CN108507462B - 一种全息干涉四轴测量设备旋转轴的标定方法 - Google Patents

Abstract

一种全息干涉四轴测量设备旋转轴的标定方法，解决利用标准球的圆心拟合误差大，转轴标定不准确问题，该方法借助于双目立体视觉图像传感器和带有标准点的平面靶标实现，方法是：1采集一组不同位置平面靶标图片，2全息干涉传感器获得一组不同位置平面靶标三维点云数据，3平面靶标的平面拟合，4得一组拟合平面的向量和该拟合平面的旋转圆心确定旋转轴线的标定值，5求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量T，6坐标统一完成旋转轴的标定。本发明标定方法精度和效率高。

Description

一种全息干涉四轴测量设备旋转轴的标定方法

技术领域

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种全息干涉四轴测量设备旋转轴标定方法。它可为全息干涉传感器和四轴测量设备构成的精密测量系统提供一种高效精密的转轴标定方法。

技术背景

非接触测量是对复杂零部件测量的最佳测量方法，如航空发动机的叶片是决定航空发动机能量转换效率、运行安全和使用寿命的核心零件，据统计，航空发动机约30%的工作量来自叶片的加工制造，因其具有型面复杂、薄而扭曲、前后缘半径尺寸微小（最小直径小于0.1mm）、制造检测精度要求高、特征尺寸多、数量庞大等技术特点。准确、可靠、高效地检叶片加工制造质量，一直是先进制造领域的前沿难点问题。叶片的测量主要采用样板测量法、三坐标测量法和光学测量法。样板制造成本高、难度大；三坐标测量法成本高、耗时。光学测量法是近年来发展起来的新方法，在叶片测量领域得到越来越广泛的应用。基于光点的三角法和全息干涉等点光源测量技术（光斑直径最小可达3.5μm），具有可以测量高反光表面的能力、不需要半径补偿，配合精密运动控制系统，在测量路径规划后可以实现高曲率、小半径特征精确测量，测量精度高。全息干涉测量是基于四轴测量设备实现，四轴测量设备具有三个直线轴和一个旋转轴，旋转台带到被测量物体绕旋转轴进行360^。旋转来完成物体的完整数据测量。为了实现高精度的测量（测量后的数据不分层，精度高），采用全息干涉等点光测距传感器进行测量前必须对测量设备的旋转轴进行标定。

现有技术中，进行旋转轴标定时通常采用在传感器前放置一个标准球，旋转台带动标准球进行旋转，通过传感器获得每一个旋转位置的球表面数据。应用每一个位置的球面数据进行球心拟合，再用所有的球心进行平面拟合和旋转中心拟合。我们所要标定的转轴就是计算出来的转动中心和垂直于拟合平面的一个法向量。四轴测量设备进行球心拟合的球面数据十分耗时；更为严重的是由于测量原理的限制获得的球面数据仅为部分球冠，圆心拟合误差大，造成转轴标定不准确，大大降低测量精度。

为此，发明一种精密高效的转轴标定装置与方法，为应用成本低廉的全息干涉传感器实现复杂零部件，如发动机叶片360^。完整测量提供一种有效的技术手段是十分必要的。

发明内容

本发明为解决基于全息干涉测距传感器和四轴测量设备构成的系统在测量复杂曲面零部件，如叶片时四轴测量设备的旋转轴标定耗时，精度差的问题，本发明公开全息干涉四轴测量设备旋转轴的标定方法，基于全息干涉测距传感器实现复杂曲面零部件，如叶片360^。完整测量的旋转轴快速精密标定方法。完成叶片型面和细节，如叶片进排气边缘、叶根和榫头的准确点云数据获取，方法具有成本低、速度快、精度高等特点。

本发明实现发明目是基于一种用于旋转轴标定的辅助装置实现，辅助装置包括1-1和1-2两台CCD相机及镜头、万向云台2、三角架3，平面标靶4和用于固定及调整平面标靶角度的底座5，将底座5国定在四轴测量设备的旋转台6上，实施对旋转台6旋转轴的的标定。

一种全息干涉四轴测量设备旋转轴的标定方法，该方法借助于双目立体视觉图像传感器和带有标准点的平面靶标实现对全息干涉四轴测量系统旋转轴的标定，该方法由以下步骤实现：

步骤1.将平面靶标固定在四轴测量设备旋转轴带动的旋转台上，设置平面靶标的第一个位置W1，双目立体视觉图像传感器采集平面靶标位置W1的两幅图片，四轴测量设备旋转轴带动旋转台使平面靶标旋转规定的角度，使平面靶标处于第一个全息干涉测量位置W1-1，全息干涉传感器对处于第一个全息干涉测量位置W1-1的平面靶标实施扫描测量，获得平面靶标的三维点云数据，四轴测量设备旋转轴带动旋转台使平面靶标复位到第一个位置W1，双目立体视觉图像传感器再次采集复位后平面靶标位置W1的两幅图片；

步骤2.转动旋转台，设置平面靶标的第二个位置W2，重复步骤1，双目立体视觉图像传感器分别获得平面靶标第二个位置W2转动前和复位后的四幅图片，全息干涉传感器获得平面靶标第二个全息干涉测量位置W2-1的三维点云数据；

步骤3.重复步骤2，设置平面靶标的第三个位置W3，双目立体视觉图像传感器分别获得平面靶标第三个位置W3转动前和复位后的四幅图片，全息干涉传感器获得平面靶标第三个全息干涉测量位置W3-1的三维点云数据；

步骤4. 基于步骤1，步骤2和步骤3，双目立体视觉图像传感器的相机1-1和相机1-2各采集了6幅图像，应用MATLAB视觉工具箱分别对相机1-1和相机1-2进行参数标定，利用相机1-1和相机1-2参数和提取平面靶标上特征点，对平面靶标上的特征点进行三维重建，分别重建出W1、W2、W3转动前和复位后6个位置平面靶标上三维特征点，利用所有的重建三维特征点分别进行第一个位置W1、第二个位置W2、第三个结构光测量位置W3转动前和复位后6个位置平面靶标的平面拟合；

步骤5. 依据步骤4 重建出W1、W2、W3转动前和复位后6个位置平面靶标上同行上的三维特征点，拟合计算该行上的三维特征点的旋转圆心，6个位置平面靶标上同行上的三维特征点重建的每一行特征点的拟合平面，获得一组拟合平面的向量和该拟合平面的旋转圆心，求其平均值为旋转台旋转轴线的标定值；

步骤6.利用步骤5旋转台轴线的初步标定值，分别对第一个位置W1、第二个位置W2和第三个位置W3重建出来的三维标准点旋转到第一个全息干涉测量位置W1-1、第二个全息干涉测量位置W2-1 和第三个全息干涉测量位置W3-1位置，与全息干涉传感器在同位置采集到的平面靶标的点云数据进行计算，获得平面靶标坐标系与四轴测量系统的坐标系直接的旋转和平移变换关系，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量T；

步骤7. 利用步骤6求解的旋转矩阵R和平移向量T，将步骤5标定出来的旋转台旋转轴线变换到四轴全息干涉测量系统的坐标系内，完成旋转轴的标定。

本发明的有益效果是：克服了传统用的基于标准球的标定方法获得足够的数据采集时间长；拟合计算球心不够精确，影响设备的整体测量精度等缺点。本发明标定方法精度和效率高。

下面结合附图对本发明进行详细描述。

附图说明

附图1辅助装置与四轴测量设备位置关系示意图。

附图2平面靶标旋转位置示意图。

附图3 标定方法流程图。

附图中，1-1相机、1-2相机、2万向云台、3三角架、4平面标靶、5底座、6旋转台、7全息干涉传感器、8基座、9-1X运动控制轴、9-2 Y运动控制轴、9-3 Z运动控制轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

辅助装置，如图1所示，它包括两台CCD相机1-1和相机1-2及镜头，三角架3，万向云台2，平面标靶4和用于固定及调整平面标靶角度的底座5。

其中的相机1-1和相机1-2相对位置不动，在后续的标定过程中拍摄平面标靶4的图像并传送给计算机。

三角架3用于支撑相1-1，相机1-2，调整与四轴精密测量设备之间的位置关系

万向 云台2用于调整相机1-1和相机1-2于平面标定板之间的角度关系，调整好后在旋转轴标定过程中与旋转台6的位置关系保持相对不变。

全息干涉四轴测量设备包括:7全息干涉传感器、8基座、9-1X运动控制轴、9-2 Y运动控制轴、9-3 Z运动控制轴。

本发明的转轴标定方法具体流程如图2所示。

一种全息干涉四轴测量设备旋转轴的标定方法，该方法借助于双目立体视觉图像传感器和带有标准点的平面靶标实现对全息干涉四轴测量系统旋转轴的标定，该方法由以下步骤实现：

步骤1.将平面靶标固定在四轴测量设备旋转轴带动的旋转台上，设置平面靶标的第一个位置W1，双目立体视觉图像传感器采集平面靶标位置W1的两幅图片，四轴测量设备旋转轴带动旋转台使平面靶标旋转规定的角度，使平面靶标处于第一个全息干涉测量位置W1-1，全息干涉传感器对处于第一个全息干涉测量位置W1-1的平面靶标实施扫描测量，获得平面靶标的三维点云数据，四轴测量设备旋转轴带动旋转台使平面靶标复位到第一个位置W1，双目立体视觉图像传感器再次采集复位后平面靶标位置W1的两幅图片。

步骤2.转动旋转台，设置平面靶标的第二个位置W2，重复步骤1，双目立体视觉图像传感器分别获得平面靶标第二个位置W2转动前和复位后的四幅图片，全息干涉传感器获得平面靶标第二个全息干涉测量位置W2-1的三维点云数据。

步骤3.重复步骤2，设置平面靶标的第三个位置W3，双目立体视觉图像传感器分别获得平面靶标第三个位置W3转动前和复位后的四幅图片，全息干涉传感器获得平面靶标第三个全息干涉测量位置W3-1的三维点云数据。标定板位置示意图如图3所示。

步骤4. 基于步骤1，步骤2和步骤3，双目立体视觉图像传感器的相机1-1和相机1-2各采集了6幅图像，应用MATLAB视觉工具箱分别对相机1-1和相机1-2进行参数标定，利用相机1-1和相机1-2参数和提取平面靶标上特征点，对平面靶标上的特征点进行三维重建，分别重建出W1、W2、W3转动前和复位后6个位置平面靶标上三维特征点，利用所有的重建三维特征点分别进行第一个位置W1、第二个位置W2、第三个结构光测量位置W3转动前和复位后6个位置平面靶标的平面拟合；

具体如下：

在有左右图像的对应特征点对和标定参数的情况下，我们采用如下公式进行三维点的匹配计算，左右图像的对应点中的左图像上的点可以表示为可以表示为

这里的是标定出来的内参数，和是标定出来的外部参数，和 具有相同的形式，进一步我们可以得到如下公式:

这里面的，和就是我们最终要计算的平面标定板三维点坐标。按照上述过程得到所有三维点的坐标，平面标定板上的三维点重建就完成了。

步骤5. 依据步骤4 重建出W1、W2、W3转动前和复位后6个位置平面靶标上同行上的三维特征点，拟合计算该行上的三维特征点的旋转圆心，6个位置平面靶标上同行上的三维特征点重建的每一行特征点的拟合平面，获得一组拟合平面的向量和该拟合平面的旋转圆心，求其平均值为旋转台旋转轴线的标定值。

设步骤4重建出来的三维点为，将三维点带入空间球面方程

，

其中，为球心的坐标值，为球的半径值为带求解参数，这里采用最小二乘法进行优化求解。

将重构出来的每一行的三维点带入平面方程

求解平面参数和法向量。完成上述步骤后，旋转轴标定完成。

步骤6.利用步骤5旋转台轴线的初步标定值，分别对第一个位置W1、第二个位置W2和第三个位置W3重建出来的三维标准点旋转到第一个全息干涉测量位置W1-1、第二个全息干涉测量位置W2-1 和第三个全息干涉测量位置W3-1位置，与全息干涉传感器在同位置采集到的平面靶标的点云数据进行计算，获得平面靶标坐标系与四轴测量系统的坐标系直接的旋转和平移变换关系，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量T。

这里采用随机一致性算法拟合平面，计算全息干涉点到该拟合平面的距离。该距离计算公式可以表示为：

这里是法向量, ,是标定平面上的已知点, 和是空间点和的齐次坐标点表示。优化目标函数为：

这里是第个位置下平面标定板的估计平面，该式我们仍然通过L-M算法进行优化计算，最终计算得到变换矩阵，这里,对进行分解可以求得外部参数旋转矩阵 和平移向量。

步骤7. 利用步骤6求解的旋转矩阵R和平移向量T，将步骤5标定出来的旋转台旋转轴线变换到四轴全息干涉测量系统的坐标系内，完成旋转轴的标定。

Claims (1)

1.一种全息干涉四轴测量设备旋转轴的标定方法，该方法借助于双目立体视觉图像传感器和带有标准点的平面靶标实现对全息干涉四轴测量系统旋转轴的标定，其特征在于：该方法由以下步骤实现：

步骤1.将平面靶标固定在四轴测量设备旋转轴带动的旋转台上，设置平面靶标的第一个位置W1，双目立体视觉图像传感器采集平面靶标位置W1的两幅图片，四轴测量设备旋转轴带动旋转台使平面靶标旋转规定的角度，使平面靶标处于第一个全息干涉测量位置W1-1，全息干涉传感器对处于第一个全息干涉测量位置W1-1的平面靶标实施扫描测量，获得平面靶标的三维点云数据，四轴测量设备旋转轴带动旋转台使平面靶标复位到第一个位置W1，双目立体视觉图像传感器再次采集复位后平面靶标位置W1的两幅图片；

步骤2.转动旋转台，设置平面靶标的第二个位置W2，重复步骤1，双目立体视觉图像传感器分别获得平面靶标第二个位置W2转动前和复位后的四幅图片，全息干涉传感器获得平面靶标第二个全息干涉测量位置W2-1的三维点云数据；

步骤3.重复步骤2，设置平面靶标的第三个位置W3，双目立体视觉图像传感器分别获得平面靶标第三个位置W3转动前和复位后的四幅图片，全息干涉传感器获得平面靶标第三个全息干涉测量位置W3-1的三维点云数据；

步骤4. 基于步骤1，步骤2和步骤3，双目立体视觉图像传感器的相机1-1和相机1-2各采集了6幅图像，应用MATLAB视觉工具箱分别对相机1-1和相机1-2进行参数标定，利用相机1-1和相机1-2参数和提取平面靶标上特征点，对平面靶标上的特征点进行三维重建，分别重建出W1、W2、W3转动前和复位后6个位置平面靶标上三维特征点，利用所有的重建三维特征点分别进行第一个位置W1、第二个位置W2、第三个结构光测量位置W3转动前和复位后6个位置平面靶标的平面拟合；

步骤5. 依据步骤4 重建出W1、W2、W3转动前和复位后6个位置平面靶标上同行上的三维特征点，拟合计算该行上的三维特征点的旋转圆心，6个位置平面靶标上同行上的三维特征点重建的每一行特征点的拟合平面，获得一组拟合平面的向量和该拟合平面的旋转圆心，求其平均值为旋转台旋转轴线的标定值；

步骤6.利用步骤5旋转台轴线的初步标定值，分别对第一个位置W1、第二个位置W2 和第三个位置W3重建出来的三维标准点旋转到第一个全息干涉测量位置W1-1、第二个全息干涉测量位置W2-1 和第三个全息干涉测量位置W3-1位置，与全息干涉传感器在同位置采集到的平面靶标的点云数据进行计算，获得平面靶标坐标系与四轴测量系统的坐标系直接的旋转和平移变换关系，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量T；

步骤7. 利用步骤6求解的旋转矩阵R和平移向量T，将步骤5标定出来的旋转台旋转轴线变换到四轴全息干涉测量系统的坐标系内，完成旋转轴的标定。