CN112082481B - 用于检测螺纹特征的视觉检测系统的精度评价方法 - Google Patents

用于检测螺纹特征的视觉检测系统的精度评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于检测螺纹特征的视觉检测系统的精度评价方法，其利用标准件进行评价，标准件包括底座和垂直设置于底座上的柱体，柱体分为两段，分别标记为柱体I和柱体II；柱体I表面设有外螺纹，柱体II外表面光滑；柱体I和柱体II同轴；预先利用标准测量仪器获取底座上表面的平面方程、标准坐标和标准夹角；再利用待评价的视觉检测系统获取柱体I段对应的测量坐标、测量夹角；根据位置偏差和角度偏差的大小分析待评价视觉检测系统的精度是否满足要求；本方法采用标准件，标准仪器和待评价视觉检测系统同步获取中轴线，适用于对高精度检测设备的精度评价。

Description

用于检测螺纹特征的视觉检测系统的精度评价方法
技术领域
本发明涉及视觉检测领域，具体涉及一种用于检测螺纹特征的视觉检测系统的精度评价方法。
背景技术
在工业制造、建筑领域中有多个场景需使用含螺纹目标物进行联接、传动或者密闭，含螺纹目标物的位姿对后续工序有重大影响，因此需要检测螺纹特征、准确获取被测含螺纹目标物的位姿(位置、倾斜角)是否合规，目前智能化的检测系统有：1)三维扫描视觉测量系统、2)线激光视觉测量系统和3)双目立体视觉测量系统；由于市场上视觉测量系统的质量良莠不齐，所以在正式投入检测过程之前，需要事先评估视觉测量系统的检测精度，现有精度评价方法为采用标准球作为待测物，利用其理论球心或标准仪器测得球心作为基准值，再利用待评价视觉测量系统获得测量值，以此评价精度，可是，标准球等目标物，并不具备螺柱自身的特点，如螺纹特征具有高反光、外形复杂、三维点坐标获取困难的特点，该方式得出的精度验证，容易发生视觉系统标称精度高但螺柱特征测量精度低现象，无法满足高精度验证的要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种针对螺纹特征的视觉检测系统精度评价方法，本方法中采用的标准件设有柱体I，其设计尺寸螺纹特征可完全等比例还原实测螺纹特征，并兼具了光滑表面的柱体II，该标准件能够被标准仪器和待评价视觉检测系统同步获取中轴线，此外，在视觉检测系统测量标准件时，可根据预先获知的实际待测螺柱位姿状态，设计标准件的多组位姿，并设置每个位姿的权重，得出评价值，该过程能够真实还原实测环境，因此其评价精度优于现有的精度评价方法，更加适用于对高精度检测设备的精度验证。
具体技术方案如下：
一种用于检测螺纹特征的视觉检测系统的精度评价方法，其利用标准件进行评价，所述标准件包括底座和垂直设置于底座上的柱体，所述柱体分为两段，分别标记为柱体I和柱体II；所述柱体I表面设有外螺纹，所述柱体II外表面光滑；所述柱体I和柱体II同轴；
预先利用标准测量仪器获取底座上表面的平面方程、标准坐标和标准夹角；所述标准坐标为：柱体II的中轴线与底座上表面的交点坐标；所述标准夹角为：柱体II的中轴线与底座上表面法向量之间的夹角；
所述精度评价方法的步骤如下：
1)利用待评价的视觉检测系统获取柱体I段外表面点云数据，利用点云数据拟合筒体，得到中轴线L2；
利用待评价的视觉检测系统获取底座上表面点云数据，拟合平面，得到实测底座上表面的平面方程；
2)计算中轴线L2与实测底座上表面的平面方程的交点坐标，以及中轴线L2与实测底座上表面的法向量之间的夹角，并分别记为测量坐标、测量夹角；
3)分别计算标准坐标和测量坐标之间的位置偏差、标准夹角和测量夹角之间的角度偏差，根据位置偏差和角度偏差的大小分析待评价视觉检测系统的精度是否满足要求。
进一步，所述标准测量仪器为三坐标机、关节臂式测量机、激光跟踪仪或经纬仪。
进一步，预先利用标准测量仪器获取底座上表面的平面方程、标准坐标和标准夹角的方法为：
①分别测量底座上表面的多个点A和柱体II外表面不同高度的多个点B，获得点A和点B的三维坐标；
②利用各点A的三维坐标拟合得到底座上表面的平面方程、通过各点B的三维坐标拟合得到柱体II的中轴线L1；
③计算中轴线L1与底座上表面的交点坐标，以及中轴线L1与底座上表面法向之间夹角，分别记为标准坐标、标准夹角。
为了使得评价方法更具普适性，进一步，测试时所述标准件在视觉检测系统的视场内按照如下规则移动，然后在每种状态下分别执行步骤1)～3)：
将视觉检测系统的视场范围看作一个正方体，标准件的位置为：八个顶点和中心位置；在每个位置，标准件正向测试完后再向前/后/左/右中的任意三个方向旋转10～45°，分别测试。
进一步，在不同位置得到的与标准坐标、标准夹角之间的偏差值分别乘以对应位置的权重后求得的结果与预设值比较，判断待评价的视觉检测系统是否满足精度要求：
其中：中心位置得到的测试结果所占权重为0.6～0.9，其余八个顶点得到的测试结果的权重与中心位置得到测试结果的权重的和为1；
八个顶点和中心位置中，标准件未旋转时得到的测试结果所占权重为0.3～0.4，旋转后各位置得到的测试结果的权重与未旋转时各测试结果的权重之和为1。
优选，八个顶点测试结果所占权重相同；
在八个顶点和中心位置上，旋转后各位置得到的测试结果的权重相同。
进一步，待评价视觉检测系统为：三维扫描视觉检测系统、线结构光视觉检测系统或者双目立体视觉检测系统；
所述三维扫描视觉检测系统包括相机和投影仪，所述投影仪向标准件上的柱体I投射光栅条纹，相机采集被调制的条纹图像，获取柱体I侧表面的三维点云，再拟合出中轴线L2；
所述线结构光视觉检测系统包括相机和线激光器，所述线激光器向标准件上的柱体I投射线结构光，相机采集被调制的线结构光图像，获取柱体I侧表面上至少3个不共线点的三维坐标，再拟合出中轴线L2；
所述双目立体视觉检测系统中的双目相机同时采集柱体I侧表面图像，获取至少3个不共线的点的三维坐标，再拟合出中轴线L2。
进一步，所述标准件的底座上设有三个或四个孔，用于辅助建立坐标系；选择两个在同一直线上的孔及另一垂直于此直线的孔作为建系基准孔，获取建系基准孔点云数据，拟合筒形得到轴线；获取底座上表面的点云，利用最小二乘法拟合平面方程；将三个基准孔的轴线与底座上表面的平面方程的交点为建系基准点，建立坐标系。
进一步，步骤3)根据位置偏差和角度偏差的大小分析待评价视觉检测系统的精度是否满足要求的方法为：最大可允许误差法或加权均方根误差法。
使用本发明提供的螺纹特征视觉检测系统精度评价方法，标准件最少只需摆放一个位置，即可评价视觉检测系统测量螺纹特征的精度，也可以根据需求，设置标准件在空间中的多个位姿，通过多位姿测量值获取，并匹配权重值的方式，能够更加贴近实际检测过程，使得评估结果可信度更高，评价方法更具普适性，筛选出更加符合测量要求的视觉检测系统；整个过程可操作性强，计算量小，方便、快捷。
附图说明
图1为具体实施方式中标准件结构示意图；
图2为具体实施方式中对标准件建立坐标系示意图；
图3为具体实施方式中标准件在空间中摆放的八个顶点和中心位置示意图；
图4为具体实施方式中在标准件单个测量位置旋转示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
一种用于检测螺纹特征的视觉检测系统的精度评价方法，其利用标准件进行评价，如图1所示，标准件包括底座和垂直设置于底座上的柱体，柱体分为两段，分别标记为柱体I和柱体II；柱体I表面设有外螺纹，柱体II外表面光滑；工件设计时，柱体I和柱体II的直径可以不相同，但二者需要同轴设计；
预先利用标准测量仪器获取底座上表面的平面方程、标准坐标和标准夹角；标准坐标为：柱体II的中轴线与底座上表面的交点坐标；标准夹角为：柱体II的中轴线与底座上表面法向量之间的夹角；
精度评价方法的步骤如下：
1)利用待评价的视觉检测系统获取柱体I段外表面点云数据，利用点云数据拟合筒体，得到中轴线L2；
利用待评价的视觉检测系统获取底座上表面点云数据，拟合平面，得到实测底座上表面的平面方程；
2)计算中轴线L2与实测底座上表面的平面方程的交点坐标，以及中轴线L2与实测底座上表面的法向量之间的夹角，并分别记为测量坐标、测量夹角；
3)分别计算标准坐标和测量坐标之间的位置偏差、标准夹角和测量夹角之间的角度偏差，根据位置偏差和角度偏差的大小分析待评价视觉检测系统的精度是否满足要求。
其中，标准测量仪器可选用：三坐标机、关节臂式测量机、激光跟踪仪或经纬仪。
具体的，预先利用标准测量仪器获取底座上表面的平面方程、标准坐标和标准夹角的方法为：
①分别测量底座上表面的多个点A和柱体II外表面(如图2)不同高度的多个点B，获得点A和点B的三维坐标；
②利用各点A的三维坐标拟合得到底座上表面的平面方程、通过各点B的三维坐标拟合得到柱体II的中轴线L1；
③计算中轴线L1与底座上表面的交点坐标，以及中轴线L1与底座上表面法向之间夹角，分别记为标准坐标、标准夹角。
为了使得评价方法更具普适性，本实施例中，测试时标准件在视觉检测系统的视场内按照如下规则移动，然后在每种状态下分别执行步骤1)～3)：
如图3所示，将视觉检测系统的视场范围看作一个正方体，标准件的位置为：八个顶点和中心位置；在每个位置，如图4，标准件正向测试完后再向前/后/左/右中的任意三个方向旋转10～45°，分别测试。
计算时，在不同位置得到的与标准坐标、标准夹角之间的偏差值分别乘以对应位置的权重后求得的结果与预设值比较，判断待评价的视觉检测系统是否满足精度要求：
其中：中心位置得到的测试结果所占权重为0.6～0.9，其余八个顶点得到的测试结果的权重与中心位置得到测试结果的权重的和为1；
八个顶点和中心位置中，标准件未旋转时得到的测试结果所占权重为0.3～0.4，旋转后各位置得到的测试结果的权重与未旋转时各测试结果的权重之和为1。
作为一种优选的实施方式，八个顶点测试结果所占权重相同；
在八个顶点和中心位置上，旋转后各位置得到的测试结果的权重相同。
如：设置中心位置得到的测试结果所占权重为0.6，其余八个顶点得到的测试结果的权重分别为0.05；
八个顶点和中心位置中，标准件未旋转时得到的测试结果所占权重为0.4，在单个位置标准件旋转3次，分别为：向前、左、右三个方向旋转45°，其各自得到的测试结果的权重为0.2。
具体的，步骤3)根据位置偏差和角度偏差的大小分析待评价视觉检测系统的精度是否满足要求的方法为：最大可允许误差法或加权均方根误差法。
其中，最大可允许误差法指任意位置或姿态的评价值均不超过预设阈值方视为合理；
加权均方根误差法指通过加权均方根方式计算评价值，评价值不超过预设值即视为合理，其具体计算如下：
位置评价值W：
Figure BDA0002673046590000071
角度评价值R:
Figure BDA0002673046590000081
i代表标准件在视场内摆放的第几个位置；M代表标准件在视场内摆放的位置总个数，本实施例中，M＝9(如图3：八个顶点+中心位置)；
j代表标准件在第i个位置的第几姿态，N代表标准件在某一位置旋转前后不同姿态的测试次数，本实施例中，N＝4(如图4：标准件不旋转+不同方向旋转3次)；
Pij代表标准件在视场不同位置不同姿态时的权重；
θij代表标准件在视场不同位置不同姿态时角度测量值；
θt标准夹角值；
(xij，yij)为测量位置的坐标，(xt，yt)为标准位置的坐标。
为了便于解算，如图2所示，标准件的底座上设有三个或四个孔，用于辅助建立坐标系；选择两个在同一直线上的孔及另一垂直于此直线的孔作为建系基准孔，获取建系基准孔点云数据，拟合筒形得到轴线；获取底座上表面的点云，利用最小二乘法拟合平面方程；将三个基准孔的轴线与底座上表面的平面方程的交点为建系基准点，建立坐标系。
本评价方法可用于评价的视觉检测系统为：三维扫描视觉检测系统、线结构光视觉检测系统或者双目立体视觉检测系统；
具体的：三维扫描视觉检测系统包括相机和投影仪，投影仪向标准件上的柱体I投射光栅条纹，相机采集被调制的条纹图像，获取柱体I侧表面的三维点云，再拟合出中轴线L2；
线结构光视觉检测系统包括相机和线激光器，线激光器向标准件上的柱体I投射线结构光，相机采集被调制的线结构光图像，获取柱体I侧表面上至少3个不共线点的三维坐标，再拟合出中轴线L2；
双目立体视觉检测系统中的双目相机同时采集柱体I侧表面图像，获取至少3个不共线的点的三维坐标，再拟合出中轴线L2。
本方法适用于对高精度视觉检测设备的精度评价、验证。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (7)

1.一种用于检测螺纹特征的视觉检测系统的精度评价方法，其特征在于：
利用标准件进行评价，所述标准件包括底座和垂直设置于底座上的柱体，所述柱体分为两段，分别标记为柱体I和柱体II；所述柱体I表面设有外螺纹，所述柱体II外表面光滑；所述柱体I和柱体II同轴；
预先利用标准测量仪器获取底座上表面的平面方程、标准坐标和标准夹角；所述标准坐标为：柱体II的中轴线与底座上表面的交点坐标；所述标准夹角为：柱体II的中轴线与底座上表面法向量之间的夹角；
所述精度评价方法的步骤如下：
1)利用待评价的视觉检测系统获取柱体I段外表面点云数据，利用点云数据拟合筒体，得到中轴线L2；
利用待评价的视觉检测系统获取底座上表面点云数据，拟合平面，得到实测底座上表面的平面方程；
2)计算中轴线L2与实测底座上表面的平面方程的交点坐标，以及中轴线L2与实测底座上表面的法向量之间的夹角，并分别记为测量坐标、测量夹角；
3)分别计算标准坐标和测量坐标之间的位置偏差、标准夹角和测量夹角之间的角度偏差，根据位置偏差和角度偏差的大小分析待评价视觉检测系统的精度是否满足要求；
测试时所述标准件在视觉检测系统的视场内按照如下规则移动，然后在每种状态下分别执行步骤1)～3)：
将视觉检测系统的视场范围看作一个正方体，标准件的位置为：八个顶点和中心位置；在每个位置，标准件正向测试完后再向前/后/左/右中的任意三个方向旋转10～45°，分别测试；
在不同位置得到的与标准坐标、标准夹角之间的偏差值分别乘以对应位置的权重后求得的结果与预设值比较，判断待评价的视觉检测系统是否满足精度要求：
其中：中心位置得到的测试结果所占权重为0.6～0.9，其余八个顶点得到的测试结果的权重与中心位置得到测试结果的权重的和为1；
八个顶点和中心位置中，标准件未旋转时得到的测试结果所占权重为0.3～0.4，旋转后各位置得到的测试结果的权重与未旋转时各测试结果的权重之和为1。
2.如权利要求1所述精度评价方法，其特征在于：所述标准测量仪器为三坐标机、关节臂式测量机、激光跟踪仪或经纬仪。
3.如权利要求1所述精度评价方法，其特征在于：预先利用标准测量仪器获取底座上表面的平面方程、标准坐标和标准夹角的方法为：
①分别测量底座上表面的多个点A和柱体II外表面不同高度的多个点B，获得点A和点B的三维坐标；
②利用各点A的三维坐标拟合得到底座上表面的平面方程、通过各点B的三维坐标拟合得到柱体II的中轴线L1；
③计算中轴线L1与底座上表面的交点坐标，以及中轴线L1与底座上表面法向之间夹角，分别记为标准坐标、标准夹角。
4.如权利要求1所述精度评价方法，其特征在于：八个顶点测试结果所占权重相同；
在八个顶点和中心位置上，旋转后各位置得到的测试结果的权重相同。
5.如权利要求1所述评价方法，其特征在于：待评价视觉检测系统为：三维扫描视觉检测系统、线结构光视觉检测系统或者双目立体视觉检测系统；
所述三维扫描视觉检测系统包括相机和投影仪，所述投影仪向标准件上的柱体I投射光栅条纹，相机采集被调制的条纹图像，获取柱体I侧表面的三维点云，再拟合出中轴线L2；
所述线结构光视觉检测系统包括相机和线激光器，所述线激光器向标准件上的柱体I投射线结构光，相机采集被调制的线结构光图像，获取柱体I侧表面上至少3个不共线点的三维坐标，再拟合出中轴线L2；
所述双目立体视觉检测系统中的双目相机同时采集柱体I侧表面图像，获取至少3个不共线的点的三维坐标，再拟合出中轴线L2。
6.如权利要求1所述评价方法，其特征在于：所述标准件的底座上设有三个或四个孔，用于辅助建立坐标系；选择两个在同一直线上的孔及另一垂直于此直线的孔作为建系基准孔，获取建系基准孔点云数据，拟合筒形得到轴线；获取底座上表面的点云，利用最小二乘法拟合平面方程；将三个基准孔的轴线与底座上表面的平面方程的交点为建系基准点，建立坐标系。
7.如权利要求1所述评价方法，其特征在于：步骤3)根据位置偏差和角度偏差的大小分析待评价视觉检测系统的精度是否满足要求的方法为：最大可允许误差法或加权均方根误差法。
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