專利名稱：螺旋槳槳葉螺距測(cè)量的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于螺旋槳測(cè)量相關(guān)領(lǐng)域，特別涉及一種基于圖像的螺旋槳槳葉螺距測(cè)量的新方法。
背景技術(shù)：
螺旋槳為船舶航行提供推力，是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵零件。螺旋槳的質(zhì)量直接影 響著船舶推進(jìn)效率。為了確保螺旋槳的制造質(zhì)量，國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了有關(guān)金屬螺旋槳 技術(shù)要求的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)包括螺旋槳槳葉螺距等許多技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)范。因此在螺旋槳 制造過(guò)程中為了控制螺旋槳的質(zhì)量，需要對(duì)螺旋槳槳葉螺距參數(shù)進(jìn)行反復(fù)測(cè)量。通過(guò)螺旋 槳槳葉螺距參數(shù)的測(cè)量，可以為滿足螺旋槳槳葉螺距技術(shù)要求而進(jìn)行槳葉加工量的準(zhǔn)確調(diào) 整提供依據(jù)。因此方便準(zhǔn)確地測(cè)量螺旋槳槳葉的螺距參數(shù)，對(duì)于控制螺旋槳制造質(zhì)量具有 重要意義。目前，螺旋槳槳葉螺距一般通過(guò)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量出葉片各點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行計(jì)算得到 的。極柱坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是螺旋槳常用的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)設(shè)備。這些坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是 通過(guò)測(cè)桿和測(cè)量頭以直接接觸螺旋槳槳葉的方式來(lái)獲得葉片測(cè)量點(diǎn)的幾何坐標(biāo)，因此測(cè)量 時(shí)需要逐一確定測(cè)量的位置。目前，有的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)還需要人工記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。由于每個(gè) 螺旋槳包含多個(gè)槳葉，因此在螺旋槳制造過(guò)程中需要對(duì)每個(gè)槳葉不同的測(cè)量截面都進(jìn)行逐 點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量。在螺旋槳制造過(guò)程中利用現(xiàn)有的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行螺旋槳槳葉測(cè)量存在費(fèi)時(shí)費(fèi) 力問(wèn)題。在測(cè)量過(guò)程中，現(xiàn)有坐標(biāo)測(cè)量機(jī)由于需要逐一確定每個(gè)截面和測(cè)量點(diǎn)位置，由此引 起的繁重工作量常常造成人為的測(cè)量錯(cuò)誤。另外現(xiàn)有坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量時(shí)測(cè)量頭需要接觸槳 葉的金屬表面，長(zhǎng)期使用造成的磨損也會(huì)引起測(cè)量誤差。因此上述因素影響現(xiàn)有坐標(biāo)測(cè)量 機(jī)進(jìn)行螺旋槳槳葉的準(zhǔn)確測(cè)量。另外，現(xiàn)有坐標(biāo)測(cè)量機(jī)利用旋轉(zhuǎn)軸系、懸臂梁式橫臂和滑動(dòng) 架來(lái)支撐和移動(dòng)測(cè)桿測(cè)量頭進(jìn)行螺旋槳不同截面的測(cè)量，這種由于自重等因素引起的橫臂 等結(jié)構(gòu)非線性變形，也影響測(cè)量精度的進(jìn)一步提高?，F(xiàn)有坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用的接觸式方式進(jìn) 行螺旋槳槳葉螺距的測(cè)量，工作量巨大花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。另外現(xiàn)有坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接觸式測(cè)量方式， 還難以為螺旋槳加工過(guò)程進(jìn)行在線測(cè)量提供手段。因而，現(xiàn)有技術(shù)還有待進(jìn)一步的改進(jìn)和 提尚。本發(fā)明是有關(guān)螺旋槳槳葉螺距測(cè)量的新方法。本發(fā)明提出的螺距測(cè)量新方法是利 用圖像進(jìn)行螺旋槳槳葉的非接觸式和數(shù)字化測(cè)量。利用本發(fā)明提出的測(cè)量方法可以方便、 快捷地進(jìn)行螺旋槳槳葉螺距的測(cè)量。由于本發(fā)明提出的是非接觸數(shù)字化測(cè)量方法，與現(xiàn)有 螺旋槳坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的原理不同，因此可以解決現(xiàn)有螺旋槳坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的不足。以本發(fā)明提 出的螺旋槳槳葉測(cè)量新方法為基礎(chǔ)，可以進(jìn)行螺旋槳槳葉螺距的自動(dòng)化測(cè)量，還將為確保 螺旋槳制造質(zhì)量提供新的有效的檢測(cè)手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有螺旋槳槳葉螺距測(cè)量方法的不足，提出了一種基于圖像的螺旋槳槳葉螺距測(cè)量新方法，該方法利用圖像處理技術(shù)及雙目視覺(jué)成像原理進(jìn)行螺旋槳槳葉螺距 準(zhǔn)確、便捷的非接觸式測(cè)量。為了達(dá)到上述目標(biāo)，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是利用CCD攝像機(jī)構(gòu)建雙目視覺(jué)圖 像采集系統(tǒng)，獲得螺旋槳槳葉的清晰圖像，對(duì)槳葉圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，得到槳葉待測(cè)點(diǎn)的 二維圖像坐標(biāo)系像素坐標(biāo)，利用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的攝像機(jī)模型進(jìn)行槳葉待測(cè)點(diǎn)二維像素坐標(biāo)向三 維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系的映射，根據(jù)雙目視覺(jué)理論計(jì)算得到待測(cè)點(diǎn)在三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系的三 維坐標(biāo)，構(gòu)建槳葉的三維數(shù)字化模型，并利用計(jì)算機(jī)計(jì)算螺旋槳槳葉待測(cè)點(diǎn)的螺距。本發(fā)明包括螺旋槳槳葉圖像的采集、待測(cè)點(diǎn)和槳轂圓心點(diǎn)二維圖像坐標(biāo)系像素坐 標(biāo)獲取、待測(cè)點(diǎn)和槳轂圓心點(diǎn)三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)計(jì)算、螺旋槳待測(cè)點(diǎn)螺距的計(jì)算等 幾個(gè)步驟。本發(fā)明包括的步驟如下1)螺旋槳槳葉圖像的采集 利用2個(gè)CXD攝像機(jī)建立雙目視覺(jué)圖像采集系統(tǒng)，必要時(shí)采用適當(dāng)?shù)恼彰?，采集?含待測(cè)點(diǎn)的螺旋槳葉片的2幅圖像。2)螺旋槳槳轂圓心點(diǎn)二維圖像坐標(biāo)系像素坐標(biāo)獲取對(duì)兩幅圖像進(jìn)行圖像的數(shù)字化處理，并檢測(cè)螺旋槳槳轂的圓心點(diǎn)，最后獲取待測(cè) 點(diǎn)和槳轂圓心點(diǎn)的二維圖像坐標(biāo)系像素坐標(biāo)。3)待測(cè)點(diǎn)和槳轂圓心點(diǎn)三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)計(jì)算根據(jù)攝像機(jī)成像模型、攝像機(jī)坐標(biāo)系和三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，建 立反映螺旋槳槳葉表面待測(cè)點(diǎn)和槳轂圓心點(diǎn)像素坐標(biāo)與三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)關(guān)系的投影矩 陣，通過(guò)投影矩陣的標(biāo)定建立以像素坐標(biāo)為基礎(chǔ)的待測(cè)點(diǎn)和槳轂圓心點(diǎn)三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo) 系坐標(biāo)的計(jì)算模型。利用雙目視覺(jué)原理計(jì)算得到待測(cè)點(diǎn)和槳轂圓心點(diǎn)的三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo) 系坐標(biāo)。4)待測(cè)點(diǎn)螺距計(jì)算以計(jì)算得到的待測(cè)點(diǎn)和槳轂圓心點(diǎn)三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)為基礎(chǔ)，確定螺距計(jì) 算參考點(diǎn)的三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)，以此為基礎(chǔ)計(jì)算槳轂圓心點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間 連線的夾角以及槳轂圓心點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)高度差，計(jì)算螺旋槳槳葉待測(cè)點(diǎn)的螺距。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明是以圖像為基礎(chǔ)進(jìn)行螺旋槳槳葉待測(cè)點(diǎn)螺距的測(cè)量，因此 本發(fā)明具有非接觸式和數(shù)字化測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明不需要直接接觸槳葉的金屬表面，不存 在磨損等缺陷。該測(cè)量方法可以方便地實(shí)現(xiàn)螺旋槳槳葉螺距的自動(dòng)測(cè)量，因此本發(fā)明可以 為縮短螺旋槳加工周期、降低生產(chǎn)成本提供有效的測(cè)量手段。


附圖1是螺旋槳槳葉螺距測(cè)量新方法的步驟；附圖2是螺旋槳槳葉螺距測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；附圖3是攝像機(jī)成像幾何模型示意圖；附圖4螺旋槳槳葉螺距計(jì)算示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，說(shuō)明本發(fā)明提出的基于圖像方法的螺旋槳槳葉螺距測(cè)量的新方法，其技術(shù)原理及具體實(shí)施方法如下圖1是螺旋槳槳葉螺距測(cè)量新方法的主要步驟，該方法以圖像的方法進(jìn)行測(cè)量，首先采集螺旋槳槳葉的圖像，然后獲取槳葉待測(cè)點(diǎn)和槳轂圓心點(diǎn)的二維圖像坐標(biāo)系像素坐 標(biāo)，并根據(jù)雙目視覺(jué)理論計(jì)算待測(cè)點(diǎn)和槳轂圓心點(diǎn)的三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)，以此為基 礎(chǔ)計(jì)算螺旋槳槳葉的螺距。本發(fā)明按照該步驟就可以實(shí)現(xiàn)螺旋槳槳葉螺距的測(cè)量。圖2是螺旋槳槳葉螺距測(cè)量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。螺旋槳槳葉圖像通過(guò)兩臺(tái)攝像機(jī) L和R采集。在攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)中，攝像機(jī)L和R的X軸重合，Y軸和Z軸分別相互平行，Z 軸方向?yàn)閿z像機(jī)光軸方向，L和R坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸方向一致，并且XOY面平行于圖像平面， 同時(shí)將攝像機(jī)L和R的原點(diǎn)(光心)偏移量固定。這就保證了兩個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)中螺旋 槳葉片待測(cè)點(diǎn)的Z軸方向坐標(biāo)的一致性以及測(cè)量系統(tǒng)的確定性。圖3為攝像機(jī)成像模型示意圖，該模型中包含三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系OwXwYwZw、攝像 機(jī)坐標(biāo)系o。x。Y。z。、圖像坐標(biāo)系OtlUV (單位為像素)、圖像物理坐標(biāo)系O1XY (單位為毫米)。槳 葉的成像過(guò)程就是以上四個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程。本發(fā)明中，依據(jù)雙目成像理論計(jì)算所 有投影點(diǎn)的深度信息，實(shí)現(xiàn)二維圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)到三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)的計(jì)算。記(U，V)為二維圖像坐標(biāo)系像素坐標(biāo)；(X，Y)為圖像物理坐標(biāo)系坐標(biāo)；(X。，Yc, Zc) 為二維圖像坐標(biāo)系像素坐標(biāo)；(xw，Yw，Zw)為現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系三維坐標(biāo)，各坐標(biāo)系之間的計(jì)算 關(guān)系如下1) 二維圖像坐標(biāo)系像素坐標(biāo)與圖像物理坐標(biāo)系坐標(biāo)計(jì)算關(guān)系 'Ul \Hdx 0 CZ0IfX" 其中，(U0, V0)為圖像物理坐標(biāo)系XO1Y的坐標(biāo)圓點(diǎn)，dx、dy分別為像面上每個(gè)像素 沿X軸和Y軸方向的物理尺寸。2)記投影點(diǎn)在左右圖像中的物理坐標(biāo)系坐標(biāo)分別為(Xl，YL)和(XK，Yk)，根據(jù)雙目 攝像機(jī)成像理論，攝像機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)與圖像物理坐標(biāo)系坐標(biāo)的關(guān)系如下f/Zc = XL/XCf/Zc = Xe/ (Xc-b)f/Zc = Yh/Yc = YK/YC由此，可以計(jì)算得到該投影點(diǎn)的深度信息Zc = f b/ I Xl-Xk (2)其中，f為本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)中所用攝像機(jī)的焦距，b為左右攝像機(jī)光心的距離。3)三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)與攝像機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)計(jì)算關(guān)系 其中，R是3*3的旋轉(zhuǎn)矩陣，T是3*1的平移矩陣，0 = (0，0，0)τ。因此，圖像坐標(biāo)系二維像素坐標(biāo)與現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系三維坐標(biāo)之間的計(jì)算關(guān)系如下 本發(fā)明中，首先設(shè)定攝像機(jī)標(biāo)定模板，以攝像機(jī)的成像模型為基礎(chǔ)，根據(jù)標(biāo)定點(diǎn)的 像素坐標(biāo)和三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求解攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)(即旋轉(zhuǎn)矩陣R 和平移矩陣T)并計(jì)算鏡頭的畸變系數(shù)。然后應(yīng)用圖像坐標(biāo)系二維像素坐標(biāo)與現(xiàn)實(shí)世界坐 標(biāo)系三維坐標(biāo)之間的計(jì)算關(guān)系，計(jì)算所有投影點(diǎn)的三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)。圖4是螺旋槳槳葉螺距計(jì)算示意圖，本發(fā)明的測(cè)量方法中，螺旋槳槳葉螺距計(jì)算 的方法描述如下首先以圖像為基礎(chǔ)計(jì)算得到螺旋槳槳轂圓心點(diǎn)0(X(I，y0, z0)和槳葉待測(cè) 點(diǎn)P(Xl，yi，Zl)的三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)，以此為基礎(chǔ)可以確定參考點(diǎn)T的三維現(xiàn)實(shí)世界 坐標(biāo)系坐標(biāo)，然后計(jì)算0P和0T之間的夾角以及參考點(diǎn)T和待測(cè)點(diǎn)P之間的相對(duì)高度差，并 最終計(jì)算螺旋槳槳葉測(cè)量點(diǎn)的螺距值。其中待測(cè)點(diǎn)所在截面半徑r可以通過(guò)P點(diǎn)x和y方 向坐標(biāo)的算術(shù)平方根計(jì)算得到。待測(cè)點(diǎn)螺距的計(jì)算如下式所示 其中，Z(1是參考點(diǎn)z方向坐標(biāo)值，21是測(cè)量點(diǎn)z方向坐標(biāo)值，a是測(cè)量點(diǎn)和參考點(diǎn) 之間的夾角。
權(quán)利要求
螺旋槳槳葉螺距測(cè)量的新方法，其特征是以圖像為基礎(chǔ)進(jìn)行螺旋槳槳葉螺距的非接觸式測(cè)量，它包括以下步驟螺旋槳槳葉圖像的采集；螺旋槳槳葉待測(cè)點(diǎn)二維圖像坐標(biāo)系像素坐標(biāo)計(jì)算；螺旋槳槳葉待測(cè)點(diǎn)三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)計(jì)算；螺旋槳槳葉螺距的計(jì)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳槳葉螺距測(cè)量的新方法，其特征在于所述的螺旋槳 槳葉待測(cè)點(diǎn)二維圖像坐標(biāo)系像素坐標(biāo)計(jì)算的過(guò)程中，需要利用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理算法提 取螺旋槳槳葉待測(cè)點(diǎn)的二維圖像坐標(biāo)系像素坐標(biāo)，主要包括螺旋槳圖像的預(yù)處理、圖像分 害ι]、待測(cè)點(diǎn)的分析識(shí)別以及待測(cè)點(diǎn)二維圖像坐標(biāo)系像素坐標(biāo)的提取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳槳葉螺距測(cè)量的新方法，其特征在于所述的螺旋槳 槳葉待測(cè)點(diǎn)和槳轂圓心點(diǎn)的三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)計(jì)算的過(guò)程中，包括采集圖像的CXD 攝像機(jī)的標(biāo)定、攝像機(jī)畸變模型的矯正、三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)的計(jì)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳槳葉螺距測(cè)量的新方法，其特征在于所述的螺旋槳 槳葉待測(cè)點(diǎn)螺距值的計(jì)算是以待測(cè)點(diǎn)和槳轂圓心點(diǎn)的三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)為基礎(chǔ)，通 過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)槳葉螺距的測(cè)量。
全文摘要
一種螺旋槳槳葉螺距的測(cè)量新方法，該方法以圖像為基礎(chǔ)進(jìn)行螺旋槳槳葉螺距的非接觸式測(cè)量。它首先利用計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)等設(shè)備采集螺旋槳槳葉的圖像，然后以數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)獲取槳葉待測(cè)點(diǎn)的二維圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)，之后應(yīng)用攝像機(jī)標(biāo)定模型計(jì)算槳葉待測(cè)點(diǎn)的三維現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系坐標(biāo)，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算螺旋槳槳葉的螺距。
文檔編號(hào)G01B11/14GK101865662SQ20101010601
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者張建德, 陸金桂, 韓海冰 申請(qǐng)人:陸金桂