CN114926546A - 一种将夹具机械坐标系与靶灯坐标系高精度标定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器视觉、精密测量和飞机校靶领域，具体为一种将夹具机械坐标系与靶灯坐标系高精度标定的方法。本发明所述一种将夹具机械坐标系与靶灯坐标系高精度标定的方法，包括夹具机械坐标系建立、靶灯坐标系建立和机械坐标系与靶灯坐标系的高精度转换，该方法减少了传统方法标定时对设备的类型，大幅度提高了标定精度和效率，具有通用性强，操作简单等优点，可适用于多种类型校靶夹具的标定。
Description
技术领域
本发明涉及机器视觉、精密测量和飞机校靶领域，具体是一种将夹具机械坐标系与靶灯坐标系高精度标定的方法。
背景技术
飞机校靶是测量飞机机载部件的安装托架(以下简称托架)和飞机坐标系安装姿态的关系，校靶精度要求较高，机载部件的安装托架往往都在飞机机身内部，距离飞机表面蒙皮较远，相关校靶设备无法深入到飞机内部测量托架的位姿，需要通过高精度的飞机校靶夹具(以下简称夹具)，为了保证夹具和托架的高精度安装，夹具机械尺寸是完全按照机载部件安装托架加工公差进行设计加工的。
基准视觉测量系统的夹具的一端安装到托架上，另外一端通过支臂延长到表面蒙皮外并预留有诺干个LED靶灯(一般为8到10个)，LED靶灯作为转接后的测量基准，通过视觉测量系统主机对LED靶灯的测量最终实现托架安装姿态的测量。因此基准视觉测量的校靶夹具标定变的尤为重要，如果夹具标定精度不够，则直接导致测量转接环节精度下降，校靶产品的测量精度再高也没有意义，因此提高标定环节的精度变的尤为重要，标定环节精度越高，校靶产品的测量精度越接近最终飞机校靶精度。
现有发明专利“一种用于部件安装姿态校准的视觉靶板装置及标定方法”(专利号2013102528578)(后续称为传统标定法)在整个校靶夹具机械坐标系与靶灯坐标系标定过程中需要使用高精度三坐标和高精度机床2台设备，造成了标定成本较高，操作复杂，产品大批量生产时人力物力成本大，精度也无法满足现有飞机校靶精度的要求。因此为了提高产品批量化生产时的精度、效率、通用性，并大幅降低批产人力、物力成本，需要重新设计一种用于机器视觉测量系统校靶夹具机械坐标系与靶灯坐标系的标定方法。
发明内容
本发明为解决传统标定方法不具有通用性、标定误差大、且成本较高的技术问题，提供一种将夹具机械坐标系与靶灯坐标系高精度标定的方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种将夹具机械坐标系与靶灯坐标系高精度标定的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：将校靶夹具安装固定到高精度的三坐标台面上，此时得到三坐标坐标系(Ow1-Xw1Yw1Zw1)，并在三坐标测头上安装一个与校靶夹具上LED靶灯型号相同的靶灯，后续称为辅助靶灯；
步骤(2)：辅助靶灯安装到三坐标测头后，因辅助靶灯为一个点光源，跟随三坐标测头移动后可得到与三坐标三轴平行的辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)，该坐标系与三坐标坐标系(Ow1-Xw1Yw1Zw1)旋转矩阵R为0，只有固定的平移矩阵T；
步骤(3)：通过三坐标测量校靶夹具与托架安装时的相关机械环节(即夹具上与安装托架相连接的那部分的孔销直接、位置度、距离等)，建立得出夹具机械坐标系(Ow3-Xw3Yw3Zw3)，同时可得出夹具机械坐标系与三坐标坐标系的位姿信息旋转矩阵R1、平移矩阵T1；
步骤(4)：在(Ow3-Xw3Yw3Zw3)坐标系下选取n个点(PW31-PW3n)，选点时确保三坐标测头移动时测头与夹具不会有物理干涉；
步骤(5)：通过三坐标测试软件PC-DMIS将夹具机械坐标系(Ow3-Xw3Yw3Zw3)下的(PW31-PW3n)n个点转换到三坐标坐标系(Ow1-Xw1Yw1Zw1)下对应的n个点(PW11-PW1n)；
步骤(6)：将视觉测量系统的相机放到三坐标前方，以三坐标测头为中心，将相机按照一个扇形面左右视场±45°内，高低错落摆放3个高度，每个高度下均匀摆放5个位置，共有m个相机机位，m为1-15；每个机位下控制三坐标测头重复移动n个点位(PW11-PW1n)，此时辅助靶灯也会跟随三坐标测头在每个机位下重复移动n个位置(PW21-PW2n)；
步骤(7)：每个机位移动后，视觉测量系统相机拍摄辅助靶灯(PW21-PW2n)和夹具上的k个靶灯(Pb1-Pbk)，通过对靶灯进行识别计算后得出在靶灯在相机坐标系(Ow4-Xw4Yw4Zw4)下的一组坐标(PW41-PW4i)，i为一个机位所有靶灯个数，其中1—n为辅助靶灯，n+1—i为夹具上的靶灯；
步骤(8)：根据第m个机位在辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)下的n个点和前2个机位的求解结果(从第三个机位开始计算)，利用多视图几何原理，可得出每个机位相对初始机位的旋转矩阵Rm和平移矩阵Tm；
步骤(9)：当m个机位都拍摄计算完成后，对所有机位位姿参数旋转矩阵Rm、平移矩阵Tm和辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)下的m组点进行整体优化，利用光束平差法建立所有视图中靶灯重投影误差累计和做小目标函数，表达式为:
具中pi为靶灯在(Ow2-Xw2Yw2Zw2)坐标系下的三维坐标，pij为第j个机位下拍摄的图像中对应实物靶灯pi的图像坐标；
为第i个靶灯的三维坐标pi重投影到第j个图像平面的图像坐标，且这里的图像坐标是畸变校正后的结果；n指辅助靶灯移动的n个点位，k为夹具靶灯的总数；
分别表示第j个机位的相机坐标系与初始机位相机坐标系下的旋转矩阵和平移矩阵，采用Levenberg-Marquardt迭代算法对式(1)中的优化变量
和
和
进行优化求解；
步骤(10)：根据步骤9中得到的夹具上安装的k个靶灯在辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)的三维坐标(PW2n+1-PW2n+k)，将k个靶灯的三维坐标导入到视觉测量系统内作为对应夹具的标定文件，后续视觉测量系统相机拍摄到校靶夹具上的k个靶灯后调用生成的标定文件就能够计算出辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)与相机的位姿关系，因辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)与夹具机械坐标系旋转矩阵为0，因此能够得出校靶夹具与视觉测量系统相机的角度信息，至此夹具机械坐标系与靶灯坐标系(位于校靶夹具上)的标定建立完成。
本发明最大的创新是通过一种简单的坐标系转换方法解决了校靶夹具机械坐标系与靶灯坐标系高精度标定的难题。通过三坐标测量机测量完夹具机械安装定位基准后，建立夹具机械坐标系，通过引入与夹具机械坐标系平行的辅助靶灯坐标系，在靶灯标定时直接将靶灯建立到与夹具机械坐标系平行的辅助靶灯坐标系下，实现了夹具机械坐标系与靶灯坐标系的高精度标定，该发明不再需要传统标定时第二步标定环节额外使用的高精度大型机床，只需要一台三坐标测量机一步标定即可完成，该发明具有通用性强，操作简单，效率高，精度高等优点，可适用于多种类型校靶夹具的标定。
附图说明
图1本发明的方法流程图。
图2校靶夹具结构示意图。
图3辅助靶灯坐标系与夹具坐标系转换关系图。
具体实施方式
传统标定方法分为2步标定，分别为靶灯标定和“靶”/“座”标定，靶灯标定时需要利用高精度三坐标测量机并标定得出夹具上安装的诺干个靶灯的三维坐标，并建立到靶灯坐标系，“靶”/“座”标定标定时需要通过高精度机床移动多个位置再结合机器视觉算法将夹具机械坐标系与靶灯坐标系进行关联标定。
飞机校靶夹具体积较大且形状不规则无法安装到机床内，传统方法只能完成常规底座是平面的夹具，但飞机校靶夹具基本都不具备平面底座，因此传统标定方法无法满足飞机各类校靶夹具的统一标定，不具有通用性，且机床移动位置精度也达不到目前校靶精度的标定要求，2步标定环节会有误差累积和传递，导致最终标定误差过大。标定过程中需要使用高精度三坐标和高精度2台设备，造成了标定成本较高，操作复杂，精度无法满足现有飞机校靶精度的要求。
本发明针对上述设备测试功能和现有技术的不足，提供了一种将夹具机械坐标系与靶灯坐标系高精度标定的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：将校靶夹具(校靶夹具示意图见图2)安装固定到高精度的三坐标台面上，此时得到三坐标坐标系(Ow1-Xw1Yw1Zw1)，并在三坐标测头上安装一个与校靶夹具上LED靶灯型号相同的靶灯，后续称为辅助靶灯；
步骤(2)：辅助靶灯安装到三坐标测头后，因辅助靶灯为一个点光源，跟随三坐标测头移动后可得到与三坐标三轴平行的辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)，该坐标系与三坐标坐标系(Ow1-Xw1Yw1Zw1)旋转矩阵R为0，只有固定的平移矩阵T；
步骤(3)：通过三坐标测量校靶夹具与托架安装时的相关机械环节(即夹具上与安装托架相连接的那部分的孔销直接、位置度、距离等)，建立得出夹具机械坐标系(Ow3-Xw3Yw3Zw3)，同时可得出夹具机械坐标系与三坐标坐标系的位姿信息旋转矩阵R1、平移矩阵T1；
步骤(4)：在(Ow3-Xw3Yw3Zw3)坐标系下选取8个点(PW31-PW38)，选点时确保三坐标测头移动时测头与夹具不会有物理干涉；
步骤(5)：通过三坐标测试软件PC-DMIS将夹具机械坐标系(Ow3-Xw3Yw3Zw3)下的(PW31-PW38)8个点转换到三坐标坐标系(Ow1-Xw1Yw1Zw1)下对应的8个点(PW11-PW18)；
步骤(6)：将视觉测量系统的相机放到三坐标前方，以三坐标测头为中心，将相机按照一个扇形面左右视场±45°内，高低错落摆放3个高度，相邻高度之间相差20至30cm，每个高度下均匀摆放5个位置，共有m个相机机位，m为1-15；每个机位下控制三坐标测头重复移动8个点位(PW11-PW18)，此时辅助靶灯也会跟随三坐标测头在每个机位下重复移动8个位置(PW21-PW28)；
步骤(7)：每个机位移动后，视觉测量系统相机拍摄辅助靶灯(PW21-PW28)和夹具上的靶灯(Pb1-Pbk)，通过对靶灯进行识别计算后得出在靶灯在相机坐标系(Ow4-Xw4Yw4Zw4)下的一组坐标(PW41-PW4i)，i为一个机位所有靶灯个数，其中1-8为辅助靶灯，9-i为夹具上的靶灯；
步骤(8)：根据第m(m为1-15)个机位在辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)下的8个点和前2个机位的求解结果，利用多视图几何原理，可得出每个机位相对初始机位的旋转矩阵Rm和平移矩阵Tm；
步骤(9)：当m个机位都拍摄计算完成后，对所有机位位姿参数旋转矩阵Rm、平移矩阵Tm和辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)下的m组点进行整体优化，利用光束平差法建立所有视图中靶灯重投影误差累计和做小目标函数，表达式为:
具中pi为靶灯在(Ow2-Xw2Yw2Zw2)坐标系下的三维坐标，pij为第j个机位下拍摄的图像中对应实物靶灯pi的图像坐标；
为第i个靶灯的三维坐标pi重投影到第j个图像平面的图像坐标，且这里的图像坐标是畸变校正后的结果；n指辅助靶灯移动的8个点位，k为夹具靶灯的总数8个(图3中靶灯坐标系可见8个靶灯)；
分别表示第j个机位的相机坐标系与初始机位相机坐标系下的旋转矩阵和平移矩阵，采用Levenberg-Marquardt迭代算法对式(1)中的优化变量
和
和
进行优化求解；
步骤(10)：根据步骤9中得到的夹具上安装的8个靶灯在辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)的三维坐标(PW29-PW216)，将8个靶灯点的三维坐标导入到视觉测量系统内作为对应夹具的标定文件，后续视觉测量系统相机拍摄到校靶夹具上的8个靶灯后调用生成的标定文件就能够计算出辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)与相机的位姿关系，因辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)与夹具坐标系旋转矩阵为0，因此能够得出校靶夹具与视觉测量系统相机的角度信息，至此夹具机械坐标系与靶灯坐标系的标定建立完成。
步骤(9)、(10)可参考文献杨博文，张丽艳,叶南.机载设备安装姿态视觉校准中的靶板标定[J].光学精密工程,2014,22(9):2312。
本发明公开了一种夹具机械坐标系与靶灯坐标系高精度标定的方法，包括夹具机械坐标系建立、靶灯坐标系建立和机械坐标系与靶灯坐标系的高精度转换，该方法减少了传统方法标定时对设备的类型，大幅度提高了标定精度和效率，具有通用性强，操作简单。
Claims (3)
1.一种将夹具机械坐标系与靶灯坐标系高精度标定的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)：将校靶夹具安装固定到高精度的三坐标台面上，此时得到三坐标坐标系(Ow1-Xw1Yw1Zw1)，并在三坐标测头上安装一个与校靶夹具上LED靶灯型号相同的靶灯，后续称为辅助靶灯；
步骤(2)：辅助靶灯安装到三坐标测头后，因辅助靶灯为一个点光源，跟随三坐标测头移动后可得到与三坐标三轴平行的辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)，该坐标系与三坐标坐标系(Ow1-Xw1Yw1Zw1)旋转矩阵R为0，只有固定的平移矩阵T；
步骤(3)：通过三坐标测量校靶夹具与托架安装时的相关机械环节，建立得出夹具机械坐标系(Ow3-Xw3Yw3Zw3)，同时可得出夹具机械坐标系与三坐标坐标系的位姿信息旋转矩阵R1、平移矩阵T1；
步骤(4)：在(Ow3-Xw3Yw3Zw3)坐标系下选取n个点(PW31-PW3n)，选点时确保三坐标测头移动时测头与夹具不会有物理干涉；
步骤(5)：通过三坐标测试软件PC-DMIS将夹具机械坐标系(Ow3-Xw3Yw3Zw3)下的(PW31-PW3n)n个点转换到三坐标坐标系(Ow1-Xw1Yw1Zw1)下对应的n个点(PW11-PW1n)；
步骤(6)：将视觉测量系统的相机放到三坐标前方，以三坐标测头为中心，将相机按照一个扇形面左右视场±45°内，高低错落摆放3个高度，每个高度下均匀摆放5个位置，共有m个相机机位，m为1-15；每个机位下控制三坐标测头重复移动n个点位(PW11-PW1n)，此时辅助靶灯也会跟随三坐标测头在每个机位下重复移动n个位置(PW21-PW2n)；
步骤(7)：每个机位移动后，视觉测量系统相机拍摄辅助靶灯(PW21-PW2n)和夹具上的k个靶灯(Pb1-Pbk)，通过对靶灯进行识别计算后得出在靶灯在相机坐标系(Ow4-Xw4Yw4Zw4)下的一组坐标(PW41-PW4i)，i为一个机位所有靶灯个数，其中1—n为辅助靶灯，n+1—i为夹具上的靶灯；
步骤(8)：根据第m个机位在辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)下的n个点和前2个机位的求解结果，利用多视图几何原理，可得出每个机位相对初始机位的旋转矩阵Rm和平移矩阵Tm；
步骤(9)：当m个机位都拍摄计算完成后，对所有机位位姿参数旋转矩阵Rm、平移矩阵Tm和辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)下的m组点进行整体优化，利用光束平差法建立所有视图中靶灯重投影误差累计和做小目标函数，表达式为:
其中pi为靶灯在(Ow2-Xw2Yw2Zw2)坐标系下的三维坐标，pij为第j个机位下拍摄的图像中对应实物靶灯pi的图像坐标；
为第i个靶灯的三维坐标pi重投影到第j个图像平面的图像坐标，且这里的图像坐标是畸变校正后的结果；n指辅助靶灯移动的n个点位，k为夹具靶灯的总数；
分别表示第j个机位的相机坐标系与初始机位相机坐标系下的旋转矩阵和平移矩阵，采用Levenberg-Marquardt迭代算法对式(1)中的优化变量
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步骤(10)：根据步骤9中得到的夹具上安装的k个靶灯在辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)的三维坐标(PW2n+1-PW2n+k)，将k个靶灯的三维坐标导入到视觉测量系统内作为对应夹具的标定文件，后续视觉测量系统相机拍摄到校靶夹具上的k个靶灯后调用生成的标定文件就能够计算出辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)与相机的位姿关系，因辅助靶灯坐标系(Ow2-Xw2Yw2Zw2)与夹具机械坐标系旋转矩阵为0，因此能够得出校靶夹具与视觉测量系统相机的角度信息，至此夹具机械坐标系与靶灯坐标系的标定建立完成。
2.如权利要求1所述的一种将夹具机械坐标系与靶灯坐标系高精度标定的方法，其特征在于：所述校靶夹具上的靶灯数目k为8到10个，辅助靶灯的移动点位n为8个。
3.如权利要求1或2所述的一种将夹具机械坐标系与靶灯坐标系高精度标定的方法，其特征在于：步骤(6)中相邻每个高度之间相差20至30cm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 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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