CN114577448A - 一种新型便携式光轴校靶适配装置的双光轴标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型便携式光轴校靶适配装置的双光轴标定方法，其中系统包括三角架、单目视觉测量主机、Ⅱ号六维调整台、含有无穷远目标模拟系统和基准靶板的光轴校靶适配装置、辅助靶标、三坐标探针、Ⅲ号六维调整台、标准立方镜、Ⅰ号六维调整台、高分辨率大景深校准相机和三坐标测量机。本发明能够标定光轴校靶适配装置的无穷远目标模拟系统和基准靶板的光轴之间的关系，无穷远目标模拟系统能够模拟光轴校靶常用的十字和点圆等目标，最终通过调整位姿使无穷远目标光轴与被测光学系统光轴对准之后，单目视觉测量主机测试出基准靶板相对于基准轴线的关系得出光学系统光轴与基准轴线的关系；整个测试过程中飞机姿态不需要调水平，提高飞机光轴校靶效率。
Description
技术领域
本发明涉及计算机视觉、精密测量技术领域，具体为一种新型便携式光轴校靶装置的双光轴标定方法。
背景技术
近年来随着我国航天事业、机载舰载装备的发展，对机载等光学系统的光轴性能要求日益增加，提出了对光学系统光轴的高精度检验需求。如何准确、高效的测试出光学系统的光轴和飞机基准轴之间的关系，并保证其测试精度，就成为飞机光轴校靶的关键技术。
在传统飞机光轴校靶工作中，利用水平仪、全站仪等工具将飞机调水平，飞机前方安装调正、调平的标准靶标，使飞机坐标系和靶标坐标系一致性对准，利用地面标准靶标，结合水平仪和经纬仪等仪器检测出飞机光学系统的光轴与飞机基准轴之间的角度误差。
传统飞机光轴校靶方法的不足：首先需要把体积大、质量大的飞机调平，而精确调平飞机难度大；飞机调平过程中需要人工运用经纬仪、全站仪、水准仪、千斤顶等工具来调整飞机的姿态，最终使飞机达到横向水平和纵向水平。这样就导致调平误差大，需要大量的时间、人力、物力和设备。
摄影测量校靶装置运用标定好的相机和靶板配合实现空间机械部件空间位姿的测量，但目前没有光轴校靶功能。光电-惯性校靶设备可利用自准直仪和三轴惯性传感器（陀螺仪）实现光轴校靶，但该设备的不足之处是体积大、重量大，操作难度大、有陀螺漂移和人为读数造成误差大。
发明内容
本发明针对上述技术的不足，提供了一种新型便携式光轴校靶适配装置的双光轴标定方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种新型便携式光轴校靶适配装置的双光轴标定方法，包括如下步骤：
步骤一、将三个六维调整台安装到三坐标测量机的大理石平台上，从左至右依次为：Ⅱ号六维调整台、Ⅲ号六维调整台、Ⅰ号六维调整台；
步骤二、将高精度高分辨率大景深校准相机安装到Ⅰ号六维调整台上；
步骤三、光轴校靶适配装置含有无穷远目标模拟系统和基准靶板，无穷远目标模拟系统能够产生多种光学模拟目标，单目视觉测量主机能够拍摄通过标定得出相对靶灯位置的基准靶板，得出基准靶板相对于测量主机的位置关系；光轴校靶适配装置的基准靶板上安装有多个靶灯，光轴校靶适配装置的光轴分布为基准靶板光轴ⅰ和目标光轴ⅱ呈一定角度（因为安装带有一定的误差，可以通过标定把两光轴建立到一个坐标系中）；将光轴校靶适配装置安装到Ⅱ号六维调整台上，使得光轴校靶适配装置的无穷远目标模拟系统的出光口对准高精度高分辨率大景深校准相机的中心；
步骤四、打开光轴校靶适配装置的无穷远目标模拟系统开关，使其产生点圆无穷远目标，通过调整Ⅱ号六维调整台使无穷远点圆目标成像到校准相机的中心且圆目标的形状呈理想状态，此时点圆无穷远目标光轴与校准相机光轴一致；
步骤五、将标准立方镜安装到Ⅲ号六维调整台上，且立方镜处于光轴校靶适配装置和校准相机中间，通过调整Ⅲ号六维调整台使无穷远点圆目标中心穿过标准立方镜的前后表面中心，标准立方镜的前后表面成像到校准相机的中心且标准立方镜的形状在校准相机中呈理想正方形状态，此时标准立方镜的前后表面与校准相机光轴垂直；
步骤六、运用三坐标测量机测试标准立方镜的前后表面的任意一个面，拟合得出标准立方镜前后表面的任意一个面的法线，该法线方向与点圆目标的光轴方向平行；
步骤七、三坐标测量机的三坐标依据标准立方镜的三个垂直表面的法线作为X、Y、Z坐标轴建立坐标系，以三坐标上辅助靶标的初始位置作为坐标原点；
步骤八、运用单目视觉测量主机同时拍摄三坐标上多个已知相对移动位置的辅助靶标和光轴校靶适配装置中基准靶板上的固定靶标图像，且移动单目视觉测量主机之后重复拍摄多组图片并保存数据，最后通过单目视觉测量主机计算能够标定出光轴校靶适配装置中基准靶板上固定靶标的相对位置；由于标定过程中建立的坐标系是依据标准立方镜的坐标系建立的，通过测量主机计算标定得出基准靶板上的固定靶标与坐标原点的相对坐标，依据基准靶板上的固定靶标相对坐标位置能够得出固定靶标法线方向与点圆目标的光轴方向之间的关系，实现点圆目标的光轴方向与基准靶板光轴之间角度关系的标定。
本发明所述的便携式光轴校靶适配装置的双光轴标定方法，通过高精度高分辨率大景深校准相机、标准立方镜和三坐标测量机得出光轴校靶适配装置的无穷远点圆目标光轴方向，且调节标准立方镜的位置使其在校准相机中成像为标准正方形，然后运用三坐标得出标准立方镜三个垂直表面的法线作为系统的X、Y、Z三个坐标轴；以三坐标测头上安装的辅助靶标初始位置作为坐标系的坐标原点；通过单目视觉测量主机的计算标定功能和三坐标测量机带着辅助靶标移动多个已知相对位置从而得出光轴校靶适配装置基准靶板上靶标相对于坐标原点之间的关系，拟合出基准靶板光轴方向，从而得出基准靶板光轴方向和无穷远点圆目标光轴方向之间的关系；最终通过位姿调整使无穷远目标光轴与被测光学系统光轴对准之后，单目视觉测量主机测试基准靶板相对于基准轴线的关系就可以得出光学系统光轴与基准轴线的关系。
本发明设计合理，能够标定光轴校靶适配装置的无穷远目标模拟系统和基准靶板的光轴之间的关系，无穷远目标模拟系统可以模拟光轴校靶常用的460nm~12000nm的十字和点圆目标，最终通过无穷远目标光轴与被测光学系统光轴对准之后，单目视觉测量主机测试基准靶板相对于基准轴线的关系就可以得出光学系统光轴与基准轴线的关系；整个测试过程中飞机的姿态不需要调水平，大大提高飞机光轴校靶效率。
附图说明
图1表示本发明中标定方法的应用系统示意图。
图2表示本发明中光轴校靶适配装置的基准靶板示意图（基准靶板中包含多个靶标）。
图3表示本发明中光轴校靶适配装置的光轴分布示意图。
图4表示本发明中光轴校靶适配装置的应用场景示意图。
图中：1-三角架，2-单目视觉测量主机，3-Ⅱ号六维调整台，4-（含有无穷远目标模拟系统和基准靶板的）光轴校靶适配装置，5-辅助靶标，6-三坐标探针，7-Ⅲ号六维调整台，8-标准立方镜，9-Ⅰ号六维调整台，10-高分辨率大景深校准相机，11-三坐标测量机，12-被测光学系统；ⅰ-基准靶板光轴，ⅱ-目标光轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。
新型便携式光轴校靶适配装置基于具有空间位置测量功能的视觉测量技术，新型便携式光轴校靶适配装置的双光轴标定系统如图1所示，系统包括：三角架1，单目视觉测量主机2，Ⅱ号六维调整台3，含有无穷远目标模拟系统和基准靶板的光轴校靶适配装置4，辅助靶标5，三坐标探针6，Ⅲ号六维调整台7，标准立方镜8，Ⅰ号六维调整台9，高分辨率大景深校准相机10，三坐标测量机11。无穷远目标模拟系统可以模拟光轴校靶常用的460nm~12000nm的十字目标、点圆目标等多种模拟目标，以下方法中以点圆无穷远目标为例进行说明。
本发明所述的光轴校靶适配装置基于视觉测量技术，能够实现空间位姿的测量和光轴校靶，设计了光轴校靶适配装置的双光轴标定方法。
一种新型便携式光轴校靶装置的双光轴标定方法，包括如下步骤：
步骤一、将三个六维调整台安装到三坐标测量机的大理石平台上，从左至右依次为：Ⅱ号六维调整台3、Ⅲ号六维调整台7、Ⅰ号六维调整台9。
步骤二、将高精度高分辨率大景深校准相机10安装到Ⅰ号六维调整台9上。
步骤三、光轴校靶适配装置4含有无穷远目标模拟系统和基准靶板，无穷远目标模拟系统可以产生多种光学模拟目标，单目视觉测量主机2可以拍摄通过标定得出相对靶灯位置的基准靶板得出基准靶板相对于测量主机的位置关系；光轴校靶适配装置4的基准靶板图如图2所示，靶板上安装有多个靶灯，本实施例以8个灯为例进行说明，光轴校靶适配装置4的光轴分布如图3所示，标识出：基准靶板光轴ⅰ和目标光轴ⅱ。
将光轴校靶适配装置4安装到Ⅱ号六维调整台3上，通过调整Ⅱ号六维调整台的位姿使得光轴校靶适配装置的无穷远目标模拟系统的出光口对准校准相机的中心，光轴校靶适配装置的无穷远目标模拟系统可以产生无穷远点圆目标、十字目标等多种目标形状，波长范围为460nm~12000nm，本实施例选用中心波长为620~630nm的无穷远点圆目标。
步骤四、打开光轴校靶适配装置4的无穷远目标模拟系统开关，使其产生中心波长为620~630nm的无穷远点圆目标，通过调整Ⅱ号六维调整台3使无穷远点圆目标成像到校准相机10的中心且圆目标的形状呈理想状态，此时光轴校靶适配装置4产生的点圆无穷远目标光轴与校准相机10光轴一致。
步骤五、将标准立方镜8安装到Ⅲ号六维调整台7上，且标准立方镜处于光轴校靶适配装置4和校准相机10中间，通过调整Ⅲ号六维调整台7使无穷远点圆目标中心穿过标准立方镜8的前后表面中心，标准立方镜8的前后表面成像到校准相机10的中心且标准立方镜8的形状在校准相机10中呈理想正方形状态，此时标准立方镜8的前后表面与校准相机10光轴垂直。
步骤六、运用三坐标测量机11测试标准立方镜8的前后表面的任意一个面，可以拟合得出标准立方镜8前后表面的任意一个面的法线，可知标准立方镜8前后表面法线方向与点圆目标的光轴方向平行。
步骤七、利用三坐标在标准立方镜的3个互相垂直的表面上测量9点/面，利用平面上测量得出的点坐标进行平面拟合得出三个垂直表面的法线方向，以上步骤重复3次取平均值，得出标准立方镜的三个垂直表面的法线方向。
三坐标测量机11的测头上安装辅助靶标5，该辅助靶标可以是反光靶标也可以是主动发光靶点，本发明中以主动发光靶点为辅助靶标进行实施例说明，以三坐标测量机上的辅助靶标初始位置作为坐标原点，依据标准立方镜的三个垂直表面的法线作为X、Y、Z坐标轴建立坐标系。
步骤八、运用单目视觉测量主机2同时拍摄通过三坐标测量机11上辅助靶标精确移动的多个已知相对移动位置的辅助靶标图像和光轴校靶适配装置中基准靶板上的固定靶标图像，光轴校靶适配装置4中基准靶板如图2所示，且移动单目视觉测量主机的多个位置之后重复拍摄图片并保存数据，最后通过单目视觉测量主机的标定计算程序可以标定出光轴校靶适配装置中基准靶板上的固定靶标的相对于坐标原点的相对位置。由于标定过程中坐标系是依据准立方镜的坐标系建立的，得出基准靶板上的固定靶标与坐标原点的相对坐标，依据基准靶板上的固定靶标相对坐标位置通过标定算法能够得出固定靶标法线方向与无穷远点圆目标的光轴方向之间的关系，实现点圆目标的光轴方向与基准靶板光轴之间角度关系的标定。
无穷远目标模拟系统可以模拟光轴校靶常用的460nm~12000nm的十字和点圆目标。光轴校靶适配装置的应用场景图如图4所示，包括单目视觉测量主机2、光轴校靶适配装置4、被测光学系统12，如：中波红外视觉探测系统、中波红外视觉探测系统、可见光视觉探测系统；整个测试过程中飞机的姿态不需要调水平、操作简单、成本低、精度高。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，本发明方法的保护范围不局限应用于飞机光轴校靶，基于本方法的原理发明的光轴校靶设备，无论是等同变换或改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (1)
1.一种新型便携式光轴校靶适配装置的双光轴标定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将三个六维调整台安装到三坐标测量机（11）的大理石平台上，从左至右依次为：Ⅱ号六维调整台（3）、Ⅲ号六维调整台（7）、Ⅰ号六维调整台（9）；
步骤二、将高精度高分辨率大景深校准相机（10）安装到Ⅰ号六维调整台（9）上；
步骤三、光轴校靶适配装置（4）含有无穷远目标模拟系统和基准靶板，无穷远目标模拟系统能够产生多种光学模拟目标，单目视觉测量主机（2）能够拍摄通过标定得出相对靶灯位置的基准靶板，得出基准靶板相对于测量主机的位置关系；光轴校靶适配装置（4）的基准靶板上安装有多个靶灯，光轴校靶适配装置（4）的光轴分布为基准靶板光轴ⅰ和目标光轴ⅱ呈一定角度；将光轴校靶适配装置（5）安装到Ⅱ号六维调整台（3）上，使得光轴校靶适配装置（4）的无穷远目标模拟系统的出光口对准高精度高分辨率大景深校准相机（10）的中心；
步骤四、打开光轴校靶适配装置（4）的无穷远目标模拟系统开关，使其产生点圆无穷远目标，通过调整Ⅱ号六维调整台（3）使无穷远点圆目标成像到校准相机（10）的中心且圆目标的形状呈理想状态，此时点圆无穷远目标光轴与校准相机（10）光轴一致；
步骤五、将标准立方镜（8）安装到Ⅲ号六维调整台（7）上，且立方镜处于光轴校靶适配装置（4）和校准相机（10）中间，通过调整Ⅲ号六维调整台（7）使无穷远点圆目标中心穿过标准立方镜（8）的前后表面中心，标准立方镜（8）的前后表面成像到校准相机（10）的中心且标准立方镜的形状在校准相机中呈理想正方形状态，此时标准立方镜的前后表面与校准相机（10）光轴垂直；
步骤六、运用三坐标测量机（11）测试标准立方镜（8）的前后表面的任意一个面，拟合得出标准立方镜（8）前后表面的任意一个面的法线，该法线方向与点圆目标的光轴方向平行；
步骤七、三坐标测量机（11）的三坐标依据标准立方镜（8）的三个垂直表面的法线作为X、Y、Z坐标轴建立坐标系，以三坐标上辅助靶标（5）的初始位置作为坐标原点；
步骤八、运用单目视觉测量主机（2）同时拍摄三坐标上多个已知相对移动位置的辅助靶标和光轴校靶适配装置中基准靶板上的固定靶标图像，且移动单目视觉测量主机之后重复拍摄多组图片并保存数据，最后通过单目视觉测量主机计算能够标定出光轴校靶适配装置中基准靶板上固定靶标的相对位置；由于标定过程中建立的坐标系是依据准立方镜的坐标系建立的，通过测量主机计算标定得出基准靶板上的固定靶标与坐标原点的相对坐标，依据基准靶板上的固定靶标相对坐标位置能够得出固定靶标法线方向与点圆目标的光轴方向之间的关系，实现点圆目标的光轴方向与基准靶板光轴之间角度关系的标定。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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