CN112797956B - 一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量方法及装置，包括以下步骤：S1、将被测件放置于多自由度运动平台上，移动运动测量装置与运动平台相配合；S2、打开运动测量装置顶端的光条发射器，通过运动测量装置顶端多面镜及两侧面的平面镜进行反射，使得光条投射与被测件的顶部及周围面上；S3、通过测量装置顶端及两侧端的摄像头捕捉被测件顶部、左右两侧反射的光条图像，以使得被测件顶部和两侧围图像实现了同步全息；S4、将图像数据通过数据采集系统传至工控机，所述工控机进行图像分析与位姿解算，完成对被测件的位姿测量。根据本发明，装置可针对可变狭长柔性部件比如可变车端等进行调整相机和光条发射机位置，调节方便。

Description

一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量方法及装置

技术领域

本发明涉及视觉测量的技术领域，特别涉及一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置。

背景技术

随着列车提速，轨道车辆的相邻车端部分尤其在列车通过曲线、道岔及变坡点时的相对运动非常剧烈，车端各部件在运动过程中的干涉与疲劳等极大地影响了轨道车辆的安全性，甚至造成脱轨等安全事故。其次由于涡流导致的车端外风挡阻力占全车阻力较大，这对动车组的风挡设计技术提出了更高要求。而上述问题的技术难题，均提到了一个共同点——位姿测量。通过对车端各部件的位姿测量能够准确得到在极限工况下的车端相对运动各部件的干涉以及疲劳参数。通过对车端外风挡的外形尺寸测量，可为风挡外形设计技术提供前瞻性数据支撑。

如今，位姿测量技术广泛的应用在军事、航空航天、交通等领域中大型装备以及精密仪器的测量。目前三维动态视觉检测方法中主要运用结构光视觉检测法，根据光投影的形式不同分为点结构光法、线结构光法、光栅结构光法及编码结构光法四大类。专利“基于编码结构光的高速运动目标位姿测量方法”(发明专利，刘巍，20150921)中提出了用彩色投影仪向测量区域投射含有编码信息的彩色栅线，并用高速相机连续拍摄，反推出高速运动物体的三维动态形貌，最终确定高速运动物体的位姿，但由于采用了结构光作为位姿测量的光源，其产生的光斑容易受到环境光的干扰。专利“高精度大视场机器视觉测量与标定装置及方法”(发明专利，夏红伟，201901)针对多相机视场，但未针对被测件为狭长柔性装置。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置，装置可针对可变狭长柔性部件比如可变车端等进行调整相机和光条发射机位置，调节方便。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量方法，包括以下步骤：S1、将被测件放置于多自由度运动平台上，移动运动测量装置与运动平台相配合；

S2、打开运动测量装置顶端的光条发射器，通过运动测量装置顶端多面镜及两侧面的平面镜进行反射，使得光条投射与被测件的顶部及周围面上；

S3、通过测量装置顶端及两侧端的摄像头捕捉被测件顶部、左右两侧反射的光条图像，以使得被测件顶部和两侧围图像实现了同步全息；

S4、将图像数据通过数据采集系统传至工控机，所述工控机进行图像分析与位姿解算，完成对被测件的位姿测量。

优选的，所述步骤S1包括：当对静止的被测件测量时，运动平台处于静止状态；当运动被测件进行测量时，被测件为可变狭长柔性部件，通过液压驱动运动平台带动被测件运动或者被测件通过被动牵连运动。

优选的，还包括：判断被测件的顶端与两侧面的光条反射情况，光条反射不满足需求时调整摄像头的位置；当摄像头捕捉的光条不满足需求时，通过调整摄像头的高度以及角度，以最大程度捕获到图像。

一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置，包括：龙门支架，所述龙门支架包括第一支撑架及分别固接于所述第一支撑架两端的第二支撑架与第三支撑架，所述第一支撑架上固接有顶端测量机构，所述第二支撑架与第三支撑架上分别固接有第一侧围测量机构与第二侧围测量机构，所述顶端测量机构用于测量狭长柔性部件正上方的位姿，所述第一侧围测量机构与第二侧围测量机构分别用于测量狭长柔性部件侧面的位姿。

优选的，所述第一支撑架、第二支撑架及第三支撑架上均固接有滑轨，且所述第一支撑架、第二支撑架及第三支撑架上分别固接有第一丝杆、第二丝杆及第三丝杆，所述顶端测量机构、第一侧围测量机构及第二侧围测量机构分别与第一丝杆、第二丝杆及第三丝杆螺纹连接。

优选的，所述顶端测量机构包括第一连接块、固定于所述第一连接块上的第一电机及分别固定于所述第一连接块两端的第一L型杆与第二L型杆，所述第一L型杆与第二L型杆上分别螺纹连接吧有第一转动摄像组件。

优选的，所述第一连接块的正下方螺纹连接有等腰梯形多面镜，且所述第一L型杆与第二L型杆上固接有U型弧形件，所述U型弧形件螺纹连接有光条发射器。

优选的，所述第一侧围测量机构与第二侧围测量机构结构相同且关于第一支撑架对称设置，所述第一侧围测量机构包括第二连接块、固定于所述第二连接块上的第二电机及分别固定于所述第二连接块两端的第一弧形固定杆与第二弧形固定杆，所述第一弧形固定杆与第二弧形固定杆上分别设置有第二转动摄像组件，所述第二连接块上与第二电机相邻的一侧上固接有平面镜。

优选的，所述第一转动摄像组件与第二转动摄像组件的结构相同，所述第一转动摄像组件包括第一固定件、与所述第一固定件插接的第二固定件及与所述第二固定件转动连接的相机，所述第一固定件与第一L型杆螺纹连接。

优选的，所述第一固定件一端开设有螺纹孔，另一端开设有插销孔，所述螺纹孔中螺纹连接有第一L型杆，所述第二固定件一端设置有插销，另一端设置有凹槽，所述凹槽相对的两侧壁上分别开设有连接孔，所述插销与第一固定件上的插销孔相匹配，所述凹槽中转动连接有相机固定块，所述相机固定块上固接有相机。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)通过本发明装置采用光路反射机构结合计算机视觉为非接触式测量，且自带的光条发射器的光源尽可能避免了周围环境光的影响，抗干扰能力强，降低了测量误差。

(2)本发明装置采用顶端测量机构、第一侧围测量机构及第二侧围测量机构三套双目视觉测量装置，可实现被测狭长部件的全息位姿测量。此外，可将被测狭长部件布置在运动试验台上实现被测件的实时动态测量。

(3)本发明装置不仅可借助纵向滑轨整体移动龙门支架，而且第一侧围测量机构及第二侧围测量机构也可进行高低调整，且所有相机均设计转动功能。因此能够便捷测量各种不同结构尺寸的被测运动部件，提高了测量效率。

(4)本发明装置采用结构紧凑的组装构件，可针对不同规格的被测部件自动调整测量机构位置，测量装置适用性更强。且丝杠传动具有自锁性，能有效防止测量过程中测量装置出现滑移，保证了测量装置的可靠性与测量准确性。

附图说明

图1为根据本发明的基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置的三维结构示意图；

图2为根据本发明的基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置的顶端测量机构的三维结构示意图；

图3为根据本发明的基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置的第一侧围测量机构的三维结构示意图；

图4为根据本发明的基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置的第一转动摄像组件三维结构示意图；

图5为根据本发明的基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置的一实施例的三维结构示意图。

图中：1.狭长柔性部件；2.龙门支架；3.顶端测量机构；4.第一侧围测量机构；5.第二侧围测量机构；；16.车端风挡；17.端墙31.第一连接块；32.第一电机；33.第一L型杆；34.第二L型杆；35.第一转动摄像组件；36.等腰梯形多面镜；37.U型弧形件；38.光条发射器；41.第二连接块；42.第二电机；43.第一弧形固定杆；44.第二弧形固定杆；45.平面镜；351.第一固定件；352.第二固定件；353.相机；354.相机固定块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-5，一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量方法，包括以下步骤：S1、将被测件放置于多自由度运动平台上，移动运动测量装置与运动平台相配合；

S2、打开运动测量装置顶端的光条发射器，通过运动测量装置顶端多面镜及两侧面的平面镜进行反射，使得光条投射与被测件的顶部及周围面上；

S3、通过测量装置顶端及两侧端的摄像头捕捉被测件顶部、左右两侧反射的光条图像，以使得被测件顶部和两侧围图像实现了同步全息；

S4、将图像数据通过数据采集系统传至工控机，所述工控机进行图像分析与位姿解算，完成对被测件的位姿测量。

通过光条发射器38将光条发发射于等腰梯形多面镜36上反射于被测件的上端部，同时第一转动摄像组件35中摄像头捕捉被测机构上端的光条信息，发射于等腰梯形多面镜36坡面的光条反射至龙门支架2侧围的平面镜45，平面镜45反射光条至被测机构的侧围两端，侧围两端的第一侧围测量机构4与第二侧围测量机构5捕捉被测机构两端的光条信息，完成整个光路反射的路径流程。

进一步的，所述步骤S1包括：当对静止的被测件测量时，运动平台处于静止状态；当运动被测件进行测量时，被测件为可变狭长柔性部件，通过液压驱动运动平台带动被测件运动或者被测件通过被动牵连运动，所述被动牵连运动通过液压驱动运动平台带动中间件运动，而被检测件活动连接于中间件上，进而带动被测件进行运动。

进一步的，还包括：判断被测件的顶端与两侧面的光条反射情况，光条反射不满足需求时调整摄像头的位置；当摄像头捕捉的光条不满足需求时，通过调整摄像头的高度以及角度，以最大程度捕获到图像。

当整体调整好运动测量装置后，分别对侧围及上端的两个摄像头完成双目立体视觉传感器标定。并对整体摄像头完成多视点全局标定。此时运动测量设备正式工作，通过高速相机或摄像头开始捕捉被测部件的顶部、左右两侧反射的光条图像，顶部和两侧围图像实现了同步全息，并将图像数据通过数据采集系统传至工控机中的图像分析与位姿解算模块，最终实现对动态被试部件的位姿测量。待测量结束后，可将测量机构移走，方便被测件的调试与维修。

一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置，包括：龙门支架2与狭，该龙门支架2可通过纵向滑轨装置调整测量位置，所述龙门支架2包括第一支撑架及分别固接于所述第一支撑架两端的第二支撑架与第三支撑架，所述第一支撑架上固接有顶端测量机构3，所述第二支撑架与第三支撑架上分别固接有第一侧围测量机构4与第二侧围测量机构5，所述顶端测量机构3用于测量狭长柔性部件1正上方的位姿，所述第一侧围测量机构4与第二侧围测量机构5分别用于测量狭长柔性部件1侧面的位姿，通过顶端测量机构3、第一侧围测量机构4及第二侧围测量机构5可以对狭长柔性部件1进行全面的位姿检测。

进一步的，所述第一支撑架、第二支撑架及第三支撑架上均固接有滑轨，且所述第一支撑架、第二支撑架及第三支撑架上分别固接有第一丝杆、第二丝杆及第三丝杆，所述顶端测量机构3、第一侧围测量机构4及第二侧围测量机构5分别与第一丝杆、第二丝杆及第三丝杆螺纹连接，使得顶端测量机构3、第一侧围测量机构4及第二侧围测量机构5在第一丝杆、第二丝杆及第三丝杆上移动时，通过在第一支撑架、第二支撑架及第三支撑架上进一步稳定移动。

如图2，所述顶端测量机构3包括第一连接块31、固定于所述第一连接块31上的第一电机32及分别固定于所述第一连接块31两端的第一L型杆33与第二L型杆34，所述第一L型杆33与第二L型杆34上分别固接有第一转动摄像组件35，所述第一连接块31的正下方螺纹连接有等腰梯形多面镜36，该等腰梯形多面镜36不通透，且较小面远离龙门架内侧面，较大面朝向第一连接块31，坡面分别朝向第二支撑架与第三支撑架，且所述第一L型杆33与第二L型杆34上固接有U型弧形件37，所述U型弧形件37螺纹连接有光条发射器38，第一电机32的输出轴与第一丝杆相匹配，通过第一电机32输出轴转动带动顶端测量机构3沿第一丝杆进行移动，当更换被检测部件时也就是被测部件结构尺寸发生变化，通过第一电机32带动顶端测量机构3移动，调整光条发射器38位置，使得光条发射器38仍然可将发射的光条反射至被测装置的上方。采用U型弧形件37可扩大第一转动摄像组件35采集图像的范围，同时采用等腰梯形多面镜36可将光条反射至被测装置的上方及平面镜45，保证测量的同步性与实时性。

如图3，所述第一侧围测量机构4与第二侧围测量机构5结构相同且关于第一支撑架对称设置，所述第一侧围测量机构4包括第二连接块41、固定于所述第二连接块41上的第二电机42及分别固定于所述第二连接块41两端的第一弧形固定杆43与第二弧形固定杆44，所述第一弧形固定杆43与第二弧形固定杆44上分别设置有第二转动摄像组件，所述第二连接块41上与第二电机42相邻的一侧上固接有平面镜45，该平面镜45朝向第二支撑架，通过第二电机42带动平面镜45移动，可确保反射的光条能被平面镜最大程度的接收，再投射于被测运动装置的侧围两侧。

如图4，所述第一转动摄像组件35与第二转动摄像组件的结构相同，所述第一转动摄像组件35包括第一固定件351、与所述第一固定件351插接的第二固定件352及与所述第二固定件352转动连接的相机353，所述第一固定件351与第一L型杆33螺纹连接，所述第一固定件351一端开设有螺纹孔，另一端开设有插销孔，所述螺纹孔中螺纹连接有第一L型杆33，所述第二固定件352一端设置有插销，另一端设置有凹槽，所述凹槽相对的两侧壁上分别开设有连接孔，所述插销与第一固定件351上的插销孔相匹配，所述凹槽中转动连接有相机固定块354，所述相机固定块354上固接有相机353，通过相机固定块354可进行转动，使得可调整相机353位置，保证该相机353可以检测侧面的任意位置。

一实施例，车端风挡16作为轨道车辆车厢连接处的关键部件，其结构设计参数尤其是实际运行状态下的结构参数测定能够为车端端部设计提供了前瞻性的数据。如图5所示，被测部件为轨道车辆的车端连接部件-风挡16，前、后两个液压驱动的六自由度运动平台上各固连一个轨道车辆的车端端墙17，被测件为两车厢的连接部件—车端风挡16。风挡16属于狭长柔性部件，当列车在经过道岔、转弯、加减速时风挡部件会出现局部拉伸或折叠，因此研究风挡16的运动规律，可为风挡16等车端连接部件设计提供前瞻性数据。并且由于橡胶风挡16为大尺寸弹性部件，通过该测量装置可以对空间分布广、无共同视场的机构完成整体的测量。

工作原理：将别试部件固定于运动台上，移动龙门支架2，使其位于被试部件的横向中心线处，此时打开置于顶端测量机构3的光条发射器38，光条发射器38所发射的光条通过顶端测量机构3的等腰梯形多面镜36分别反射在被测部件的顶部平面以及第一侧围测量机构4与第二侧围测量机构5的平面镜45上，再继续分别反射到被测部件的左右两侧，这是实现同步全息测量，可通过第一电机32带动顶端测量机构3移动，调整光条发射器38位置，使得光条发射器38仍然可将发射的光条反射至被测装置的上方，通过第二电机42调整第一侧围测量机构4与第二侧围测量机构5的平面镜45高度，使得平面镜45可最大程度发射接收到的光条至被测部件的侧围，保证最终测量时的准确度，当调整好第一侧围测量机构4与第二侧围测量机构5及顶端测量机构3后，通过第一转动摄像组件35与第二转动摄像组件中的相机353开始捕捉被测部件的顶部、左右两侧反射的光条图像，顶部和两侧围图像实现了同步全息，并将图像数据通过数据采集系统传至工控机中的图像分析与位姿解算模块，最终实现对动态被试部件的位姿测量。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离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和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置，其特征在于，包括：

龙门支架（2），所述龙门支架（2）包括第一支撑架及分别固接于所述第一支撑架两端的第二支撑架与第三支撑架，所述第一支撑架上固接有顶端测量机构（3），所述第二支撑架与第三支撑架上分别固接有第一侧围测量机构（4）与第二侧围测量机构（5），所述顶端测量机构（3）用于测量狭长柔性部件（1）正上方的位姿，所述第一侧围测量机构（4）与第二侧围测量机构（5）分别用于测量狭长柔性部件（1）侧面的位姿；

所述第一支撑架、第二支撑架及第三支撑架上均固接有滑轨，且所述第一支撑架、第二支撑架及第三支撑架上分别固接有第一丝杆、第二丝杆及第三丝杆，所述顶端测量机构（3）、第一侧围测量机构（4）及第二侧围测量机构（5）分别与第一丝杆、第二丝杆及第三丝杆螺纹连接；

所述顶端测量机构（3）包括第一连接块（31）、固定于所述第一连接块（31）上的第一电机（32）及分别固定于所述第一连接块（31）两端的第一L型杆（33）与第二L型杆（34），所述第一L型杆（33）与第二L型杆（34）上分别螺纹连接有第一转动摄像组件（35），所述第一连接块（31）的正下方螺纹连接有等腰梯形多面镜（36），且所述第一L型杆（33）与第二L型杆（34）上固接有U型弧形件（37），所述U型弧形件（37）螺纹连接有光条发射器（38）；

所述第一侧围测量机构（4）与第二侧围测量机构（5）结构相同且关于第一支撑架对称设置，所述第一侧围测量机构（4）包括第二连接块（41）、固定于所述第二连接块（41）上的第二电机（42）及分别固定于所述第二连接块（41）两端的第一弧形固定杆（43）与第二弧形固定杆（44），所述第一弧形固定杆（43）与第二弧形固定杆（44）上分别设置有第二转动摄像组件，所述第二连接块（41）上与第二电机（42）相邻的一侧上固接有平面镜（45）。

2.如权利要求1所述的一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置，其特征在于，所述第一转动摄像组件（35）与第二转动摄像组件的结构相同，所述第一转动摄像组件（35）包括第一固定件（351）、与所述第一固定件（351）插接的第二固定件（352）及与所述第二固定件（352）转动连接的相机（353），所述第一固定件（351）与第一L型杆（33）螺纹连接。

3.如权利要求2所述的一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置，其特征在于，所述第一固定件（351）一端开设有螺纹孔，另一端开设有插销孔，所述螺纹孔中螺纹连接有第一L型杆（33），所述第二固定件（352）一端设置有插销，另一端设置有凹槽，所述凹槽相对的两侧壁上分别开设有连接孔，所述插销与第一固定件（351）上的插销孔相匹配，所述凹槽中转动连接有相机固定块（354），所述相机固定块（354）上固接有相机（353）。

4.应用于权利要求3所述的一种基于计算机视觉的光路反射机构运动测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将被测件放置于多自由度运动平台上，移动运动测量装置与运动平台相配合，当对静止的被测件测量时，运动平台处于静止状态；当运动被测件进行测量时，被测件为可变狭长柔性部件，通过液压驱动运动平台带动被测件运动或者被测件通过被动牵连运动；

S2、打开运动测量装置顶端的光条发射器，通过运动测量装置顶端多面镜及两侧面的平面镜进行反射，使得光条投射与被测件的顶部及周围面上，判断被测件的顶端与两侧面的光条反射情况，光条反射不满足需求时调整摄像头的位置；当摄像头捕捉的光条不满足需求时，通过调整摄像头的高度以及角度，以最大程度捕获到图像；

S3、通过测量装置顶端及两侧端的摄像头捕捉被测件顶部、左右两侧反射的光条图像，以使得被测件顶部和两侧围图像实现了同步全息；

S4、将图像数据通过数据采集系统传至工控机，所述工控机进行图像分析与位姿解算，完成对被测件的位姿测量。

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