所述第一待测标志物(3)为aruco标志码。

7.根据权利要求1所述的位姿检测方法，其特征在于，所述获取第一对接部件(1)的螺栓与螺孔的位姿对应的第一位姿引出部件(5)的第一参考标志物的坐标的步骤包括：

在第一对接部件(1)的螺栓与螺孔位置设置与第一位姿引出部件(5)的坐标相对应的参照物；

确定第一参考标志物相对于参照物的坐标；

确定螺栓与螺孔相对于参照物的坐标；

确定第一参考标志物相对于螺栓与螺孔的相对位姿。

8.根据权利要求4所述的位姿检测方法，其特征在于，所述建立第一待测标志物(3)的坐标系的步骤包括：

对第一对接部件(1)上的不同标记点进行标号；

对该第一对接部件(1)的位姿进行实时测量；

获取不同时刻的各个标记点的状态变化；

对各个标记点进行匹配，确定各个标记点在不同时刻所处位置。

9.根据权利要求8所述的位姿检测方法，其特征在于，第一对接部件(1)上的不同标记点是指设置在同一标记点位置的第一椭圆和第二椭圆。

10.根据权利要求8所述的位姿检测方法，其特征在于，获取不同时刻的各个标记点的状态变化是指获取标记点椭圆大小变化。

11.根据权利要求10所述的位姿检测方法，其特征在于，标记点椭圆大小变化是采用立体视觉的方法检测获取。

12.根据权利要求9所述的位姿检测方法，其特征在于，对第一对接部件(1)和第二对接部件(2)进行编码，编码方法包括：

在第一对接部件(1)和第二对接部件(2)上随机设置三组标记点，三组标记点形成三角形；

通过立体视觉检测第一对接部件(1)和第二对接部件(2)上的各组标记点，根据检测结果对第一对接部件(1)和第二对接部件(2)进行编码。

13.根据权利要求12所述的位姿检测方法，其特征在于，在通过立体视觉检测各个曲面刚体上的各组标记点时，根据检测到的标记点数据建立数据库。

14.根据权利要求12所述的位姿检测方法，其特征在于，三组标记点的椭圆长轴各不相同。