CN111024047B - 基于正交双目视觉的六自由度位姿测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正交双目视觉的六自由度位姿测量装置及方法，装置包括支撑平台，两个正交布置的相机以及与相机配套的低倍放大物镜、视觉面光源、相机支架、光源支架，还包括被相机拍摄的位姿传感器和位于位姿传感器下的微调十字平台。其中位姿传感器由三部分组成：高透光率的玻璃基底，固定在基底上的玻璃微球以及加工在玻璃基底上的栅格图案。本发明还公开了该测量装置的使用方法，通过相机记录位姿传感器上微球的三维位移变化，计算出平台的位姿变化。本发明方法结构简单、安装方便，可直接给出被测物体相对位姿的变化，并可以实现高精度实时测量。

Description

基于正交双目视觉的六自由度位姿测量装置及方法

技术领域

本发明属于测试计量技术领域，具体涉及一种基于正交双目视觉的六自由度位姿测量装置及方法。

背景技术

六自由度位姿测量是指利用传感器检测被测物体某些部位的位移、角位移变化信息，通过适当的空间位姿解算及运动学参数转换，把低自由度传感器获取的测量信息转换为高自由被测物体位姿信息，实现被测物体的六自由度空间定位。在众多测量参数中，具有微纳米级精度的六自由度位姿测量技术是最关键的基础技术之一，也是对其他物理特性测量表征的前提和基础。

从测量维度来说，六自由度的超高精度定位系统分为两大类，一是基于一维位移和角位移传感器的测量，二是基于平面和空间位置信息的测量。传统的位移传感器、角度传感器不能进行多维度的测量，导致六自由度测量需要多台设备和复杂的测量流程来完成。在微米尺度精度，光栅尺、电容传感器、编码器也会受限于测量量程，难以完成大范围空间测量；而激光传感器、倾角传感器、激光跟踪仪只能实现单轴或双轴的位移和旋转测量，而这些测量系统易受安装条件和环境因素干扰，很大程度上限制了测量所能实现的精度。

以机器视觉为测量手段对进行六自由度位姿检测，在原理上很大程度上弥补了传统测量手段的不足。图像传感器可以快速稳定地提取物体空间信息，结合被测物体的外形特征进行位姿解算，但是受限于相机测量系统本身的精度。要完成超高精度的精密零部件设计、制造、集成和测试，需要提出一种全新的测量系统，克服传统传感器的不足，并保证工作场景适用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于正交双目视觉的六自由度位姿测量装置及方法，解决传统传感器无法同时给出六自由度测量结果的问题，并且实现亚微米级的位移分辨率和角秒级的角度分辨率。

本发明采用如下技术方案：

基于正交双目视觉的六自由度位姿测量装置，其特征在于，包含以下部分：支撑平台、设置于所述支撑平台上用于固定的相机支架、设置于所述支撑平台用于固定的光源支架，其特征在于，还包括两个正交布置的相机、连接在所述相机上的低倍放大物镜、用于表征平台位姿变化的位姿传感器、位于所述位姿传感器下的微调十字平台以及两个机器视觉面光源。

所述支撑平台特征在于，中心有通光孔；所述支撑平台通过精加工螺纹孔与被测物体固连。

所述微调十字平台，其特征在于，安装在所述支撑平台中心，中心有通光孔，其直径大小与所述支撑平台通光孔相同，且两通光孔共轴；所述微调十字平台运动的XY方向与被测物体固有坐标系的XY方向相同。

所述两个正交布置的相机，其特征在于，一个通过支架固定在所述微调十字平台正上方，其光轴与两通光孔轴线平行；另一个相机通过支架安装在所述支撑平台上表面上；所述正交布置两相机的图像坐标系，在空间中有一对轴方向重合，另一对轴在空间中正交。所述两个正交布置的相机前安装有低倍放大物镜，所述物镜光轴与相机光轴重合。

所述位姿传感器，其特征在于由三部分组成：高透光率的玻璃基底，固定在基底上的玻璃微球以及加工在玻璃基底上的栅格图案。所述玻璃基底安装在所述微调十字平台上，基底平面与所述微调十字平台呈45度角；所述玻璃微球通过无影胶固定在玻璃基底上，不均匀地分布在玻璃基底上；所述栅格图案为等距正交网格，网格横向与物体固有坐标系X方向重合。

所述两个正交布置的相机镜头朝向所述玻璃基底；所述两个机器视觉面光源，分别安装在所述两相机对侧，其发出的光透过位姿传感器经过物镜，再进入相机；所述两相机的视域对应所述玻璃基底的同一部位，且视域中至少包含三个玻璃微球。

基于正交双目视觉的六自由度位姿测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，根据被测物体建立静止坐标系和初始动坐标系。

步骤2，将所述支撑平台安装在被测运动物体上，解除所述微调十字平台和支撑平台的连接，固定所述两相机，调节微调十字平台至所述位姿传感器上的栅格图案出现在两相机上。

步骤3，多次改变微调十字平台的姿态，使两相机得到栅格不同位姿下的图案；基于张氏标定法，分别得到两个安装物镜后的相机内外参数。

步骤4，在所述支撑平台上固定所述微调十字平台，标定此时两相机外参，根据内外参建立两相机图像坐标系到世界坐标系的转换关系。

步骤5，调节微调十字平台使所述两相机获得公共视域，驱动被测平台进行满行程平移、旋转，若此时成像后的微球超出相机视域，则调整所述微调十字平台，使微球靠近被测物体旋转中心，保证成像画面中至少有三个微球。

步骤6，驱动被测物体，利用设计参数正解出被测物体在静止坐标系下的位姿变化；记录所述两相机在物体位姿变化时拍摄的图像。

步骤7，以所述两个相机拍摄的两张图片为一组，提取出画面中三个微球的圆心三维信息，用数值方法解出相机世界坐标系下的位姿变化，对比理论计算求得的位姿，对视觉测量世界坐标系与初始动坐标系之间的关系进行校正。

步骤8，根据上述坐标系校正结果，确定相机视域中的点到静止坐标系之间的三维重建，进而解算出校正后的物体位姿变化。

步骤9，保持所述两相机的持续拍摄，可以对被测物体位姿进行实时测量。

所述两正交相机的成像分别是位姿传感器在XOY平面和YOZ平面的图像的投影，安装引起的角度误差由标定环节补偿；两相机分别提取微球的XY位置信息和YZ位置信息，投影到世界坐标系后合成三维位置信息。

在位姿求解中，共有9个未知数，旋转中心(X₀,Y₀,Z₀)，物体沿初始动坐标系的位移a、b、c,沿静止坐标系x、y、z轴的旋转角α、β、γ，已知量为姿态变化前后三个微球的三维位移，变化前位置分别为(X₁,Y₁,Z₁)、(X₂,Y₂,Z₂)、(X₃,Y₃,Z₃)，变化后位置分别为(X₁’,Y₁’,Z₁’)、(X₂’,Y₂’,Z₂’)、(X₃’,Y₃’,Z₃’)。

被测物体位移、旋转时，对应的三个微球位置变化用向量(ΔX1,ΔY1,ΔZ1,ΔX2,ΔY2,ΔZ2,ΔX3,ΔY3,ΔZ3)表示；

沿X轴平移a，对应变化向量为：(a,0,0,a,0,0,a,0,0)；

沿Y轴平移b，对应变化向量为：(0,b,0,0,b,0,0,b,0)；

沿Z轴平移c，对应变化向量为：(0,0,c,0,0,c,0,0,c)；

沿X轴旋转α，对应变化向量为：(0,(Y₁-Y₀)(cosα-1)+(Z₁-Z₀)sinα,(Z₁-Z₀)(cosα-1)-(Y₁-Y₀)sinα,

0,(Y₂-Y₀)(cosα-1)+(Z₂-Z₀)sinα,(Z₂-Z₀)(cosα-1)-(Y₂-Y₀)sinα,

0,(Y₃-Y₀)(cosα-1)+(Z₃-Z₀)sinα,(Z₃-Z₀)(cosα-1)-(Y₃-Y₀)sinα)；

沿Y轴旋转β，对应变化向量为：((X₁-X₀)(cosβ-1)+(Z₁-Z₀)sinβ,0,(Z₁-Z₀)(cosβ-1)-(X₁-X₀)sinβ,

(X₂-X₀)(cosβ-1)+(Z₂-Z₀)sinβ,0,(Z₂-Z₀)(cosβ-1)-(X₂-X₀)sinβ,

(X₃-X₀)(cosβ-1)+(Z₃-Z₀)sinβ,0,(Z₃-Z₀)(cosβ-1)-(X₃-X₀)sinβ)；

沿Z轴旋转γ，对应变化向量为：((X₁-X₀)(cosγ-1)+(Y₁-Y₀)sinγ,(Y₁-Y₀)(cosγ-1)-(X₁-X₀)sinγ,0,

(X₂-X₀)(cosγ-1)+(Y₂-Y₀)sinγ,(Y₂-Y₀)(cosγ-1)-(X₂-X₀)sinγ,0,

(X₃-X₀)(cosγ-1)+(Y₃-Y₀)sinγ,(Y₃-Y₀)(cosγ-1)-(X₃-X₀)sinγ,0)；

由变化向量可得到九个方程，作为9个未知数的非线性方程组，利用拟牛顿法(Broyden法)可对该线性方程组进行求解，得出位姿变换。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

①以机器视觉为基础，与显微成像相结合，保证亚微米级精度的同时极大地降低了成本；整个测量装置结构简单，方便安装；测量装置作为负载，不影响被测物体运动特性，且在测量过程中对安装误差有补偿校正，具有很强的适应性。②位姿传感器的设计兼顾了标定环节，简化了视觉系统标定环节，并将静止坐标系和测量坐标系之间建立了联系。③将被测物体的六自由度位姿测量转换成三个点的三自由度平移测量，不依赖于旋转不动点的先验条件，降低了安装精度的要求，由于实际上不动点并非真实存在，所以对这部分误差有补偿作用；该数值方法求解过程中，非线性方程组的格式非常简约，只引入了三角函数这一非线性函数。④根据微球成像定位具有很强的鲁棒性，对环境噪声不敏感，可以实现高带宽的实时测量。

附图说明

图1为本发明基于正交双目视觉的六自由度位姿测量装置的结构示意图；

图2为本发明中位姿传感器的结构示意图；

图3为本发明基于正交双目视觉的六自由度位姿测量装置安装在典型六自由度并联平台上的示意图；

图4为实施例中被测平台与位姿传感器中的坐标系示意图；

图5为实施例中六自由度并联平台位姿测量方法流程图。

附图标记：1-支撑平台，2-侧视相机物镜，3-俯视相机物镜，4-俯视相机，5-俯视相机支架，6-位姿传感器，7-侧视相机光源支架，8-微调十字平台，9-侧视相机光源，10-侧视相机支架，11-俯视相机光源支架，12-俯视相机光源，13-侧视相机，21-玻璃基底，22-透明微球组，23-栅格图案，24-固定螺纹孔，31-位姿测量装置，32-动平台，33-上平台虎克铰，34-驱动致动器，35-下平台虎克铰，36-静平台，。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明所提供的的测量装置结构示意图。支撑平台1中心有通光孔，通过精加工螺纹孔与被测静平台固连。微调十字平台8安装在支撑平台1中心，中心也有通光孔，且两通光孔共轴。位姿传感器6通过螺栓安装在微调十字平台8上。俯视相机4、俯视相机支架5、俯视相机物镜3、俯视相机光源支架11、俯视相机光源12为一组，用于获得位姿传感器6的XOY平面信息；侧视相机13、侧视相机支架10、侧视相机物镜3、侧视相机光源支架7、侧视相机光源9为一组，用于获得位姿传感器6的YOZ平面信息。在实施例中，相机像素为尺寸为3296×2472，像素单元大小5.5μm，最大像素时采集频率为250hz。

图2给出图1中位姿传感器6的结构，由三部分组成：高透光率的玻璃基底21，固定在基底上的透明微球组22以及加工在玻璃基底21上的栅格图案23。所述玻璃基底21有固定螺纹孔24，可通过螺钉安装在图2所述微调十字平台2上，基底平面与所述微调十字平台2呈45度角。玻璃微球组22通过无影胶固定在玻璃基底21上，不均与地分布在玻璃基底上。栅格图案23为等距正交网格。实施例中，微球直径约105μm～125μm；栅格尺寸为100μm×100μm。

图3为本发明所提供基于正交双目视觉的六自由度位姿测量装置实施例，包含一种典型的六自由度并联平台，包括动平台32，静平台36，六个驱动致动器34，六个上平台虎克铰33,六个下平台虎克铰35。其中动平台外切圆直径为500mm，驱动致动器初始长度为290mm；动平台XY向平移范围为±2mm，Z向平移范围±1mm，三轴旋转范围±1°。本发明所提供的一种相机正交布置的六自由度并联平台位姿测量装置31可直接安装在动平台32上，通过螺栓固连。

图4为实施例中被测平台与位姿传感器中的坐标系示意图，O-X₀Y₀Z₀为静平台坐标系，O₁-X₁Y₁Z₁为动平台初始坐标系，O₂-X₂Y₂Z₂为位姿传感器坐标系。实施例中，静平台坐标系固定在图3静平台36上，和初始动平台坐标系一同由被测平台设计参数决定；而位姿传感器坐标系由图2中栅格图案23中的网格方向决定。所述栅格图案23是标定过程中的靶标图案，故视觉测量系统的世界坐标系建立在栅格图案23的网格上。由此，位姿传感器坐标系和动平台坐标系可由栅格图案在玻璃基底21上的位置参数建立起联系。

图5为本发明在实施例中的测量方法流程图。该工作流程针对图3进行解释：

步骤1，如图4所示，建立基本的静、动平台坐标系；

步骤2，通过螺栓连接测量装置31与被测平台，粗估动平台32运动范围，防止相机支架等与平台发生干涉；根据位姿传感器安装情况建立位姿传感器坐标系；

步骤3，利用位姿传感器上的栅格图案，借助张氏标定法进行标定；此时微调十字平台不固定，可以任意移动、旋转位姿传感器，使得两相机拍摄到不同位姿下的栅格图案，然后进行角点识别；输入角点对应真实物理坐标(位姿传感器坐标系)，即可借助标定工具箱完成相机加装物镜后的内外参标定；

步骤4，根据标定的重投影误差决定是否需要优化此过程中的镜头畸变标定；

步骤5，固定后微调十字平台后重新标定两相机外参，根据两相机之间的位置关系，可以将俯视相机的XY平面信息与侧视相机的YZ平面信息重建到位姿传感器坐标系下，从而得到被测点的三维位置信息；

步骤6，开环控制驱动致动器34，记录每次给出指令的数值，根据驱动致动器34的位移正解动平台位姿；

步骤7，通过相机测量微球图像，得到变化前位置分别为(X₁,Y₁,Z₁)、(X₂,Y₂,Z₂)、(X₃,Y₃,Z₃)，变化后位置分别为(X₁’,Y₁’,Z₁’)、(X₂’,Y₂’,Z₂’)、(X₃’,Y₃’,Z₃’)。由此可以建立拟牛顿法(Broyden法)进行非线性方程求解的九个方程：

a'+[(X₁-X₀)(cosβ'-1)+(Z₁-Z₀)sinβ']+[(X₁-X₀)(cosγ'-1)+(Y₁-Y₀)sinγ']＝X₁'-X₁ (1)

b'+[(Y₁-Y₀)(cosα'-1)+(Z₁-Z₀)sinα']+[(Y₁-Y₀) (cosγ'-1)-(X₁-X₀)sinγ']＝Y₁'-Y₁ (2)

c'+[(Z₁-Z₀)(cosα'-1)-(Y₁-Y₀)sinα']+[(Z₁-Z₀)(cosβ'-1)-(X₁-X₀)sinβ']＝Z₁'-Z₁ (3)

a'+[(X₂-X₀)(cosβ'-1)+(Z₂-Z₀)sinβ']+[(X₂-X₀)(cosγ'-1)+(Y₂-Y₀)sinγ']＝X₂'-X₂ (4)

b'+[(Y₂-Y₀)(cosα'-1)+(Z₂-Z₀)sinα']+[(Y₂-Y₀)(cosγ'-1)-(X₂-X₀)sinγ']＝Y₂'-Y₂ (5)

c'+[(Z₂-Z₀)(cosα'-1)-(Y₂-Y₀)sinα']+[(Z₂-Z₀)(cosβ'-1)-(X₂-X₀)sinβ']＝Z₂'-Z₂ (6)

a'+[(X₃-X₀)(cosβ'-1)+(Z₃-Z₀)sinβ']+[(X₃-X₀)(cosγ'-1)+(Y₃-Y₀)sinγ']＝X₃'-X₃ (7)

b'+[(Y₃-Y₀)(cosα'-1)+(Z₃-Z₀)sinα']+[(Y₃-Y₀)(cosγ'-1)-(X₃-X₀)sinγ']＝Y₃'-Y₃ (8)

c'+[(Z₃-Z₀)(cosα'-1)-(Y₃-Y₀)sinα']+[(Z₃-Z₀)(cosβ'-1)-(X₃-X₀)sinβ']＝Z₃'-Z₃ (9)

式中，a’、b’、c’是动平台32(位姿传感器)沿位姿传感器坐标系的位移，α’、β’、γ’是动平台32(位姿传感器)沿位姿传感器坐标系x、y、z轴的旋转角。该方程组解出的是位姿传感器坐标系下的位姿变化，而位姿传感器坐标轴和动平台初始坐标轴不重合，二者之间的关系可用旋转矩阵表示，从而将位姿传感器位姿变化转换成动平台位姿变化；

步骤8，比对步骤7中的两组位姿测量结果，用最小二乘方法拟合校正后的动平台初始坐标系，使两组测量结果之间的差最小；

步骤9，根据实际测量精度需求，选择性重复步骤8，使理论控制值与实际测量值尽可能相同；

步骤10，保持相机对被测动平台32上位姿传感器的拍摄，即可实时获得被测平台的位姿变化。

本发明实施方案公开如上，但其并不仅限于实时例中的使用形式，因此在不被权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节与实施例中出示的图例。

Claims (4)

1.基于正交双目视觉的六自由度位姿测量装置，包括支撑平台、设置于所述支撑平台上用于固定的相机支架、设置于所述支撑平台用于固定的光源支架，其特征在于，还包括两个正交布置的相机、分别连接在所述两个相机上的低倍放大物镜、用于表征平台位姿变化的位姿传感器、位于所述位姿传感器下的微调十字平台以及两个机器视觉面光源；所述支撑平台中心有通光孔；所述支撑平台通过精加工螺纹孔与被测动平台固连；所述微调十字平台安装在所述支撑平台中心，中心有通光孔，其直径大小与所述支撑平台通光孔相同，且两通光孔共轴；所述微调十字平台运动的XY方向与被测物体固有坐标系的XY方向相同；所述的两个正交布置的相机，一个通过支架固定在所述微调十字平台正上方，其光轴与两通光孔轴线平行；另一个相机通过支架安装在所述支撑平台上表面上；所述正交布置两相机的图像坐标系，在空间中有一对轴方向重合，另一对轴在空间中正交；所述位姿传感器的基底平面与所述微调十字平台呈45度角。

2.根据权利要求1所述的基于正交双目视觉的六自由度位姿测量装置，其特征在于，两个正交布置的相机前分别安装有低倍放大物镜，物镜的光轴分别与两个相机的光轴重合。

3.根据权利要求1所述的基于正交双目视觉的六自由度位姿测量装置，其特征在于，位姿传感器由三部分组成：高透光率的玻璃基底，固定在基底上的玻璃微球以及加工在玻璃基底上的栅格图案；所述玻璃基底安装在所述微调十字平台上；所述玻璃微球通过无影胶固定在玻璃基底上，不均匀地分布在玻璃基底上；所述栅格图案为等距正交网格，网格横向与物体固有坐标系X方向重合；所述两个正交布置的相机物镜朝向所述玻璃基底，公共视域为所述玻璃基底的同一部位，且公共视域中至少包含三个玻璃微球；所述两个机器视觉面光源，分别安装在所述两相机对侧，其发出的光透过位姿传感器经过物镜，再进入相机。

4.基于权利要求1-3任意一项所述的正交双目视觉六自由度位姿测量装置的位姿测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，根据被测物体建立静止坐标系和初始动坐标系；

步骤2，将支撑平台安装在被测物体上，解除微调十字平台和支撑平台的连接，固定两正交布置的相机，调节微调十字平台至位姿传感器上的栅格图案出现在两相机上；

步骤3，多次改变微调十字平台的姿态，使两相机得到栅格不同位姿下的图案；基于张氏标定法，分别得到两个安装物镜后的相机内外参数；

步骤4，在所述支撑平台上固定所述微调十字平台，标定此时两相机外参，根据内外参建立两相机图像坐标系到世界坐标系的转换关系；

步骤5，调节微调十字平台使所述两相机获得公共视域，驱动被测物体进行满行程平移、旋转，若此时成像后的微球超出相机视域，则调整所述微调十字平台，使微球靠近被测物体旋转中心，保证成像画面中至少有三个微球；

步骤6，驱动被测物体，利用设计参数正解出被测物体在静止坐标系下的位姿变化；记录所述两相机在物体位姿变化时拍摄的图像；

步骤7，以所述两个相机拍摄的两张图片为一组，提取出画面中三个微球的圆心三维信息，用数值方法解出相机世界坐标系下的位姿变化，对比理论计算求得的位姿，对视觉测量世界坐标系与初始动坐标系之间的关系进行校正；

步骤8，根据上述坐标系校正结果，确定相机视域中的点到静止坐标系之间的三维重建，进而解算出校正后的物体位姿变化；

步骤9，保持所述两相机的持续拍摄，对被测物体位姿进行实时测量。

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