CN116734775B - 一种非接触式孔垂直度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触式孔垂直度测量方法，属于飞机装配测量技术领域，其特征在于，包括以下步骤：S1、搭建测量装置，进行采集和拍摄，产生的数据接入计算机进行处理；S2、在摄像机范围内和激光位移传感器的测量范围内标定测量装置；S3、调整测量装置；S4、移动测量装置，在移动中采集和处理图像；S5、调整测量装置姿态，在移动中采集和处理图像；S6、捕捉A、B和O三点重合；S7、计算孔的垂直度。本发明在移动和姿态调整中，摄像机实时采集，无需计算像素与实际物理距离之间的换算关系，有效降低计算的复杂性，提高了测量的便捷性和测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及到飞机装配测量技术领域，尤其涉及一种非接触式孔垂直度测量方法。
背景技术
航空装配领域，孔垂直度定义为孔的轴线与孔周围表面法线之间的夹角，孔垂直度为零的孔连接强度最佳，垂直度过大的孔其连接强度下降，危及飞机结构和飞行安全。
通常，孔垂直度的测量需要分别获得孔的轴线和孔周围表面的法线，孔周围表面的法线一般通过多台激光位移传感器获取，而孔的轴线一般通过芯棒插入的方式拟合得到，其可以是膨胀芯轴、三爪张紧芯轴和弹簧销芯轴。通过接触的方式拟合轴线，不可避免的受到接触力的影响，与真实的孔轴线往往存在偏差，带来了孔垂直度检测的误差，这一误差很难通过技术手段消除。
公开号为CN114076577A，公开日为2022年02月22日的中国专利文献公开了一种制孔垂直度测量方法，其特征在于，包括：
获取待制孔位置所在曲面上的至少四个特征点坐标；其中，所述特征点坐标通过非接触测量得到，且所述至少四个特征点坐标不在同一条直线上；
根据所述至少四个特征点坐标确定所述待制孔位置的法向量；
根据所述法向量和制孔刀具的轴线方向确定制孔垂直度。
该专利文献公开的制孔垂直度测量方法，基于对待制孔位置所在曲面的特征点坐标的确定，实现对待制孔位置所在曲面法向量的无接触确定，通过待制孔位置的法向量和制孔刀具的轴线方向确定制孔刀具当前制孔的垂直度。但是，增加了测量的复杂性，容易产生测量误差，影响测量精度。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种非接触式孔垂直度测量方法，本发明在移动和姿态调整中，摄像机实时采集，无需计算像素与实际物理距离之间的换算关系，有效降低计算的复杂性，提高了测量的便捷性和测量精度。
本发明通过下述技术方案实现：
一种非接触式孔垂直度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、搭建测量装置，通过测量装置的激光位移传感器和摄像机接收同步信号源的同步触发信号进行采集和拍摄，产生的数据接入计算机进行处理；
S2、在摄像机范围内和激光位移传感器的测量范围内标定测量装置，在同一坐标系下标定摄像机的主光轴方向、激光位移传感器的激光发射方向/>和原点/>，其中/>；
S3、调整测量装置，使带孔平板的孔周围平板上表面位于激光位移传感器的测量范围内；
S4、移动测量装置，在移动中采集和处理图像，提取孔与带孔平板上表面形成的椭圆的长短轴交点A；
S5、调整测量装置姿态，在移动中采集和处理图像，提取孔与带孔平板下表面形成的椭圆的长短轴交点B；
S6、图像的中心点记为O，根据图像上A与O及A与B的差异，重复步骤S3和S4，直至捕捉到A、B和O三点重合；
S7、在摄像机坐标系下，读取A、B和O三点重合时激光位移传感器的测距数据，代入激光位移传感器的激光发射方向和原点，得到三维坐标点，将各激光位移传感器的三维坐标点拟合平面，得到平面法线/>，满足/>最小，计算平面法线/>与摄像机的主光轴方向/>的夹角，/>即孔的垂直度。
所述步骤S1中，搭建测量装置是指在带孔平板上设置面光源、半透半反镜片、摄像机和激光位移传感器，激光位移传感器至少为3台，激光位移传感器上设置同步信号源。
所述激光位移传感器均匀分布在以摄像机主光轴为轴线的圆周上，且激光发射方向与摄像机主光轴的夹角相同。
所述半透半反镜片与摄像机主光轴呈45°夹角，且摄像机主光轴通过半透半反镜片。
所述面光源与摄像机主光轴平行，且面光源与半透半反镜片呈45°夹角，面光源指向半透半反镜片中心的光线与摄像机主光轴垂直。
所述步骤S4中，移动测量装置，在移动中采集和处理图像，频率不低于10Hz。
所述步骤S5中，调整测量装置姿态，在移动中采集和处理图像，频率不低于10Hz。
所述激光位移传感器的测量频率大于摄像机实时采集和处理的频率。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
1、本发明，较现有技术而言，在移动和姿态调整中，摄像机实时采集，无需计算像素与实际物理距离之间的换算关系，有效降低计算的复杂性，提高了测量的便捷性和测量精度。
2、本发明，在移动和姿态调整中，摄像机实时采集和计算，只要有某一时刻实现了三点重合，即可完成测量，无需保持该状态，降低了姿态调整的难度，提高了实际操作的可行性。
3、本发明，摄像机只作为对准孔轴线的辅助工具，不参与垂直度的计算，无需知道孔的准确深度，也无需计算像素与实际物理距离之间的换算关系，使得整个测量更加简便。
4、本发明，在光源照明的考虑上，采用了半透半反镜片构成与摄像机主光轴同向的照明，并且采用面光源而非平行光源，保证了孔的内壁可以被照亮，提高了两个椭圆识别的可行性。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：
图1为本发明三点重合示意图；
图中标记：1、孔与带孔平板上表面形成的椭圆，2、孔与带孔平板下表面形成的椭圆，3、孔壁。
具体实施方式
实施例1
参见图1，一种非接触式孔垂直度测量方法，包括以下步骤：
S1、搭建测量装置，通过测量装置的激光位移传感器和摄像机接收同步信号源的同步触发信号进行采集和拍摄，产生的数据接入计算机进行处理；
S2、在摄像机范围内和激光位移传感器的测量范围内标定测量装置，在同一坐标系下标定摄像机的主光轴方向、激光位移传感器的激光发射方向/>和原点/>，其中/>；
S3、调整测量装置，使带孔平板的孔周围平板上表面位于激光位移传感器的测量范围内；
S4、移动测量装置，在移动中采集和处理图像，提取孔与带孔平板上表面形成的椭圆1的长短轴交点A；
S5、调整测量装置姿态，在移动中采集和处理图像，提取孔与带孔平板下表面形成的椭圆2的长短轴交点B；
S6、图像的中心点记为O，根据图像上A与O及A与B的差异，重复步骤S3和S4，直至捕捉到A、B和O三点重合；
S7、在摄像机坐标系下，读取A、B和O三点重合时激光位移传感器的测距数据，代入激光位移传感器的激光发射方向和原点，得到三维坐标点，将各激光位移传感器的三维坐标点拟合平面，得到平面法线/>，满足/>最小，计算平面法线/>与摄像机的主光轴方向/>的夹角，/>即孔的垂直度。
本实施例为最基本的实施方式，较现有技术而言，在移动和姿态调整中，摄像机实时采集，无需计算像素与实际物理距离之间的换算关系，有效降低计算的复杂性，提高了测量的便捷性和测量精度。
实施例2
参见图1，一种非接触式孔垂直度测量方法，包括以下步骤：
S1、搭建测量装置，通过测量装置的激光位移传感器和摄像机接收同步信号源的同步触发信号进行采集和拍摄，产生的数据接入计算机进行处理；
S2、在摄像机范围内和激光位移传感器的测量范围内标定测量装置，在同一坐标系下标定摄像机的主光轴方向、激光位移传感器的激光发射方向/>和原点/>，其中/>；
S3、调整测量装置，使带孔平板的孔周围平板上表面位于激光位移传感器的测量范围内；
S4、移动测量装置，在移动中采集和处理图像，提取孔与带孔平板上表面形成的椭圆1的长短轴交点A；
S5、调整测量装置姿态，在移动中采集和处理图像，提取孔与带孔平板下表面形成的椭圆2的长短轴交点B；
S6、图像的中心点记为O，根据图像上A与O及A与B的差异，重复步骤S3和S4，直至捕捉到A、B和O三点重合；
S7、在摄像机坐标系下，读取A、B和O三点重合时激光位移传感器的测距数据，代入激光位移传感器的激光发射方向和原点，得到三维坐标点，将各激光位移传感器的三维坐标点拟合平面，得到平面法线/>，满足/>最小，计算平面法线/>与摄像机的主光轴方向/>的夹角，/>即孔的垂直度。
所述步骤S1中，搭建测量装置是指在带孔平板上设置面光源、半透半反镜片、摄像机和激光位移传感器，激光位移传感器至少为3台，激光位移传感器上设置同步信号源。
所述激光位移传感器均匀分布在以摄像机主光轴为轴线的圆周上，且激光发射方向与摄像机主光轴的夹角相同。
本实施例为一较佳实施方式，在移动和姿态调整中，摄像机实时采集和计算，只要有某一时刻实现了三点重合，即可完成测量，无需保持该状态，降低了姿态调整的难度，提高了实际操作的可行性。
实施例3
参见图1，一种非接触式孔垂直度测量方法，包括以下步骤：
S1、搭建测量装置，通过测量装置的激光位移传感器和摄像机接收同步信号源的同步触发信号进行采集和拍摄，产生的数据接入计算机进行处理；
S2、在摄像机范围内和激光位移传感器的测量范围内标定测量装置，在同一坐标系下标定摄像机的主光轴方向、激光位移传感器的激光发射方向/>和原点/>，其中/>；
S3、调整测量装置，使带孔平板的孔周围平板上表面位于激光位移传感器的测量范围内；
S4、移动测量装置，在移动中采集和处理图像，提取孔与带孔平板上表面形成的椭圆1的长短轴交点A；
S5、调整测量装置姿态，在移动中采集和处理图像，提取孔与带孔平板下表面形成的椭圆2的长短轴交点B；
S6、图像的中心点记为O，根据图像上A与O及A与B的差异，重复步骤S3和S4，直至捕捉到A、B和O三点重合；
S7、在摄像机坐标系下，读取A、B和O三点重合时激光位移传感器的测距数据，代入激光位移传感器的激光发射方向和原点，得到三维坐标点，将各激光位移传感器的三维坐标点拟合平面，得到平面法线/>，满足/>最小，计算平面法线/>与摄像机的主光轴方向/>的夹角，/>即孔的垂直度。
进一步的，所述步骤S1中，搭建测量装置是指在带孔平板上设置面光源、半透半反镜片、摄像机和激光位移传感器，激光位移传感器至少为3台，激光位移传感器上设置同步信号源。
所述激光位移传感器均匀分布在以摄像机主光轴为轴线的圆周上，且激光发射方向与摄像机主光轴的夹角相同。
所述半透半反镜片与摄像机主光轴呈45°夹角，且摄像机主光轴通过半透半反镜片。
所述面光源与摄像机主光轴平行，且面光源与半透半反镜片呈45°夹角，面光源指向半透半反镜片中心的光线与摄像机主光轴垂直。
本实施例为又一较佳实施方式，摄像机只作为对准孔轴线的辅助工具，不参与垂直度的计算，无需知道孔的准确深度，也无需计算像素与实际物理距离之间的换算关系，使得整个测量更加简便。
实施例4
参见图1，一种非接触式孔垂直度测量方法，包括以下步骤：
S1、搭建测量装置，通过测量装置的激光位移传感器和摄像机接收同步信号源的同步触发信号进行采集和拍摄，产生的数据接入计算机进行处理；
S2、在摄像机范围内和激光位移传感器的测量范围内标定测量装置，在同一坐标系下标定摄像机的主光轴方向、激光位移传感器的激光发射方向/>和原点/>，其中/>；
S3、调整测量装置，使带孔平板的孔周围平板上表面位于激光位移传感器的测量范围内；
S4、移动测量装置，在移动中采集和处理图像，提取孔与带孔平板上表面形成的椭圆1的长短轴交点A；
S5、调整测量装置姿态，在移动中采集和处理图像，提取孔与带孔平板下表面形成的椭圆2的长短轴交点B；
S6、图像的中心点记为O，根据图像上A与O及A与B的差异，重复步骤S3和S4，直至捕捉到A、B和O三点重合；
S7、在摄像机坐标系下，读取A、B和O三点重合时激光位移传感器的测距数据，代入激光位移传感器的激光发射方向和原点，得到三维坐标点，将各激光位移传感器的三维坐标点拟合平面，得到平面法线/>，满足/>最小，计算平面法线/>与摄像机的主光轴方向/>的夹角，/>即孔的垂直度。
所述步骤S1中，搭建测量装置是指在带孔平板上设置面光源、半透半反镜片、摄像机和激光位移传感器，激光位移传感器至少为3台，激光位移传感器上设置同步信号源。
所述激光位移传感器均匀分布在以摄像机主光轴为轴线的圆周上，且激光发射方向与摄像机主光轴的夹角相同。
所述半透半反镜片与摄像机主光轴呈45°夹角，且摄像机主光轴通过半透半反镜片。
所述面光源与摄像机主光轴平行，且面光源与半透半反镜片呈45°夹角，面光源指向半透半反镜片中心的光线与摄像机主光轴垂直。
更进一步的，所述步骤S4中，移动测量装置，在移动中采集和处理图像，频率不低于10Hz。
所述步骤S5中，调整测量装置姿态，在移动中采集和处理图像，频率不低于10Hz。
所述激光位移传感器的测量频率大于摄像机实时采集和处理的频率。
本实施例为最佳实施方式，在光源照明的考虑上，采用了半透半反镜片构成与摄像机主光轴同向的照明，并且采用面光源而非平行光源，保证了孔的内壁可以被照亮，提高了两个椭圆识别的可行性。
本发明具体测量过程如下：
在厚度为10mm的平板上制孔，若孔与板表面垂直，则从孔的正上方向下观察，根据透视原理，孔与上下表面形成的交界为正圆，若制孔方向与板表面法向存在一定夹角，则从孔的正上方向下观察，孔与上下表面形成的交界为椭圆。
采用测量中心距离15mm，测量范围15±5mm的激光位移传感器3台，12mm焦距，镜头外径14mm，130万像素分辨率的摄像机1台，摄像机的主光轴为激光位移传感器的环绕轴。在镜头的正下方以相较于主光轴45°夹角的方式放置半透半反镜片，其长宽分别为20mm和22mm，对于垂直于其表面45°入射的光线，50%将透过镜片继续传播，50%发生镜面反射。在距其30mm处放置LED的面光源，其发光面大小为16mm*26mm。由于LED的面光源为漫射光源，其出射光方向可能为任意方向，因此经过半透半反镜片的反射，并不完全与主光轴平行向下，因此可以照亮孔壁3。
整个测量装置放置在带孔平板上，测量装置本身可在带孔平板上移动，而伸缩脚可通过人手施加压力的方式进行姿态调整。
由于人手调整和人眼观察的精度有限，在调整的过程中，大部分时间O、A、B三点不重合，向量指示了位置调整的方向和距离，向量 />指示了姿态调整的方向和角度。为了使OA重合，应当将测量装置向/>的反方向移动，为了使AB重合，应当将测量装置在主光轴和 />构成的平面内向 />的反方向转动。
人手和人眼配合调整很容易发生超调，而使和 />反向，多次调整的过程中，有一定概率在某一时刻出现 />且 />的情况，一旦系统检测到这样的情况出现，则会记录当前时刻采集到的传感器数据，进行垂直度计算，如：当系统以10Hz进行采集时，每秒钟采集10张图像和10组传感器数据，由于同步信号源的触发，这些图像和数据在时刻上是一一对应的，在开机第10s到第11s的调整过程中，10.2s记录的图像上检测到/>且，则系统立刻调取10.2s时的传感器数据，进行垂直度计算并返回。
Claims (6)
1.一种非接触式孔垂直度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、搭建测量装置，通过测量装置的激光位移传感器和摄像机接收同步信号源的同步触发信号进行采集和拍摄，产生的数据接入计算机进行处理；
S2、在摄像机范围内和激光位移传感器的测量范围内标定测量装置，在同一坐标系下标定摄像机的主光轴方向、激光位移传感器的激光发射方向/>和原点，其中/>；
S3、调整测量装置，使带孔平板的孔周围平板上表面位于激光位移传感器的测量范围内；
S4、移动测量装置，在移动中采集和处理图像，提取孔与带孔平板上表面形成的椭圆（1）的长短轴交点A；
S5、调整测量装置姿态，在移动中采集和处理图像，提取孔与带孔平板下表面形成的椭圆（2）的长短轴交点B；
S6、图像的中心点记为O，根据图像上A与O及A与B的差异，重复步骤S3和S4，直至捕捉到A、B和O三点重合；
S7、在摄像机坐标系下，读取A、B和O三点重合时激光位移传感器的测距数据，代入激光位移传感器的激光发射方向和原点，得到三维坐标点，将各激光位移传感器的三维坐标点拟合平面，得到平面法线/>，满足/>最小，计算平面法线/>与摄像机的主光轴方向/>的夹角，/>即孔的垂直度；
所述步骤S1中，搭建测量装置是指在带孔平板上设置面光源、半透半反镜片、摄像机和激光位移传感器，激光位移传感器至少为3台，激光位移传感器上设置同步信号源；
所述激光位移传感器均匀分布在以摄像机主光轴为轴线的圆周上，且激光发射方向与摄像机主光轴的夹角相同。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式孔垂直度测量方法，其特征在于：所述半透半反镜片与摄像机主光轴呈45°夹角，且摄像机主光轴通过半透半反镜片。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式孔垂直度测量方法，其特征在于：所述面光源与摄像机主光轴平行，且面光源与半透半反镜片呈45°夹角，面光源指向半透半反镜片中心的光线与摄像机主光轴垂直。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式孔垂直度测量方法，其特征在于：所述步骤S4中，移动测量装置，在移动中采集和处理图像，频率不低于10Hz。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式孔垂直度测量方法，其特征在于：所述步骤S5中，调整测量装置姿态，在移动中采集和处理图像，频率不低于10Hz。
6.根据权利要求4或5所述的一种非接触式孔垂直度测量方法，其特征在于：所述激光位移传感器的测量频率大于摄像机实时采集和处理的频率。
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