CN109489572B - 一种汽车空调活塞内球面直径检测装置 - Google Patents

一种汽车空调活塞内球面直径检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车空调活塞内球面直径检测装置，包括机械手、检测工作台和计算机，机械手能够将汽车空调活塞从上料位置搬运置检测工作台，且能将活塞从检测工作台搬运置下料位置，检测工作台可用于夹紧空调活塞，检测工作台上安装有相机，该相机能获取待测汽车空调活塞内球面的图像，计算机与相机通信连接，用于活塞图像的处理及活塞内球面直径的计算。本发明采用非接触测量方式进行空调活塞内球面直径测量，避免了对内球面的划伤，此装置测量过程操作简单。

Description

一种汽车空调活塞内球面直径检测装置
技术领域
本发明涉及一种检测装置，更具体的说是涉及一种汽车空调活塞内球面直径检测装置。
背景技术
汽车空调活塞是汽车空调压缩机系统的核心部件，汽车空调活塞形状复杂，几何尺寸精度要求高，活塞的加工精度对压缩机的制冷效率有很大影响。目前人工检测汽车空调活塞内球面直径的方法存在劳动强度大、效率低等问题，针对上述问题结合结构光传感器具有精度高、非接触、测速快等优点，本发明设计了基于三线结构光传感器的空调活塞内球面直径检测装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的汽车空调活塞内球面直径检测装置，包括检测过程中所使用的一些算法，以解决现有技术中使用机械量具接触式测量效率低的技术问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种汽车空调活塞内球面直径检测装置，包括机械手、检测工作台和计算机，所述机械手能够将汽车空调活塞从上料位置搬运置检测工作台，且能将活塞从检测工作台搬运置下料位置，所述检测工作台可用于夹紧空调活塞，所述检测工作台上安装有相机，该相机能获取待测汽车空调活塞内球面的图像，所述的计算机与相机通信连接，用于活塞图像的处理及活塞内球面直径的计算。
进一步作为本发明技术方案的改进，还包括一机械手底座，所述机械手安装在机械手底座上，所述机械手底座和所述检测工作台之间的相对位置保持不变，所述机械手上安装有可夹取活塞的夹爪，带夹爪的所述机械手可在上下料位置、检测工作台位置之间往复运动。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述检测工作台包括工作台台面、台面支架、激光器支架、线结构光激光器、夹具；所述三线结构光激光器安装在激光器支架上；所述台面支架的数量为四，均匀分布在工作台台面下方的四个角处，且与工作台台面固定连接；所述激光器支架固定连接在工作台台面上方，所述夹具固定连接在工作台台面上，并处于光激光器支架包围的范围内，用于固定活塞。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述线结构光激光器设置在激光器支架的上侧边与夹具相对的位置上，所述相机可滑移的设置在激光器支架的上侧边上，并朝向夹具；所述线结构光激光器投射结构光到夹具上的活塞内球面上，所述相机拍摄有三条结构光光条的活塞内球面图像，所述相机传输活塞内球面图像至计算机。
本发明所提供的汽车空调活塞内球面测量的方法的技术方案是：测量汽车空调活塞内球面直径的方法，包括如下步骤：
步骤一，将检测装置运行模式切换到手动模式，示教机械手将活塞放入到检测装置夹具内，调整线结构光激光器位置使三条结构光均匀投射在活塞内球面上，调整相机位置使相机能清晰拍到活塞内球面全貌；
步骤二，机械手取走检测装置内的活塞，然后机械手的夹爪夹住棋盘格标定板，示教机械手将标定板移动到检测装置夹具附近，机械手调整标定板位姿，相机拍取清晰的棋盘格图像，计算机用获得的图像对相机参数进行标定；
步骤三，机械手调整标定板位姿，使三个光平面投射在标定板上的边缘位置，计算机获取有三条光条的标定板图像，计算机用获得的图像对结构光光平面进行标记与标定；
步骤四，机械手重新将活塞放入到结构光检测装置夹具内，相机清晰拍取有三条结构光光条的活塞内球面图像，计算机用获得的图像计算出活塞内球面光条中心线上点在相机坐标系下的坐标；
步骤五，用步骤四得到的坐标点拟合活塞内球面，计算内球面球心与半径，得到活塞内球面的直径。
作为本发明的进一步改进，所述步骤一中对结构光激光器及相机调整好后位置紧固不动。
作为本发明的进一步改进，所述步骤二中对于相机的参数进行标定的步骤如下：
步骤二(一)，在相机清晰可视范围内机械手将标定板放置成不同姿态，相机清晰的拍取平面靶标在20种不同姿态下的特征图像20张；
步骤二(二)，对步骤二(一)获取得到的特征图像用计算机计算每张特征图像的平均标定误差，将标定误差大的图像剔除；
步骤二(三)，用步骤二(二)剔除后剩余的特征图像进行相机参数标定，得到相机内部参数、畸变系数及每幅图像的旋转平移矩阵，完成对相机的参数标定。
作为本发明的进一步改进，所述步骤三中先对三个光平面投射生成的三条光条进行标记：
步骤三(一)，在相机清晰可视范围内示教机械手，调整棋盘格标定板位姿，使三条线结构光投射在棋盘格的列向边缘位置，且三条结构光光条照射在靶标棋盘格的黑色线框外，相机拍取标定板上有三条结构光光条的图像，计算机对获得的图像采用阈值分割法分割出只有三条白色光条的二值图像，然后对二值图像进行开运算去除小的噪点；
步骤三(二)，计算机将步骤三(一)得到的图像逐行扫描其像素点，当扫描到白色像素点时，将该像素点标记为一个种子并赋予一个label，将该像素点和与其像素点相邻的四个像素点从计算机一个堆栈底部放入；
步骤三(三)，计算机在堆栈底部放入像素点时，计算机弹出堆栈区域上方的像素点，并将其也赋予同样的label，再将该像素点相邻的四区域放入计算机堆栈中；
步骤三(四)，重复步骤三(三)，直到计算机堆栈区域为空，此时就找到了一个连通区域，将该label记为1，即将该光条标记为1；计算机继续扫描二值图像像素点，同理将第二条光条与第三条光条分别标记为2、3，这样将结构光投射而形成的光条与结构光光平面一一对应。
作为本发明的进一步改进，所述步骤三中对于结构光光平面进行标定的步骤如下：
步骤三(五)，在相机清晰可视范围内示教机械手，调整棋盘格标定板位姿，使三条线结构光投射在棋盘格的列向边缘位置，且三条结构光光条照射在靶标棋盘格的黑色线框外；
步骤三(六)，计算机检测棋盘格角点的像素坐标，将棋盘格每行上所有角点像素坐标通过最小二乘法拟合出像素坐标系下的角点直线方程，按此方法可以获得像素坐标系下15条棋盘格角点直线方程；
步骤三(七)，在棋盘格上建立局部世界坐标系
Figure GDA0001958343100000041
为棋盘格长与宽的一个交点，以
Figure GDA0001958343100000042
点为原点沿棋盘格长度方向建立坐标轴
Figure GDA0001958343100000043
以
Figure GDA0001958343100000044
点为原点沿棋盘格宽度方向建立坐标轴
Figure GDA0001958343100000045
以
Figure GDA0001958343100000046
点为原点垂直于平面靶标方向建立坐标轴
Figure GDA0001958343100000047
k代表不同位姿的靶标；计算机将棋盘格角点的局部世界坐标值转化到摄像机坐标系下的坐标值，用得到的坐标值拟合出摄像机坐标系下的棋盘格平面方程；
步骤三(八)，相机清晰拍取棋盘格标定板上有三条结构光光条的图像，计算机对图像上三条结构光光条使用二值图像连通区域标记算法进行标记，然后对图像二值化处理并提取三条光条中心线上的点，提取完成便可分别得到三条光条中心线上的点在像素坐标系下的坐标，通过最小二乘法分别拟合出像素坐标系下三条光条中心线直线方程；
步骤三(九)，联立步骤三(六)得到的15个棋盘格角点直线方程分别与步骤三(八)得到的三条光条中心线直线方程求解得到45个像素坐标系下的交点，其中每条光条中心线上各有15个交点，将第一条光条中心线上的15个交点的像素坐标值转化到图像坐标系下的值后放入变量VECTOR1、将第二条光条中心线上的15个交点的像素坐标值转化到图像坐标系下的值后放入变量VECTOR2、将第三条光条中心线上的15个交点的像素坐标值转化到图像坐标系下的值后放入变量VECTOR3中；分别求变量VECTOR1、VECTOR2、VECTOR3中的坐标点与摄像机坐标系原点两点连成的直线方程15条，分别用每个变量中的15条直线方程与步骤三(七)得到的棋盘格平面方程联立求解，完成变量VECTOR1、VECTOR2、VECTOR3中像素坐标系下的值到摄像机坐标系下的值转化，转化完成后的值分别存入变量VECTOR4、VECTOR5、VECTOR6中，并将变量VECTOR1、VECTOR2、VECTOR3中数据清空；
步骤三(十)，示教机械手，将平面靶标向相机中心靠近，重复步骤三(五)到三(九)两次，这样变量VECTOR4中有摄像机坐标系下第一个结构光平面上的点45个、VECTOR5中有摄像机坐标系下第二个结构光平面上的点45个、VECTOR6中有摄像机坐标系下第三个结构光光平面上的点45个；
步骤三(十一)，将变量VECTOR4、VECTOR5、VECTOR6中的坐标点使用最小二乘法拟合光平面方程，完成摄像机坐标系下的三个结构光光平面的标定。
作为本发明的进一步改进，所述步骤四中提取活塞球面光条中心线上点的坐标的步骤如下：
步骤四(一)，计算机对活塞内球面上有三条结构光光条的图像采用阈值分割法分割出只有三条白色光条的二值图像，然后对二值图像进行开运算去除小的噪点；
步骤四(二)，对步骤四(一)得到的图像用hessian矩阵求出光条曲线上每个像素点的法线；
步骤四(三)，在步骤四(二)得到的法线方向上，将光条的灰度值按泰勒多项式进行展开，用求取多项式的极值的方法来确定光条中心上点的像素坐标；通过上述方法在活塞内球面的每条光条中心上提取2200个像素坐标点，并将像素坐标点转化为图像坐标点，这样活塞内球面三条光条上能获得6600个图像坐标点；
步骤四(四)，计算机分别求出每条光条中心的图像坐标点与相机原点相连的直线方程，联立直线方程与该光条对应的光平面方程求解，得到摄像机坐标系下活塞内球面上光条中心上点的坐标(xc、yc、zc)点6600个。
作为本发明的进一步改进，所述步骤五中拟合活塞内球面与计算球面直径的方法如下：
设拟合后的球心(x0、y0、z0)、球半径r0；对于每一点拟合后估计值与实际值的差值为：
ei(x0、y0、z0、r0)＝(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2；
误差平方和为：
Figure GDA0001958343100000071
令E分别对x0、y0、z0、r0的偏导数等于0，求出x0、y0、z0、r0，则有：
Figure GDA0001958343100000072
Figure GDA0001958343100000073
Figure GDA0001958343100000074
Figure GDA0001958343100000075
Figure GDA0001958343100000076
Figure GDA0001958343100000077
Figure GDA0001958343100000078
Figure GDA0001958343100000079
Figure GDA00019583431000000710
Figure GDA00019583431000000711
Figure GDA00019583431000000712
由以上公式得矩阵方程：
Figure GDA00019583431000000713
求解该矩阵得x0、y0、z0，然后带入(10-4)式得到r的值，以此完成对于内球面球心坐标和半径的计算，然后可得活塞内球面直径，若计算出的直径符合生产标准，机械手将活塞搬运到下料位置的产品合格区域，若计算出的直径不符合生产标准，机械手将活塞搬运到下料位置的产品不合格区域。
本发明的有益效果是：此汽车空调活塞内球面直径检测装置，机械手将汽车空调活塞放入检测工作台的夹具夹紧，三线结构光均匀投射在活塞内球面上形成三条圆弧型光条，相机采集三条经球面调制的圆弧型光条图像，计算机提取三条圆弧型光条中心线上点坐标并三维重建，拟合空调活塞内球面，计算出活塞内球面的直径，直径计算完成后机械手将活塞搬运到下料位置。本检测装置的相机、结构光光参数只需一次标定，标定完成后可对不同类型内球面进行连续精确测量，减少人工测量带来的误差并提高了测量效率。本发明采用非接触测量方式进行空调活塞内球面直径测量，避免了对内球面的划伤，此装置测量过程操作简单。
附图说明
图1为汽车空调活塞内球面检测装置的结构图；
图2为图1中的检测工作台的结构图；
图3为图2中的夹具的整体结构图；
图4为三线结构光测量系统的数学模型；
图5为三线结构光光平面方程参数标定模型；
图6为像素坐标系与图像坐标系的转换关系图。
附图标记：1、机械手底座；2、机械手；3、结构光激光器；4、相机；5、夹具；51、夹具定位块；511、夹具口；52、横向固定组件；521、横向气缸支架；522、横向气缸；523、夹具活动部分；53、纵向固定组件；531、纵向气缸支架；532、纵向气缸；533、橡胶压头；6、检测工作台；7、活塞；8、计算机；9、激光器支架；10、工作台台面；11、台面支架。
具体实施方式
下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
如图1、图2、图3所示，一种汽车空调活塞内球面直径检测装置的实施例，该实施例中的汽车空调活塞内球面检测装置包括机械手底座1，在机械手底座1上安装有可往复运动于上料区和检测工作台与下料区的机械手2，在机械手底座1右边设有检测工作台6，在工作台台面10上设有相机4和激光器支架9，相机4和激光器支架9顶端上设有相机4和结构光激光器3，相机4和结构光激光器3与计算机8相连并实时通讯，工作台台面10上还设有夹具5，工作台台面10通过台面支架11进行支撑，台面支架11的数量为四个，均匀分布在工作台台面下方的四个角处，且与工作台台面固定连接。
本实施例中，相机4和激光器支架9为方形框架结构，其下侧边固定在工作台台面10上，所述夹具5固定在检测工作台台面10上，并处于激光器支架9内，以用于固定活塞7，所述结构光激光器3设置在相机4和激光器支架9的上侧边与夹具5相对的位置上，所述相机4可滑移的设置在相机4和激光器支架9的上侧边上，并朝向夹具5设置，检测时，结构光激光器3投射线结构光到夹具5内的活塞7的内球面上，相机4拍摄活塞图像传输至计算机8，线结构光由结构光激光器3发出，在使用本实施例的检测装置的过程中，只需要将活塞7安装到夹具5内即可，检测时，调整结构光激光器3位置使三条线结构光均匀的投射在活塞内球面上，调节相机4的位置使相机4能清晰拍到活塞内球面的全貌，结构光激光器3位置和相机4的位置调整后固定不动，取走活塞7用棋盘格标定板对相机4参数及结构光光平面参数标定，再次将活塞7放入夹具5，计算机8通过相机4所采集的到图像进行处理计算，便可有效的获得活塞内球面直径了，因而相比于现有技术中采用机械量具进行接触测量的方式，实现了非接触式标定和测量，大大的提升了检测效率。
本实施例中，所述夹具5包括夹具定位块51、横向固定组件52和纵向固定组件53，所述夹具定位块51和横向气缸支架521均固定在工作台台面10上，所述夹具定位块51相对于横向固定组件52的一侧开设有用于存放活塞7的夹具口511，所述纵向固定组件53设置在夹具定位块51上方，并相对于夹具口511设置，以与横向固定组件52配合夹住夹具口511内的活塞7，通过夹具定位块51、横向固定组件52和纵向固定组件53的设置，便可有效的实现对于夹具口511内的活塞7进行横向和纵向固定作用，进而实现对于活塞7有效的固定作用，避免检测的时候因为活塞7位置偏移导致的检测结果不准确的问题。
本实施例中，横向固定组件52包括横向气缸支架521、横向气缸522和夹具活动部分523，所述横向气缸支架521固定在工作台台面10靠近夹具定位块51的位置处，并与夹具口511相对设置，所述横向气缸522的缸体固定在横向气缸支架521上，所述夹具活动部分523固定在横向气缸522的推动杆上，并与夹具口511相对设置，通过横向气缸522的设置，便可有效的作为一个动力源来推动夹具活动部分523，进而实现将夹具口511内的活塞7进行夹紧或是松开了，如此有效的实现了一个对于夹具口511内的活塞7进行横向固定的效果。
本实施例中，所述纵向固定组件53包括纵向气缸支架531、纵向气缸532和橡胶压头533，所述纵向气缸支架531为L型片，其一端固定在夹具定位块51上，另一端设置在夹具口511的上方，所述纵向气缸532的缸体固定在纵向气缸支架531上，所述橡胶压头533固定在纵向气缸532的推动杆上，以设置在夹具口511的上方，通过纵向气缸532和纵向气缸支架531以及橡胶压头533的设置，便可有效的实现利用纵向气缸532作为动力源，然后通过橡胶压头533挤压活塞7的方式来实现纵向固定了。
本发明提供使用图1、4、5所示的检测装置测量汽车空调活塞内球面直径的方法。
具体的本实施例中，对该方法进行内球面直径计算的工作原理做进一步详述，具体如下：
首先本实施例中需要构建世界坐标系、局部世界坐标系、像素坐标系、图像坐标系、相机坐标系以及各坐标系之间的转换关系。
像素坐标系O-uv的建立。相机4采集到数字图像储存在计算机8中表现为m×n的数组，数字图像中每一个元素称为像素，将数字图像平面的左上角定义为原点O，横坐标u和纵坐标v分别是数字图像的首行和首列。以像素为坐标单位建立的直角坐标系O-uv称为像素坐标系。
图像坐标系O0-xy的建立。将数字图像的中心定为图像坐标系的坐标原点O0(u0，u0)，将x和y轴分别平行像素坐标系的u轴和v轴，且x和u轴方向相同，y和v轴方向相同。图像坐标系的物理单位为毫米，在理想模型下图像中任意一点在像素坐标系与图像坐标系的转换关系如下，如图6所示其中dx表示像素点的宽度，dy表示像素点的高度。
Figure GDA0001958343100000111
Figure GDA0001958343100000112
将(1)与(2)用矩阵方程表示为：
Figure GDA0001958343100000121
相机坐标系Oc-xcyczc的建立。
将摄像机的光心定为坐标原点Oc，光轴为zc且与图像平面垂直，xc和yc轴分别平行图像坐标系的x轴和y轴，且xc和x轴方向相同，yc和y轴方向相同。光心到光心轴的直线与图像平面交点的距离为相机4的焦距f。假设空间中任意一点在世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系的坐标值分别为(xw，yw，zw)，(xc，yc，zc)，(x，y)，根据理想相机模型，则有如下关系。
Figure GDA0001958343100000122
Figure GDA0001958343100000123
将(4)与(5)用矩阵方程表示为：
Figure GDA0001958343100000124
世界坐标系Ow-xwywzw的建立。在环境中任意选择一基准坐标系，用它来描述环境中物体的位置，此基准坐标系为世界坐标系。
各坐标系之间的转换。假设空间中有一点p，其在图像坐标系、世界坐标系和相机坐标系中的坐标分别为(u，v)，(xw，yw，zw)，(xc，yc，zc)。根据空间坐标系转换理论，可以通过一个旋转矩阵R和一个平移向量T来转换两个坐标之间的转换关系，其关系如下所示：
Figure GDA0001958343100000131
将(7)化为齐次坐标形式：
Figure GDA0001958343100000132
将(6)式带入(3)式得：
Figure GDA0001958343100000133
将(8)式带入(9)式得：
Figure GDA0001958343100000134
方程(10)即为相机模型下世界坐标系到图像坐标系的转换。
结构光平面的标定。将摄像机坐标系作为测量坐标系，设摄像机坐标系下三个光平面π1，π2，π3方程分别为：
a1xc+b1yc+c1zc+d1＝0(11)
a2xc+b2yc+c2zc+d2＝0(12)
a3xc+b3yc+c3zc+d3＝0(13)
1)引入图像归一化。图像归一化就是通过一系列变换，利用图像的不变矩寻找一组参数使其能够消除其他变换函数对图像变换的影响，将待处理的原始图像转换成相应的唯一标准形式图像，该标准形式图像对平移、旋转、缩放等仿射变换具有不变特性。设空间某点的理想坐标为(u，v，1)，将下式定义的坐标(x，y，1)称为该点的归一化图像坐标：
Figure GDA0001958343100000141
设在光平面π1平面上，已知结构光光条中心线与棋盘格角点直线的某一交点P。P点投影到图像坐标系下的理想图像坐标为p(u，v)，那么根据(14)式，将其转换p点的归一化图像坐标(x，y，1)。通过相机4畸变矫正后Oc、p、P三点共线，则经过摄像机光心Oc和P点的直线方程L为：
Figure GDA0001958343100000142
式中，(xc，yc，zc)为P点在摄像机坐标系下的坐标。
在进行结构光光平面标定前先要对相机4参数进行标定。
步骤二(一)，在相机清晰可视范围内机械手2将标定板放置成不同姿态，相机清晰的拍取平面靶标在20种不同姿态下的特征图像20张；
步骤二(二)，对步骤二(一)获取得到的特征图像用计算机8计算每张特征图像的平均标定误差，将标定误差大的图像剔除；
步骤二(三)，用步骤二(二)剔除后剩余的特征图像进行相机参数标定，得到相机内部参数、畸变系数及每幅图像的旋转平移矩阵，完成对相机的参数标定。
步骤三(一)，在相机清晰可视范围内示教机械手2，调整棋盘格标定板位姿，使三条线结构光投射在棋盘格的列向边缘位置，且三条结构光光条照射在靶标棋盘格的黑色线框外，相机拍取标定板上有三条结构光光条的图像，计算机8对获得的图像采用阈值分割法分割出只有三条白色光条的二值图像，然后对二值图像进行开运算去除小的噪点。
计算机8对标定板上有三条结构光光条的图像采用阈值分割法分割出只有三条白色光条的二值图像，然后对二值图像进行开运算去除小的噪点。
步骤三(二)，计算机8将步骤三(一)得到的图像逐行扫描其像素点，当扫描到白色像素点时，将该像素点标记为一个种子并赋予一个label，将该像素点和与其像素点相邻的四个像素点从计算机8一个堆栈底部放入；
步骤三(三)，计算机8在堆栈底部放入像素点时，计算机8弹出堆栈区域上方的像素点，并将其也赋予同样的label，再将该像素点相邻的四区域放入计算机8堆栈中；
步骤三(四)，重复步骤三(三)，直到计算机8堆栈区域为空，此时就找到了一个连通区域，将该label记为1，即将该光条标记为1；计算机8继续扫描二值图像像素点，同理将第二条光条与第三条光条分别标记为2、3，这样将结构光投射而形成的光条与结构光光平面一一对应。
光平面投射生成的光条标记完成后，再进行结构光光平面参数标定。
步骤三(五)，在相机清晰可视范围内示教机械手2，调整棋盘格标定板位姿，使三条线结构光投射在棋盘格的列向边缘位置，且三条结构光光条照射在靶标棋盘格的黑色线框外；
步骤三(六)，计算机8检测棋盘格角点的像素坐标，将棋盘格每行上所有角点像素坐标通过最小二乘法拟合出像素坐标系下的角点直线方程，按此方法可以获得像素坐标系下15条棋盘格角点直线方程；
步骤三(七)，在棋盘格上建立局部世界坐标系
Figure GDA0001958343100000151
为棋盘格长与宽的一个交点，以
Figure GDA0001958343100000152
点为原点沿棋盘格长度方向建立坐标轴
Figure GDA0001958343100000153
以
Figure GDA0001958343100000154
点为原点沿棋盘格宽度方向建立坐标轴
Figure GDA0001958343100000161
以
Figure GDA0001958343100000162
点为原点垂直于平面靶标方向建立坐标轴
Figure GDA0001958343100000163
k代表不同位姿的靶标；计算机8将棋盘格角点的局部世界坐标值转化到摄像机坐标系下的坐标值，用得到的坐标值拟合出摄像机坐标系下的棋盘格平面方程；
步骤三(八)，相机清晰拍取棋盘格标定板上有三条结构光光条的图像，计算机8对图像上三条结构光光条使用二值图像连通区域标记算法进行标记，然后对图像二值化处理并提取三条光条中心线上的点，提取完成便可分别得到三条光条中心线上的点在像素坐标系下的坐标，通过最小二乘法分别拟合出像素坐标系下三条光条中心线直线方程；
步骤三(九)，联立步骤三(六)得到的15个棋盘格角点直线方程分别与步骤三(八)得到的三条光条中心线直线方程求解得到45个像素坐标系下的交点，其中每条光条中心线上各有15个交点，将第一条光条中心线上的15个交点的像素坐标值转化到图像坐标系下的值后放入变量VECTOR1、将第二条光条中心线上的15个交点的像素坐标值转化到图像坐标系下的值后放入变量VECTOR2、将第三条光条中心线上的15个交点的像素坐标值转化到图像坐标系下的值后放入变量VECTOR3中；分别求变量VECTOR1、VECTOR2、VECTOR3中的坐标点与摄像机坐标系原点两点连成的直线方程15条，分别用每个变量中的15条直线方程与步骤三(七)得到的棋盘格平面方程联立求解，完成变量VECTOR1、VECTOR2、VECTOR3中像素坐标系下的值到摄像机坐标系下的值转化，转化完成后的值分别存入变量VECTOR4、VECTOR5、VECTOR6中，并将变量VECTOR1、VECTOR2、VECTOR3中数据清空；
步骤三(十)，示教机械手2，将平面靶标向相机中心靠近，重复步骤三(五)到三(九)两次，这样变量VECTOR4中有摄像机坐标系下第一个结构光平面上的点45个、VECTOR5中有摄像机坐标系下第二个结构光平面上的点45个、VECTOR6中有摄像机坐标系下第三个结构光光平面上的点45个；
步骤三(十一)，将变量VECTOR4、VECTOR5、VECTOR6中的坐标点使用最小二乘法拟合光平面方程，完成摄像机坐标系下的三个结构光光平面的标定。
空调活塞内球面三维重建。计算机8用得到的有三条光条的活塞内球面图像使用Hessian矩阵法对三条光条进行光条中心提取。
步骤四(一)，计算机8对活塞内球面上有三条结构光光条的图像采用阈值分割法分割出只有三条白色光条的二值图像，然后对二值图像进行开运算去除小的噪点；
步骤四(二)，对步骤四(一)得到的图像用hessian矩阵求出光条曲线上每个像素点的法线；
步骤四(三)，在步骤四(二)得到的法线方向上，将光条的灰度值按泰勒多项式进行展开，用求取多项式的极值的方法来确定光条中心上点的像素坐标；通过上述方法在活塞内球面的每条光条中心上提取2200个像素坐标点，并将像素坐标点转化为图像坐标点，这样活塞内球面三条光条上能获得6600个图像坐标点；
步骤四(四)，计算机8分别求出每条光条中心的图像坐标点与相机原点相连的直线方程，联立直线方程与该光条对应的光平面方程求解，得到摄像机坐标系下活塞内球面上光条中心上点的坐标(xc、yc、zc)点6600个，完成空调活塞内球面在摄像机坐标系下的三维重建。
球面拟合算法。将调活塞内球面在摄像机坐标系下的三维重建后，通过最小二乘法拟合球面，计算球心坐标及半径，进一步求出空调活塞7球面的直径。设拟合后的球心(x0、y0、z0)、球半径r0。对于每一点拟合后估计值与实际值的差值为：
ei(x0、y0、z0、r0)＝(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2。
误差平方和为：
Figure GDA0001958343100000181
令E分别对x0、y0、z0、r0的偏导数等于0，即可求出x0、y0、z0、r0，则有：
Figure GDA0001958343100000182
Figure GDA0001958343100000183
Figure GDA0001958343100000184
Figure GDA0001958343100000185
Figure GDA0001958343100000186
Figure GDA0001958343100000187
Figure GDA0001958343100000188
Figure GDA0001958343100000189
Figure GDA00019583431000001810
Figure GDA00019583431000001811
Figure GDA00019583431000001812
由以上公式得矩阵方程：
Figure GDA0001958343100000191
求解该矩阵得x0、y0、z0，然后带入(10-4)式得到r的值，以此得到内球面球心坐标和内球面半径，进而得到空调活塞内球面直径。然后可得活塞内球面直径，若计算出的直径符合生产标准，机械手2将活塞7搬运到下料位置的产品合格区域，若计算出的直径不符合生产标准，机械手2将活塞7搬运到下料位置的产品不合格区域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种汽车空调活塞内球面直径检测装置，其特征在于，包括机械手(2)、检测工作台(6)和计算机(8)，所述机械手(2)能够将汽车空调活塞(7)从上料位置搬运置检测工作台(6)，且能将活塞(7)从检测工作台(6)搬运置下料位置，所述检测工作台(6)可用于夹紧空调活塞(7)，所述检测工作台(6)上安装有相机(4)，该相机(4)能获取待测汽车空调活塞内球面的图像，所述的计算机(8)与相机(4)通信连接，用于活塞图像的处理及活塞内球面直径的计算；所述检测工作台(6)包括工作台台面(10)、台面支架(11)、激光器支架(9)、结构光激光器(3)、夹具(5)；
所述结构光激光器(3)安装在激光器支架(9)上；所述台面支架(11)的数量为四，均匀分布在工作台台面(10)下方的四个角处，且与工作台台面(10)固定连接；所述激光器支架(9)固定连接在检测工作台(6)台面上方，所述夹具(5)固定连接在工作台台面(10)上，并处于激光器支架(9)包围的范围内，用于固定活塞(7)；
所述结构光激光器(3)设置在激光器支架(9)的上侧边与夹具(5)相对的位置上，所述相机(4)可滑移的设置在激光器支架(9)的上侧边上，并朝向夹具(5)；所述结构光激光器(3)投射结构光到夹具(5)上的活塞内球面上，所述相机(4)拍摄有三条结构光光条的活塞内球面图像，所述相机(4)传输活塞内球面图像至计算机(8)；
利用该检测装置测量汽车空调活塞内球面直径的步骤如下：
步骤一，将检测装置运行模式切换到手动模式，示教机械手(2)将活塞(7)放入到检测装置夹具(5)内，调整结构光激光器(3)位置使三条结构光均匀投射在活塞内球面上，调整相机(4)位置使相机(4)能清晰拍到活塞内球面全貌；
步骤二，机械手(2)取走检测装置内的活塞(7)，然后机械手(2)的夹爪夹住棋盘格标定板，示教机械手(2)将标定板移动到检测装置夹具(5)附近，机械手(2)调整标定板位姿，相机(4)拍取清晰的棋盘格图像，计算机(8)用获得的图像对相机(4)参数进行标定；
步骤三，机械手(2)调整标定板位姿，使三个光平面投射在标定板上的边缘位置，相机(4)拍取有三条光条的标定板图像并传送给计算机(8)，计算机(8)用获得的图像对结构光光平面进行标记与标定；
步骤四，机械手(2)重新将活塞(7)放入到结构光检测装置夹具(5)内，相机(4)清晰拍取有三条结构光光条的活塞内球面图像，计算机(8)用获得的图像计算出活塞内球面光条中心线上点在相机坐标系下的坐标；
步骤五，用步骤四得到的坐标点拟合活塞内球面，计算内球面球心与半径，得到活塞内球面的直径。
2.根据权利要求1所述的汽车空调活塞内球面直径检测装置，其特征在于，所述步骤一中对结构光激光器(3)及相机(4)调整好后位置紧固不动。
3.根据权利要求1所述的汽车空调活塞内球面直径检测装置，其特征在于，所述步骤二中对于相机(4)的参数进行标定的步骤如下：
步骤二(一)，在相机(4)清晰可视范围内机械手(2)将标定板放置成不同姿态，相机(4)清晰的拍取平面靶标在20种不同姿态下的特征图像20张；
步骤二(二)，对步骤二(一)获取得到的特征图像用计算机(8)计算每张特征图像的平均标定误差，将标定误差大的图像剔除；
步骤二(三)，用步骤二(二)剔除后剩余的特征图像进行相机(4)参数标定，得到相机(4)内部参数、畸变系数及每幅图像的旋转平移矩阵，完成对相机(4)的参数标定。
4.根据权利要求1所述的汽车空调活塞内球面直径检测装置，其特征在于，所述步骤三中先对三个光平面投射生成的三条光条进行标记：
步骤三(一)，在相机(4)清晰可视范围内示教机械手(2)，调整棋盘格标定板位姿，使三条线结构光投射在棋盘格的列向边缘位置，且三条结构光光条照射在靶标棋盘格的黑色线框外，相机(4)拍取标定板上有三条结构光光条的图像，计算机(8)对获得的图像采用阈值分割法分割出只有三条白色光条的二值图像，然后对二值图像进行开运算去除小的噪点；
步骤三(二)，计算机(8)将步骤三(一)得到的图像逐行扫描其像素点，当扫描到白色像素点时，将该像素点标记为一个种子并赋予一个label，将该像素点和与其像素点相邻的四个像素点从计算机(8)一个堆栈底部放入；
步骤三(三)，计算机(8)在堆栈底部放入像素点时，计算机(8)弹出堆栈区域上方的像素点，并将其也赋予同样的label，再将该像素点相邻的四区域放入计算机(8)堆栈中；
步骤三(四)，重复步骤三(三)，直到计算机(8)堆栈区域为空，此时就找到了一个连通区域，将该label记为1，即将该光条标记为1；计算机(8)继续扫描二值图像像素点，同理将第二条光条与第三条光条分别标记为2、3，这样将结构光投射而形成的光条与结构光光平面一一对应。
5.根据权利要求4所述的汽车空调活塞内球面直径检测装置，其特征在于，所述步骤三中对于结构光光平面进行标定的步骤如下：
步骤三(五)，在相机(4)清晰可视范围内示教机械手(2)，调整棋盘格标定板位姿，使三条线结构光投射在棋盘格的列向边缘位置，且三条结构光光条照射在靶标棋盘格的黑色线框外；
步骤三(六)，计算机(8)检测棋盘格角点的像素坐标，将棋盘格每行上所有角点像素坐标通过最小二乘法拟合出像素坐标系下的角点直线方程，按此方法可以获得像素坐标系下15条棋盘格角点直线方程；
步骤三(七)，在棋盘格上建立局部世界坐标系
Figure FDA0002506719080000041
为棋盘格长与宽的一个交点，以
Figure FDA0002506719080000042
点为原点沿棋盘格长度方向建立坐标轴
Figure FDA0002506719080000043
以
Figure FDA0002506719080000044
点为原点沿棋盘格宽度方向建立坐标轴
Figure FDA0002506719080000045
以
Figure FDA0002506719080000046
点为原点垂直于平面靶标方向建立坐标轴
Figure FDA0002506719080000047
k代表不同位姿的靶标；计算机(8)将棋盘格角点的局部世界坐标值转化到摄像机坐标系下的坐标值，用得到的坐标值拟合出摄像机坐标系下的棋盘格平面方程；
步骤三(八)，相机(4)清晰拍取棋盘格标定板上有三条结构光光条的图像，计算机(8)对图像上三条结构光光条使用二值图像连通区域标记算法进行标记，然后对图像二值化处理并提取三条光条中心线上的点，提取完成便可分别得到三条光条中心线上的点在像素坐标系下的坐标，通过最小二乘法分别拟合出像素坐标系下三条光条中心线直线方程；
步骤三(九)，联立步骤三(六)得到的15个棋盘格角点直线方程分别与步骤三(八)得到的三条光条中心线直线方程求解得到45个像素坐标系下的交点，其中每条光条中心线上各有15个交点，将第一条光条中心线上的15个交点的像素坐标值转化到图像坐标系下的值后放入变量VECTOR1、将第二条光条中心线上的15个交点的像素坐标值转化到图像坐标系下的值后放入变量VECTOR2、将第三条光条中心线上的15个交点的像素坐标值转化到图像坐标系下的值后放入变量VECTOR3中；分别求变量VECTOR1、VECTOR2、VECTOR3中的坐标点与摄像机坐标系原点两点连成的直线方程15条，分别用每个变量中的15条直线方程与步骤三(七)得到的棋盘格平面方程联立求解，完成变量VECTOR1、VECTOR2、VECTOR3中像素坐标系下的值到摄像机坐标系下的值转化，转化完成后的值分别存入变量VECTOR4、VECTOR5、VECTOR6中，并将变量VECTOR1、VECTOR2、VECTOR3中数据清空；
步骤三(十)，示教机械手(2)，将平面靶标向相机(4)中心靠近，重复步骤三(五)到三(九)两次，这样变量VECTOR4中有摄像机坐标系下第一个结构光平面上的点45个、VECTOR5中有摄像机坐标系下第二个结构光平面上的点45个、VECTOR6中有摄像机坐标系下第三个结构光光平面上的点45个；
步骤三(十一)，将变量VECTOR4、VECTOR5、VECTOR6中的坐标点使用最小二乘法拟合光平面方程，完成摄像机坐标系下的三个结构光光平面的标定。
6.根据权利要求1所述的汽车空调活塞内球面直径检测装置，其特征在于，所述步骤四中提取活塞球面光条中心线上点的坐标的步骤如下：
步骤四(一)，计算机(8)对活塞内球面上有三条结构光光条的图像采用阈值分割法分割出只有三条白色光条的二值图像，然后对二值图像进行开运算去除小的噪点；
步骤四(二)，对步骤四(一)得到的图像用hessian矩阵求出光条曲线上每个像素点的法线；
步骤四(三)，在步骤四(二)得到的法线方向上，将光条的灰度值按泰勒多项式进行展开，用求取多项式的极值的方法来确定光条中心上点的像素坐标；通过上述方法在活塞内球面的每条光条中心上提取2200个像素坐标点，并将像素坐标点转化为图像坐标点，这样活塞内球面三条光条上能获得6600个图像坐标点；
步骤四(四)，计算机(8)分别求出每条光条中心的图像坐标点与相机(4)原点相连的直线方程，联立直线方程与该光条对应的光平面方程求解，得到摄像机坐标系下活塞内球面上光条中心上点的坐标(xc、yc、zc)点6600个。
7.根据权利要求6所述的汽车空调活塞内球面直径检测装置，其特征在于，所述步骤五中拟合活塞内球面与计算球面直径的方法如下：
设拟合后的球心(x0、y0、z0)、球半径r0；对于每一点拟合后估计值与实际值的差值为：
ei(x0、y0、z0、r0)＝(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2；
误差平方和为：
Figure FDA0002506719080000061
令E分别对x0、y0、z0、r0的偏导数等于0，求出x0、y0、z0、r0，则有：
Figure FDA0002506719080000062
Figure FDA0002506719080000063
Figure FDA0002506719080000064
Figure FDA0002506719080000065
Figure FDA0002506719080000066
Figure FDA0002506719080000067
Figure FDA0002506719080000068
Figure FDA0002506719080000069
Figure FDA00025067190800000610
Figure FDA00025067190800000611
Figure FDA0002506719080000071
由以上公式得矩阵方程:
Figure FDA0002506719080000072
求解该矩阵得x0、y0、z0，然后带入10-4式得到r的值，以此完成对于内球面球心坐标和半径的计算，然后可得活塞内球面直径，若计算出的直径符合生产标准，机械手(2)将活塞(7)搬运到下料位置的产品合格区域，若计算出的直径不符合生产标准，机械手(2)将活塞(7)搬运到下料位置的产品不合格区域。
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