CN109506626A - 一种相机倾斜角的测量方法 - Google Patents

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罗怡
王晓东
陈明
陈明一
褚露露
李亚玮
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • G01C11/02—Picture taking arrangements specially adapted for photogrammetry or photographic surveying, e.g. controlling overlapping of pictures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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Abstract

本发明公开了一种相机倾斜角的测量方法，属于精密测试技术领域。移动相机驱动机构，使得标定板上的标定图形进入相机视野。沿相机运动的轴线以一定步长移动相机，并拍摄标定板上的标定图形，由于相机的安装存在倾斜角，因此不同位置标定图形的清晰度不同，对于所拍摄图像进行处理，可得到相机的倾斜角。该方法的标定板上图形制作精度高，标定精度高；针对不同运动范围、不同景深相机的标定，可以改变步长，因此方法适用性强。

Description

一种相机倾斜角的测量方法
技术领域
本发明属于精密测试领域，涉及一种相机倾斜角的测量方法。
背景技术
装配是将零件接合成部件或将若干个零件和部件接合成产品的过程。随着工业生产和科学技术的发展，自动化装配技术成为重要的研究领域，且对装配精度的要求也越来越高。因此自动装配系统中视觉单元的标定对装配精度有非常重要的意义，对零件精密定位和减小装配误差起到关键作用。
目前对于自动装配中的视觉标定，主要针对相机坐标系和机械手坐标系之间的位置姿态进行，也就是安装相机的运动机构末端坐标系与安装机械手末端坐标系之间的关系。机器人用于基于视觉的零件分拣时，为提高标定效率，基于OpenCV算法库，介绍了一种快速的标定方法。该标定方法只需简单的标定板，配合霍夫变换和线性回归拟合，可获得准确的标定结果【一种快速的机器人固定视觉标定方法，机械设计与制造，2018(11)：237-240】。建立相机标定模型和手眼标定模型分析从图像像素坐标到机器人基座标转换的视觉引导算法原理，利用OpenCV计算机视觉库进行图像处理获取目标物体特征，然后把特征信息转换为抓取信息并通过系统软件的机器人通信模块将抓取信息发送给机器人，进而实现机器人对目标物体的定位及抓取【基于视觉引导的FANUC机器人抓取系统研究，组合机床与自动化加工技术，2018(7)111-114】。为了解决相机标定过程中特征点特征被遮挡或者在纹理贫乏区域同名点稀少的问题，可通过识别出空间中的平行直线，组成矩形或者平行四边形后，对相机进行标定和相对定向【基于平行直线的相机标定和相对定向，工具技术，2018(7)：126-132】
但是相机安装后，其安装过程会导致相机平面与相机运动机构末端产生的倾斜角，该倾角对于精密装配的精度，以及装配误差模型建立及补偿也有重要影响。目前对于相机倾斜角的测量与标定尚无有效方法。
发明内容
本发明提供了一种相机倾斜角的测量方法。制作高精度的相机标定板，移动相机驱动机构，使得标定板上的标定图形进入相机视野。沿相机运动的轴线以一定步长移动相机，并拍摄标定板上的标定图形，由于相机的安装存在倾斜角，因此相机视野内左上角，右上角，右下角和左下角图形的清晰度不同，对于所拍摄图像进行处理，可得到相机的倾斜角。
本发明的技术方案：
一种相机倾斜角的测量方法，步骤如下：
(1)将相机安装在驱动机构上，观测工作台上工件的位置、姿态以及几何形貌；
(2)利用标定板来测量相机的倾斜角，将标定板固定在工作台上，调整相机位置，获得清晰的标定板图像；标定板可以是方形的，圆形的或者其他复杂形状，需要有明确的几何要素值。标定板图形采用电子束光刻或其它方法制作，图形尺寸精度优于1微米。
(3)调整相机远离标定板至标定板图像离焦，相机无法得到清晰图像，不清晰的图案中模糊区域的存在像素大于清晰图案的像素；
(4)相机以固定步长靠近标定板，并拍摄记录标定板图像；固定步长S大于驱动机构的最小运动分辨率，同时结合相机可能存在的倾斜角以及相机的视场大小选择；
为了保证拍摄足够数量的照片进行分析，并且两边的标定图案都能依次成像清晰，因此合理的步长S小于镜头景深的
(5)处理拍摄的每一幅标定板图像，以先达到清晰标定板图案的边为基准；继续运动n次后，测量方向的另一边标定板图案清晰，n×S就是倾斜导致的高度差；倾斜角的大小通过来获得。
本发明的效果和益处：该方法的标定板上图形制作精度可以达到1微米，驱动机构的运动分辨率小于1微米，因此标定精度高；针对不同运动范围、不同景深相机的标定，可以改变步长，因此方法适用性强；属于非接触测量，对标定板无损伤；标定后得到的倾斜角可以对于高精度装配系统误差模型建立和补偿算法推导具有实用价值。
附图说明
图1为本发明测量原理图。
图2为标定板。
图中：1工作平台；2标定板；3相机和镜头；4相机安装面；5Z向运动导轨；6导轨底座；7第一列中间点标定图案；8最后一列中间点标定图案；9第一行中间点标定图案；10最后一行中间点标定图案。
具体实施方式
结合技术方案与说明书附图叙述本发明具体实施步骤。
具体实施例中的相机是由X,Y和Z三向导轨驱动，导轨的运动分辨率是1微米。相机的分辨率1280*1024，镜头的景深是0.27mm。b标定板为长宽都是3英寸的矩形板。标定板上的图案，每个黑色填充正方形大小为0.1*0.1mm，正方形的左右和上下间距都为0.1mm，图像的尺寸偏差小于±0.5微米。
第一步，平台1上放置标定板2，将相机和镜头3移动到标定板2上方并可以清楚的看到标定板2上图像。
第二步，驱动Z向运动导轨5，使其远离标定板2，此时相机和镜头中的图像开始模糊，停止Z向运动导轨5的运动。
第三步，驱动Z向运动导轨5，使其靠近标定板2，每移动10微米，拍摄一张标定板的图像。
第四步，利用图像处理软件处理拍摄的每一幅标定板图像，计算第一列中间点标定图案7和最后一列中间点标定图案8的X向像素，由于相机安装面4不水平或者安装的时候有安装误差，导致了相机和镜头3有倾斜角，在最后一列中间点标定图案8得到最小X向像素后，Z向运动导轨5又向下运动了6次，也就是60微米，第一列中间点标定图案7的X向像素才达到最小值，因此相机在X向的倾斜角为
第五步，计算第一行中间点标定图案9和最后一行中间点标定图案10的Y向像素，在第一行中间点标定图案9得到最小Y向像素后，Z向运动导轨5又向下运动了8次，也就是80微米，最后一行中间点标定图案10的Y向像素才达到最小值，因此相机在X向的倾斜角为

Claims (3)

1.一种相机倾斜角的测量方法，其特征在于，步骤如下：
(1)将相机安装在驱动机构上，观测工作台上工件的位置、姿态以及几何形貌；
(2)利用标定板来测量相机的倾斜角，将标定板固定在工作台上，调整相机位置，获得清晰的标定板图像；
(3)调整相机远离标定板至标定板图像离焦，相机无法得到清晰图像；
(4)相机以固定步长靠近标定板，并拍摄记录标定板图像；固定步长S大于驱动机构的最小运动分辨率，同时结合相机可能存在的倾斜角以及相机的视场大小选择；
(5)处理拍摄的每一幅标定板图像，以先达到清晰标定板图案的边为基准；继续运动n次后，测量方向的另一边标定板图案清晰，n×S就是倾斜导致的高度差；倾斜角的大小通过来获得。
2.根据权利要求1所述的相机倾斜角的测量方法，其特征在于，所述的标定板是方形的，圆形的或者其他复杂形状，具有明确的几何要素值。
3.根据权利要求1或2所述的相机倾斜角的测量方法，其特征在于，所述的固定步长S小于镜头景深的
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