CN116608769A - 一种管路端面的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种管路端面的测量系统和方法，包括：若干个端面适配器，用于安装需要测量的管路，所述端面适配器上部具有特征标定面；多目视觉系统，包括测量平台、背光光源和工业相机，该多目相机构成立体视觉测量系统，用于拍摄带有端面适配器的管路多目图像；标定板，用于测量工作前，确认所述工业相机内外参数；控制分析系统，控制多相机同步采集、传输图像，对已标定的多目视觉系统获取到的管路图像进行处理，所述处理动作包括边缘提取和椭圆拟合，进行标志点识别，确定管路折弯点坐标及端面中心坐标，从而得到管路参数信息实现管路测量。本发明实现管路的实时在线检测并且有效提升了实现管路端面测量精度。

Description

一种管路端面的测量系统及方法

技术领域

本申请涉及一种管路端面的测量系统及方法，属于管路端面测量技术领域。

背景技术

管路是航空航天、汽车、船舶等行业产品的组成部分，是重要的液体、气体等流体物质传输介质。管路的加工品质会直接影响到整体产品的质量、寿命、工作效率，因此管路的参数测量成为管路质检不可或缺的一部分。传统的管路测量依靠人工手动选择测量点位，不仅操作复杂耗时，并且可能出现管路位置人员无法靠近或管路无空间可插入测量工具测量的问题。近些年为解决管路测量问题，陆续提出、实现了很多测量方法，其中视觉测量系统是目前最高效、便捷的方法之一。其原理是通过一个或多个相机从不同角度拍摄管路图像，计算机后端对图像进行亚像素处理、边缘提取、曲线拟合等过程，实现管路的定量测量工作。

视觉测量系统的应用很好地解决了管路的几何参数问题，基本确定了管路的空间形态。对于管路端面测量，需要先对管路图像的端头区域进行边缘提取，椭圆拟合，获得各个相机视角下端面点的二维坐标，使用多相机重建原理得到端面中心坐标。这种方式受拍摄角度影响，端面位置的椭圆拟合精度较低，通过算法迭代可以提升拟合精度，但终究拍摄获取的端面点有限，端面拟合精度很难得到显著提升。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种管路端面的测量系统，该系统实现管路的实时在线检测并且有效提升了实现管路端面测量精度。

一种管路端面的测量系统，其特征在于，包括：

若干个端面适配器，用于安装需要测量的管路，所述端面适配器上部具有特征标定面，所述特征标定面上设置有提供特征信息的标志点；

多目视觉系统，包括测量平台和背光光源，所述测量平台内部设有垂直高度方向上至少四个不同方位的工业相机，不同方位的所述工业相机构成立体视觉测量系统，用于拍摄带有端面适配器的管路多目图像；

标定板，用于测量工作前，所述工业相机进行采集图像，完成位置标定，并确认所述工业相机内外参数；

控制分析系统，控制多相机同步采集、传输图像，对已标定的多目视觉系统获取到的管路图像进行处理，所述处理动作包括边缘提取和椭圆拟合，进行标志点识别，确定管路折弯点坐标及端面中心坐标，从而得到管路参数信息实现管路测量。

进一步的，所述端面适配器装配在所述管路的端面处，辅助定位管路端面；

所述端面适配器包括特征标定面、端面主体、管路适配组和标定底座，所述管路适配组安装在所述标定底座上，且与所述端面主体连接，所述管路适配组包括调节手柄、锥形杆、分涨体和环形弹簧组，所述特征标定面一端与所述端面主体一端连接形成直角，所述端面主体上具有通孔，所述锥形杆穿过通孔与所述调节手柄通过固定件固定，所述锥形杆外周设有分涨体，所述分涨体为同心同轴且直径相同的三瓣圆弧结构，所述分涨体外周设有若干个平行分布的凹槽，所述凹槽内安装有环形弹簧形成环形弹簧组。

进一步的，所述标定底座包括支撑部和夹持部，所述夹持部位于所述支撑部上方，所述夹持部包括卡盘主体和位于卡盘主体上表面的均匀分布的三个卡爪，所述卡盘主体上设置有与所述卡爪对应的滑槽，所述卡爪安装在所述滑槽内，所述卡爪沿着所述滑槽在所述卡盘主体上径向滑动，用于对所述管路适配组进行夹紧/取出；

所述管路适配组外还设置有标定环规，所述标定环规内壁与所述环形弹簧组之间存在间隙，所述标定环规的顶面与所述端面主体贴合，所述管路适配组经所述标定环规通过所述夹爪进行固定。

进一步的，所述特征标定面的标志点为点阵式标志点，具有相应的二维点坐标，所述端面主体上表面设有若干个与所述特征标定面上外径大小一致的标志点，便于管路端面拟合。

根据本申请的另一个方面，提供了一种管路端面的测量方法，其特征在于，包括：

多目视觉系统标定，确定工业相机坐标与世界坐标系之间的转换关系，其中，印有标记点的标定板，作为拍摄对象，标定板放置在测量平台上，控制分析系统启动背光光源，多台工业相机同时拍摄标定板图像，调整标定板位置，工业相机拍摄标定板不同位置的图像并传输到控制分析系统，所述控制分析系统基于近景摄影测量原理，识别标定板上各标记点圆心的空间位置，确定相机系统的内外参数，统一工业相机坐标系；

使用已标定的多目视觉系统对端面适配器单独标定，建立端面适配器坐标系，初步确定端面适配器中间轴线位置及与端面主体交点坐标，其中，使用已标定的多目视觉系统，将端面适配器放在测量平台固定位置上，控制分析系统启动背光光源，控制多台工业相机同时拍摄端面适配器图像，拍摄过程端面适配器的标定底座固定不动，端面适配器不发生任何拧动时的状态，作为首张照片，随后逆时针拧动手柄，特征标定面、端面主体以及管路适配组锁紧为一个整体，沿标定底座中心轴转动该整体，转动一定角度后，再顺时针拧动手柄，端面适配器底部分涨体扩张与标定环规内壁贴合后，拍摄下一张照片，工业相机拍摄的端面适配器图像不少于三个不重复角度，工业相机位置与多目视觉系统标定阶段的相机位置一致，拍摄到的端面适配器图像，传输到控制分析系统，基于边缘提取、椭圆拟合原理，提取端面适配器上特征标定面和端面主体上的标志点信息，识别各个拍摄角度位置下，特征标定面上标志点以及端面主体上标志点的工业相机坐标；

已标定的多目视觉系统拍摄装配端面适配器的管路图像，确定当前工业相机坐标系下的管路端面圆心坐标及管路端面位置轴向方向；

基于种子圆柱模型，结合管路端面处管路轴线及管路端面中心原点，重建管路三维模型。

进一步的，所述特征标志面上的标志点为点阵式标志点，所述点阵式标注点的识别方法基于圆点的9点式可编码标志点，包括：

使标志点A、E、C、D组成一个标准正方形，其中标志点B、A、C共线，其他若干点在空白区域随机分布，

计算机视觉中，交比不变量是透视投影下的基本不变量，即：

其中，点(A',B',C',P')是标志点(A,B,C,P)在工业相机靶面的对应投影点，C_r是直线交比的定义；

所述标志点C_r为定值1.5。

进一步的，利用所述标志点进行匹配初值计算的步骤包括：

步骤一，对获取到的标志点图像进行边缘提取、椭圆拟合，完成标志点识别，获得至少7个圆点中心坐标；

步骤二，在7个圆点中遍历搜索三个共线的标志点(A,B,C)；

步骤三，搜索标志点D和标志点E，并获取二者中心点P，判断点P是否在上一步获得的直线上，不满足返回步骤二；

步骤四，计算点(A,B,C,P)组成的直线交比C_r，判断该值是否等于1.5，如不满足返回步骤二；

步骤五，利用最小二乘法，根据点(A,B,C,P)和标志点设计模型给定的物理坐标进行仿射变换矩阵的计算；

步骤六，根据步骤五获得的仿射变换矩阵匹配标志点上的其他点，输出特征标定面上所有标志点的工业相机坐标。

进一步的，所述确定端面适配器周向位置及与端面主体交点坐标包括：

基于平面拟合原理，使用特征标定面上的同一标志点在不同位置下的相机坐标，拟合同一标志点在标定过程中所形成的旋转圆面P_i，从而确定同一标志点旋转圆圆心c_i的工业相机坐标，i表示旋转圆个数，

使同一标志点在首张照片上相机坐标表示为p₁(x₁,y₁,z₁)，第二张照片上相机坐标表示为p₂(x₂,y₂,z₂)，第n张照片上工业相机坐标表示为p_n(x_n,y_n,z_n)，则：

收敛求解，同一标志点旋转后形成的旋转圆圆心c(x_c,y_c,z_c)，旋转圆半径R；

由标定步骤可知，特征标定面上的标志点均是绕着标定环规中心轴旋转的，使用特征标定面上所有旋转圆圆心利用最小二乘法，找出一条与所有圆心c_i匹配且位置最优的轴线，即为标定环规中心轴线L，即该轴线L满足：

保证等式组(2)收敛，求解得到一组轴线L：

任取同一拍摄角度下的端面主体上所有标志点坐标进行端面拟合，求解端面主体的面方程，即：

得到端面主体的面方程：

a₁x+b₁y+c₁z+d₁＝0 (5)

使用线面交点原理，求解标定环规中心轴线L在端面主体上的交点o，即联立(3)和(5)求解得到交点o(o_x,o_y,o_z)；

所述标定环规顶部截面与端面主体底部贴合，所述标定环规与端面适配器同心同轴，环规中心轴线L为端面适配器的中心轴线L₁，所述标定环规中心轴线L在端面主体上的交点为端面适配器中心轴线L₁在端面主体上的交点；

其中，交点o(o_x,o_y,o_z)，轴线L的方向向量确定一组过交点o的适配器轴线L₁：

建立端面适配器坐标系，其中设定原点为交点o'(0,0,0)，x-y轴平面为端面O，Z轴正向为端面适配器轴线方向并沿端面O向特征标定面，交点o(o_x,o_y,o_z)，交点o'(0,0,0)分别为端面主体与轴线L'在工业相机坐标系与端面适配器坐标系下的坐标，基于SVD原理，得到端面适配器坐标系下的端面适配器中心轴线L₁'以及特征标定面上各个标志点在端面适配器坐标系下的坐标集{S_j}，j表示标志点个数。

进一步的，所述管路端面圆心坐标及管路端面位置轴向方向包括：

采用点阵式标志点识别方法，对端面适配器上特征标定面的所有标志点进行识别，得到的特征标定面上的各个标志点的相机坐标记作{Q_j}，已知对应的适配器坐标集{S_j}，两坐标集之间满足SVD分解原理，求解两坐标集合的转换关系：

(1)求解矩阵质心：

计矩阵Q、S各自的质心为则：(两个矩阵都是n*n矩阵)

(2)平移矩阵：

将矩阵Q、S分别相对于各自质心位置做平移，新矩阵为Q'、S'，则：

(3)SVD分解：

利用矩阵Q、S构造矩阵M，并对其进行SVD分解：

(4)解算R_s、T_s

对端面适配器坐标系下的的端面适配器中心轴线方向向量 和交点o'(0,0,0)使用以上转换关系，得到当前相机坐标系下的适配器中心轴线/>以及交点/>其中，端面适配器轴线应与管路端面位置的管路轴线重合，交点与端面圆圆心重合，管路端面位置轴线方向为/>端面圆心为

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的一种管路端面测量系统和方法，使用已标定的多目视觉系统分别用算法优化端面参数和端面适配器辅助测量的方式拍摄同一段管型，最终重建得到的管路参数进行比对，能够实现管路的实时在线检测并且有效提升了管路端面测量精度。

附图说明

图1为本申请一种实施方式中的整体管路测量示意图；

图2为本申请一种实施方式中多目视觉系统标定状态示意图；

图3为本申请一种实施方式中端面适配器使用状态结构示意图；

图4为本申请一种实施方式中端面适配器的标定状态结构示意图；

图5为本申请一种实施方式中标定状态下的端面适配器结构示意图；

图6为本申请一种实施方式中标记点识别流程图；

图7为本申请一种实施方式中标志点识别原理图；

图8为本申请一种实施方式中轴线拟合示意图；

图9为本申请一种实施方式中管路重建后管路参数示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

参见图1-9，一种管路端面的测量系统，其特征在于，包括：

若干个端面适配器100，用于安装需要测量的管路，所述端面适配器上部具有特征标定面，所述特征标定面上设置有提供特征信息的标志点；

值得说明的是，使用时端面适配器装配在管路端面处，辅助定位管路端面，具体使用数量由管路端面数决定，技术原理和操作流程不会因个数发生变化。

多目视觉系统200，包括测量平台210和背光光源，所述测量平台内部设有垂直高度方向上至少四个不同方位的工业相机，不同方位的所述工业相机构成立体视觉测量系统，用于拍摄带有端面适配器的管路多目图像；

值得说明的是，为方便后续管路图像采集和管型重建工作，正式测量工作前，先将标定板放置在测量平台210上，开启底部背光源220，多个相机同时采集图像，完成相机位置标定，确定相机内外参数；要求相机位于测量平台210的垂直向上方向，具体位置不做限定。

标定板300，用于测量工作前，所述工业相机进行采集图像，完成位置标定，并确认所述工业相机内外参数；

控制分析系统400，控制多相机同步采集、传输图像，对已标定的多目视觉系统获取到的管路图像进行处理，所述处理动作包括边缘提取和椭圆拟合，进行标志点识别，确定管路折弯点坐标及端面中心坐标，从而得到管路参数信息实现管路测量。

所述端面适配器装配在所述管路的端面处，辅助定位管路端面；

所述端面适配器包括特征标定面、端面主体、管路适配组和标定底座，其中标定底座在端面适配器标定过程中使用，所述管路适配组安装在所述标定底座上，且与所述端面主体连接，所述管路适配组包括调节手柄、锥形杆、分涨体和环形弹簧组，所述特征标定面一端与所述端面主体一端连接形成直角，所述端面主体上具有通孔，所述锥形杆穿过通孔与所述调节手柄通过固定件固定，所述固定件可为螺钉、销钉等，此处不做限定。所述锥形杆外周设有分涨体，所述分涨体为同心同轴且直径相同的三瓣圆弧结构，所述分涨体外周设有若干个平行分布的凹槽，所述凹槽内安装有环形弹簧形成环形弹簧组。

具体地，在使用过程中，拧动调节手柄131，带动锥形杆132外的分涨体133和环形弹簧组134发生同轴转动。其中顺时针拧动手柄为扩张，逆时针拧动手柄为锁紧。其中锁紧极限状态下，分涨体133的圆弧处于紧闭合状态，无缝隙；外圈的环形弹簧组134无弹性形变；反之，扩张极限状态下，分涨体133的圆弧间隙最大，外圈的环形弹簧组134弹性形变量最大。

所述标定底座包括支撑部和夹持部，所述夹持部位于所述支撑部上方，所述夹持部包括卡盘主体和位于卡盘主体上表面的均匀分布的三个卡爪，所述卡盘主体上设置有与所述卡爪对应的滑槽，所述卡爪安装在所述滑槽内，所述卡爪沿着所述滑槽在所述卡盘主体上径向滑动，用于对所述管路适配组进行夹紧/取出；

所述管路适配组外还设置有标定环规，所述标定环规内壁与所述环形弹簧组之间存在间隙，所述标定环规的顶面与所述端面主体贴合，所述管路适配组经所述标定环规通过所述夹爪进行固定。

所述特征标定面的标志点为点阵式标志点，具有相应的二维点坐标，所述端面主体上表面设有若干个与所述特征标定面上外径大小一致的标志点，便于管路端面拟合。

具体地，正式标定前，需要先拧动调节手柄131，带动分涨体133扩张至与环规141内壁贴合固定，再将环规141夹进三个夹爪固定的支撑底座142；完成以上操作后，开始标定端面适配器100，其中标定环规141是与管路适配组130同轴的圆筒型合金件，其内径略大于锁紧状态下环形弹簧组134的外径，环规141顶部截面与端面主体120底面贴合，端面主体120上表面粘贴有若干个与标定面110上外径大小一致的标志点，其中标定板130和端面主体120上均为外黑内白或外白内黑的标志点，其标志点识别技术区别于特征标定面110上的点，便于后续端面拟合。

根据本申请的另一个方面，提供了一种管路端面的测量方法，其特征在于，包括：

多目视觉系统标定，确定工业相机坐标与世界坐标系之间的转换关系，其中，印有标记点的标定板，作为拍摄对象，标定板放置在测量平台上，控制分析系统启动背光光源，多台工业相机同时拍摄标定板图像，调整标定板位置，工业相机拍摄标定板不同位置的图像并传输到控制分析系统，所述控制分析系统基于近景摄影测量原理，识别标定板上各标记点圆心的空间位置，确定相机系统的内外参数，统一工业相机坐标系；

视觉系统标定后，确定了相机坐标系到世界坐标系的转换关系。这将是后续完成管路测量的标准参照；

需要说明的是，除端面适配器100上特征标定面110的标志点使用本申请特定的标志点识别算法外，其他位置的标志点都采用点云处理、配准的方式，完成标志点识别。

使用已标定的多目视觉系统对端面适配器单独标定，建立端面适配器坐标系，初步确定端面适配器中心轴线位置及与端面主体交点坐标，其中，使用已标定的多目视觉系统，将端面适配器放在测量平台固定位置上，控制分析系统启动背光光源，控制多台工业相机同时拍摄端面适配器图像，拍摄过程端面适配器的标定底座固定不动，端面适配器不发生任何拧动时的状态，作为首张照片，随后逆时针拧动手柄，特征标定面、端面主体以及管路适配组锁紧为一个整体，沿标定底座中心轴转动该整体，转动一定角度后，再顺时针拧动手柄，端面适配器底部分涨体扩张与标定环规内壁贴合后，拍摄下一张照片，工业相机拍摄的端面适配器图像不少于三个不重复角度，工业相机位置与多目视觉系统标定阶段的相机位置一致，拍摄到的端面适配器图像，传输到控制分析系统，基于边缘提取、椭圆拟合原理，提取端面适配器上特征标定面和端面主体上的标志点信息，识别各个拍摄角度位置下，特征标定面上标志点以及端面主体上标志点的工业相机坐标；

已标定的多目视觉系统拍摄装配端面适配器的管路图像，确定当前工业相机坐标系下的管路端面圆心坐标及管路端面位置轴向方向；

基于种子圆柱模型，结合管路端面处管路轴线及管路端面中心原点，重建管路三维模型。

其中，在管路端面测量前，完成标定的端面适配器100，沿管路端面插入管路，同时拧动手柄131带动管路适配器组130中的分涨体133和环形弹簧组134发生同轴转动，达到与管壁完全贴合状态后，不再拧动手柄131，适配器装配完成。装配测量的管路管型没有严格要求，只要管型外边缘轮廓清晰，管路端面为圆形即可。装配工作完成后，可以进行管路测量工作；

使用已标定的多目视觉系统，背光光源220启动，将装配好端面适配器100的管路放置(放置位置无特殊要求，保证标定面110朝上，相机可见即可)在测量平台210上，控制分析系统400同步控制多个相机拍摄管路图像，并对管路图像进行边缘提取、椭圆拟合、标志点识别；根据多相机下的管路图像，利用多相机重建原理，对捕获管件图像设置灰度阈值梯度，结合线性插值法和最小二乘法，建立种子圆柱模型，检索、重建除端面位置以外的管路模型。

所述特征标志面上的标志点为点阵式标志点，所述点阵式标注点的识别方法基于圆点的9点式可编码标志点，包括：

使标志点A、E、C、D组成一个标准正方形，其中标志点B、A、C共线，其他若干点在空白区域随机分布(随机点的点数不做要求，一般不得少于2个)，

计算机视觉中，交比不变量是透视投影下的基本不变量，即：

其中，点(A',B',C',P')是标志点(A,B,C,P)在工业相机靶面的对应投影点，C_r是直线交比的定义；

所述标志点C_r为定值1.5。

利用所述标志点进行匹配初值计算的步骤包括：

步骤一，对获取到的标志点图像进行边缘提取、椭圆拟合，完成标志点识别，获得至少7个圆点中心坐标；

步骤二，在7个圆点中遍历搜索三个共线的标志点(A,B,C)；

步骤三，搜索标志点D和标志点E，并获取二者中心点P，判断点P是否在上一步获得的直线上，不满足返回步骤二；

步骤四，计算点(A,B,C,P)组成的直线交比C_r，判断该值是否等于1.5，如不满足返回步骤二；

步骤五，利用最小二乘法，根据点(A,B,C,P)和标志点设计模型给定的物理坐标进行仿射变换矩阵的计算；

步骤六，根据步骤五获得的仿射变换矩阵匹配标志点上的其他点，输出特征标定面上所有标志点的工业相机坐标。

所述确定端面适配器周向位置及与端面主体交点坐标包括：

基于平面拟合原理，使用特征标定面上的同一标志点在不同位置下的相机坐标，拟合同一标志点在标定过程中所形成的旋转圆面P_i，从而确定同一标志点旋转圆圆心c_i的工业相机坐标，i表示旋转圆个数，

使同一标志点在首张照片上相机坐标表示为p₁(x₁,y₁,z₁)，第二张照片上相机坐标表示为p₂(x₂,y₂,z₂)，第n张照片上工业相机坐标表示为p_n(x_n,y_n,z_n)，则：

收敛求解，同一标志点旋转后形成的旋转圆圆心c(x_c,y_c,z_c)，旋转圆半径R；

由标定步骤可知，特征标定面上的标志点均是绕着标定环规中心轴旋转的，使用特征标定面上所有旋转圆圆心利用最小二乘法，找出一条与所有圆心c_i匹配且位置最优的轴线，即为标定环规中心轴线L，即该轴线L满足：

保证等式组(2)收敛，求解得到一组轴线L：

任取同一拍摄角度下的端面主体上所有标志点坐标进行端面拟合，求解端面主体的面方程，即：

得到端面主体的面方程：

a₁x+b₁y+c₁z+d₁＝0 (5)

使用线面交点原理，求解标定环规中心轴线L在端面主体上的交点o，即联立(3)和(5)求解得到交点o(o_x,o_y,o_z)；

所述标定环规顶部截面与端面主体底部贴合，所述标定环规与端面适配器同心同轴，环规中心轴线L为端面适配器的中心轴线L₁，所述标定环规中心轴线L在端面主体上的交点为端面适配器中心轴线L₁在端面主体上的交点；

其中，交点o(o_x,o_y,o_z)，轴线L的方向向量确定一组过交点o的适配器轴线L₁：

建立端面适配器坐标系，其中设定原点为交点o'(0,0,0)，x-y轴平面为端面O，Z轴正向为端面适配器轴线方向并沿端面O向特征标定面，交点o(o_x,o_y,o_z)，交点o'(0,0,0)分别为端面主体与轴线L'在工业相机坐标系与端面适配器坐标系下的坐标，基于SVD原理，得到端面适配器坐标系下的端面适配器中心轴线L₁'以及特征标定面上各个标志点在端面适配器坐标系下的坐标集{S_j}，j表示标志点个数。

所述管路端面圆心坐标及管路端面位置轴向方向包括：

采用点阵式标志点识别方法，对端面适配器上特征标定面的所有标志点进行识别，得到的特征标定面上的各个标志点的相机坐标记作{Q_j}，已知对应的适配器坐标集{S_j}，两坐标集之间满足SVD分解原理，求解两坐标集合的转换关系：

(1)求解矩阵质心：

计矩阵Q、S各自的质心为则：(两个矩阵都是n*n矩阵)

(2)平移矩阵：

将矩阵Q、S分别相对于各自质心位置做平移，新矩阵为Q'、S'，则：

(3)SVD分解：

利用矩阵Q、S构造矩阵M，并对其进行SVD分解：

(4)解算R_s、T_s

对端面适配器坐标系下的的端面适配器中心轴线方向向量 和交点o'(0,0,0)使用以上转换关系，得到当前相机坐标系下的适配器中心轴线/>以及交点/>其中，端面适配器轴线应与管路端面位置的管路轴线重合，交点与端面圆圆心重合，管路端面位置轴线方向为/>端面圆心为

管路端面圆心及端面位置处管路中心轴线的确定，对于端面附近的直线段长度、折弯角、旋转角等重要参数起到了显著优化效果，相比传统视觉测量，通过工业相机获取端面附近点坐标拟合端面圆的方式；同时通过端面适配器，解除了工业相机位置对端面拍摄的要求，更好操作；与此同时，其测量精度也远超过端面拟合算法求解端面圆心及端面位置处中心轴线。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (9)

1.一种管路端面的测量系统，其特征在于，包括：

若干个端面适配器，用于安装需要测量的管路，所述端面适配器上部具有特征标定面，所述特征标定面上设置有提供特征信息的标志点；

多目视觉系统，包括测量平台和背光光源，所述测量平台内部设有垂直高度方向上至少四个不同方位的工业相机，不同方位的所述工业相机构成立体视觉测量系统，用于拍摄带有端面适配器的管路多目图像；

标定板，用于测量工作前，所述工业相机进行采集图像，完成位置标定；

控制分析系统，控制多相机同步采集、传输图像，对已标定的多目视觉系统获取到的管路图像进行处理，所述处理动作包括边缘提取和椭圆拟合，进行标志点识别，确定管路折弯点坐标及端面中心坐标，从而得到管路参数信息实现管路测量。

2.根据权利要求1所述的一种管路端面的测量系统，其特征在于，所述端面适配器装配在所述管路的端面处，辅助定位管路端面；

所述端面适配器包括特征标定面、端面主体、管路适配组和标定底座，所述管路适配组安装在所述标定底座上，且与所述端面主体连接，所述管路适配组包括调节手柄、锥形杆、分涨体和环形弹簧组，所述特征标定面一端与所述端面主体一端连接形成直角，所述端面主体上具有通孔，所述锥形杆穿过通孔与所述调节手柄通过固定件固定，所述锥形杆外周设有分涨体，所述分涨体为同心同轴且直径相同的三瓣圆弧结构，所述分涨体外周设有若干个平行分布的凹槽，所述凹槽内安装有环形弹簧形成环形弹簧组。

3.根据权利要求2所述的一种管路端面的测量系统，其特征在于，所述标定底座包括支撑部和夹持部，所述夹持部位于所述支撑部上方，所述夹持部包括卡盘主体和位于卡盘主体上表面的均匀分布的三个卡爪，所述卡盘主体上设置有与所述卡爪对应的滑槽，所述卡爪安装在所述滑槽内，所述卡爪沿着所述滑槽在所述卡盘主体上径向滑动，用于对所述管路适配组进行夹紧/取出；

所述管路适配组外还设置有标定环规，所述标定环规内壁与所述环形弹簧组之间存在间隙，所述标定环规的顶面与所述端面主体贴合，所述管路适配组经所述标定环规通过所述夹爪进行固定。

4.根据权利要求2所述的一种管路端面的测量系统，其特征在于，所述特征标定面的标志点为点阵式标志点，具有相应的二维点坐标，所述端面主体上表面设有若干个与所述特征标定面上外径大小一致的标志点，便于管路端面拟合。

5.一种管路端面的测量方法，其特征在于，包括：

多目视觉系统标定，确定工业相机坐标与世界坐标系之间的转换关系，其中，印有标记点的标定板，作为拍摄对象，标定板放置在测量平台上，控制分析系统启动背光光源，多台工业相机同时拍摄标定板图像，调整标定板位置，工业相机拍摄标定板不同位置的图像并传输到控制分析系统，所述控制分析系统基于近景摄影测量原理，识别标定板上各标记点圆心的空间位置，确定相机系统的内外参数，统一工业相机坐标系；

使用已标定的多目视觉系统对端面适配器单独标定，建立端面适配器坐标系，初步确定端面适配器中心轴线位置及与端面主体交点坐标，其中，使用已标定的多目视觉系统，将端面适配器放在测量平台固定位置上，控制分析系统启动背光光源，控制多台工业相机同时拍摄端面适配器图像，拍摄过程端面适配器的标定底座固定不动，端面适配器不发生任何拧动时的状态，作为首张照片，随后逆时针拧动手柄，特征标定面、端面主体以及管路适配组锁紧为一个整体，沿标定底座中心轴转动该整体，转动一定角度后，再顺时针拧动手柄，端面适配器底部分涨体扩张与标定环规内壁贴合后，拍摄下一张照片，工业相机拍摄的端面适配器图像不少于三个不重复角度，工业相机位置与多目视觉系统标定阶段的相机位置一致，拍摄到的端面适配器图像，传输到控制分析系统，基于边缘提取、椭圆拟合原理，提取端面适配器上特征标定面和端面主体上的标志点信息，识别各个拍摄角度位置下，特征标定面上标志点以及端面主体上标志点的工业相机坐标；

已标定的多目视觉系统拍摄装配端面适配器的管路图像，确定当前工业相机坐标系下的管路端面圆心坐标及管路端面位置轴向方向；

基于种子圆柱模型，结合管路端面处管路轴线及管路端面中心原点，重建管路三维模型。

6.根据权利要求5所述的一种管路端面的测量方法，其特征在于，所述特征标志面上的标志点为点阵式标志点，所述点阵式标注点的识别方法基于圆点的9点式可编码标志点，包括：

使标志点A、E、C、D组成一个标准正方形，其中标志点B、A、C共线，其他若干点在空白区域随机分布，

计算机视觉中，交比不变量是透视投影下的基本不变量，即：

其中，点(A',B',C',P')是标志点(A,B,C,P)在工业相机靶面的对应投影点，C_r是直线交比的定义；

所述标志点C_r为定值1.5。

7.根据权利要求6所述的一种管路端面的测量方法，其特征在于，利用所述标志点进行匹配初值计算的步骤包括：

步骤一，对获取到的标志点图像进行边缘提取、椭圆拟合，完成标志点识别，获得至少7个圆点中心坐标；

步骤二，在7个圆点中遍历搜索三个共线的标志点(A,B,C)；

步骤三，搜索标志点D和标志点E，并获取二者中心点P，判断点P是否在上一步获得的直线上，不满足返回步骤二；

步骤四，计算点(A,B,C,P)组成的直线交比C_r，判断该值是否等于1.5，如不满足返回步骤二；

步骤五，利用最小二乘法，根据点(A,B,C,P)和标志点设计模型给定的物理坐标进行仿射变换矩阵的计算；

步骤六，根据步骤五获得的仿射变换矩阵匹配标志点上的其他点，输出特征标定面上所有标志点的工业相机坐标。

8.根据权利要求5或7所述的一种管路端面的测量方法，其特征在于，所述确定端面适配器周向位置及与端面主体交点坐标包括：

基于平面拟合原理，使用特征标定面上的同一标志点在不同位置下的相机坐标，拟合同一标志点在标定过程中所形成的旋转圆面P_i，从而确定同一标志点旋转圆圆心c_i的工业相机坐标，i表示旋转圆个数，

使同一标志点在首张照片上相机坐标表示为p₁(x₁,y₁,z₁)，第二张照片上相机坐标表示为p₂(x₂,y₂,z₂)，第n张照片上工业相机坐标表示为p_n(x_n,y_n,z_n)，则：

收敛求解，同一标志点旋转后形成的旋转圆圆心c(x_c,y_c,z_c)，旋转圆半径R；

由标定步骤可知，特征标定面上的标志点均是绕着标定环规中心轴旋转的，使用特征标定面上所有旋转圆圆心c_i(x_ci,y_ci,z_ci)，利用最小二乘法，找出一条与所有圆心c_i匹配且位置最优的轴线，即为标定环规中心轴线L，即该轴线L满足：

保证等式组(2)收敛，求解得到一组轴线L：

任取同一拍摄角度下的端面主体上所有标志点坐标g_i＝(x_gi,y_gi,z_gi)，进行端面拟合，求解端面主体的面方程，即：

得到端面主体的面方程：

a₁x+b₁y+c₁z+d₁＝0 (5)

使用线面交点原理，求解标定环规中心轴线L在端面主体上的交点o，即联立(3)和(5)求解得到交点o(o_x,o_y,o_z)；

所述标定环规顶部截面与端面主体底部贴合，所述标定环规与端面适配器同心同轴，环规中心轴线L为端面适配器的中心轴线L₁，所述标定环规中心轴线L在端面主体上的交点为端面适配器中心轴线L₁在端面主体上的交点；

其中，交点o(o_x,o_y,o_z)，轴线L的方向向量确定一组过交点o的适配器轴线L₁：

建立端面适配器坐标系，其中设定原点为交点o'(0,0,0)，x-y轴平面为端面O，Z轴正向为端面适配器轴线方向并沿端面O向特征标定面，交点o(o_x,o_y,o_z)，交点o'(0,0,0)分别为端面主体与轴线L'在工业相机坐标系与端面适配器坐标系下的坐标，基于SVD原理，得到端面适配器坐标系下的端面适配器中心轴线L₁'以及特征标定面上各个标志点在端面适配器坐标系下的坐标集{S_j}，j表示标志点个数。

9.根据权利要求8所述的一种管路端面的测量方法，其特征在于，所述管路端面圆心坐标及管路端面位置轴向方向包括：

采用点阵式标志点识别方法，对端面适配器上特征标定面的所有标志点进行识别，得到的特征标定面上的各个标志点的相机坐标记作{Q_j}，已知对应的适配器坐标集{S_j}，两坐标集之间满足SVD分解原理，求解两坐标集合的转换关系：

(1)求解矩阵质心：

计矩阵Q、S各自的质心为则：(两个矩阵都是n*n矩阵)

(2)平移矩阵：

将矩阵Q、S分别相对于各自质心位置做平移，新矩阵为Q'、S'，则：

(3)SVD分解：

利用矩阵Q、S构造矩阵M，并对其进行SVD分解：

(4)解算R_s、T_s

对端面适配器坐标系下的的端面适配器中心轴线方向向量(m,n,p)和交点o'(0,0,0)使用以上转换关系，得到当前相机坐标系下的适配器中心轴线/>以及交点其中，端面适配器轴线应与管路端面位置的管路轴线重合，交点与端面圆圆心重合，管路端面位置轴线方向为/>端面圆心为/>