一種基于位姿估計的測棒快速標定裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于位姿估計的測棒快速標定裝置和方法，屬于測量、測試領域。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著科學技術的發(fā)展和各種先進制造技術思想和理論的不斷提出，尤其 是以數(shù)字化制造為核心的先進技術的迅猛發(fā)展，使得計算機輔助檢測和計算機輔助質(zhì)量的 應用更加廣泛。以計算機視覺為基礎的視覺測量，是在三維坐標測量技術上發(fā)展起來的一 門新興空間三維坐標測量技術。它采用高分辨率、廣視角的相機和高采集被測件的高分辨 率數(shù)字圖像，用高性能計算機經(jīng)過圖像處理和相關算法計算獲得被測件的空間三維坐標。 目前，視覺測量方案主要分為單相機測量和多相機測量。單相機測量是通過分析圖像中的 測棒上各目標革巴點的圖像坐標位置，利用"η點透視問題"(Perspective-n-Point,簡稱PNP 問題)的求解方法求出被測件在攝像機坐標系下的位姿參數(shù)，進而實現(xiàn)三維測量。多相機測 量一般是利用三角測量原理，通過計算圖像對應點間的視差，以獲取被測件表面點的三維 信息。這類測量方法拋棄了傳統(tǒng)的機械導軌式三維坐標測量模式，以其簡單、靈活的系統(tǒng)結(jié) 構適應現(xiàn)代制造業(yè)對測量技術和系統(tǒng)在測量精度、速度及操作便利性等多方面的要求。目 前主要應用在三維形貌及幾何尺寸測量，逆向工程中數(shù)據(jù)點云的快速獲取，改善三坐標測 量機性能的輔助工具，大尺寸高精度三維坐標測量等領域。而這類測量方法往往需要提前 確定測頭中心與目標靶點之間的位置關系。由于測棒上的測頭會反復地被拆卸安裝，導致 測頭中心位置信息變動，直接影響到測量精度。因此，提出一個標定測棒上目標靶點中心相 對于測棒測頭中心準確位置的裝置和方法是有重要意義和價值的。
[0003] 單目視覺測量具有極其廣闊的應用前景，尤其是大尺度測量領域體現(xiàn)的優(yōu)勢尤為 突出。為了能夠在現(xiàn)場快速測量，要求系統(tǒng)對環(huán)境具有快速適應性。具體來說，在測量不同 的物體，如隱藏點，小孔等時，需要安裝不同的測頭。每一次新安裝的測棒測頭的中心位置 與前一次一般不同，即使重新安裝同一個探頭，由于安裝用力大小不同，測頭中心的位置也 會與前一次有所不同。而測量現(xiàn)場一般沒有精密坐標測量儀器對測頭進行現(xiàn)場標定，這就 給測量帶來了不便。為了能將更換測針的測棒立即投入使用，就需要對測頭中心在測棒坐 標系下的坐標值進行快速自標定。
[0004] 目前現(xiàn)有的標定方法主要還是通過三坐標測量機等精密儀器來測量各個特征點 的位置信息。但是由于每一次現(xiàn)場測量，都可能需要拆卸安裝不同型號的測棒測頭，而三坐 標測量機體積龐大，笨重，導致這種視覺測量系統(tǒng)操作便利，適合在復雜的工業(yè)現(xiàn)場進行測 量的優(yōu)點無法發(fā)揮，另外，這種標定方法成本昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了精確標定測棒上目標靶點中心相對于測棒測頭中心準確位置，本發(fā)明的目的 是提供一種基于位姿估計的測棒快速標定裝置和方法。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明的構思是： 該裝置由高性能相機、定制標定輔件構成，用來標定測棒上目標靶點相對于測棒測頭 中心準確位置，為測量系統(tǒng)的高精度測量奠定基礎。測棒上的目標靶點繞測頭中心旋轉(zhuǎn)運 動，當已知三個以上的不共面的姿態(tài)時，可唯一確定旋轉(zhuǎn)中心位置。拍攝不同姿態(tài)下的測 棒，識別標識測棒上的目標祀點，采用PNP算法或者立體視覺算法計算目標祀點的三維位 置，根據(jù)剛體運動變換計算目標靶點的三維姿態(tài)，進而使用相關算法計算出各個目標靶點 中心點在以測頭中心為原點的右手坐標系下的精確三維坐標。
[0007] 根據(jù)以上構思，本發(fā)明采用下述技術方案： 一種基于位姿估計的測棒快速標定裝置，包括一個具有既定分布目標靶點的測棒、一 個相機、一個標定輔件、一臺計算機；所述標定輔件放置在相機視場范圍之內(nèi)，將測棒的測 棒測頭前端置于標定輔件上的一個定孔，圍繞該定孔擺動測棒，分別置于i個不同位姿，其 中3的自然數(shù)，同時相機拍攝當前位姿下的測棒，所述相機與計算機連接，將采集的圖 像在計算機上利用圖像處理的方法得到各個位姿下的位姿參數(shù)，通過相關算法計算得到各 個目標靶點的中心點在以測棒測頭中心為原點的右手坐標系下的精確三維坐標。
[0008] 所述標定輔件上等距分布了若干孔徑小于測棒測頭直徑的標定定孔，用以作為標 定過程中與測棒測頭充分接觸形成球運動副，若干標定定孔的孔徑不同，配合不同直徑的 測棒測頭使用；標定輔件四個邊角位置分別布置了四個固定螺紋孔，保證在標定過程中標 定輔件位置信息是唯一不變的；標定輔件上布置了兩個高加工精度的校核孔，用來校核視 覺測量系統(tǒng)中測孔功能的測量誤差；標定輔件的兩個面作為被夾具固定的夾持面；標定輔 件上的另外兩個面為校核面，作為校核視覺測量系統(tǒng)的測面功能的測量誤差。
[0009] -種基于位姿估計的測棒快速標定方法，實施步驟為： 第一步：將測棒及標定輔件放置在已經(jīng)標定好的相機視場之內(nèi)，并利用標定輔件上的 螺紋孔將標定輔件固定在相對于相機的靜態(tài)基面上； 第二步：將測棒測頭前端放置在標定輔件上的某一直徑小于測棒測頭直徑的標定定孔 上； 第三步：擺動測棒，使得測棒處于i個不同位姿，其中i多3的自然數(shù)，同時，測棒上的 目標靶點需要朝向相機，相機同步拍攝； 第四步：將拍攝到的不同位姿圖像在計算機上利用圖像處理的方法得到各個位姿下的 位姿參數(shù)； 第五步：通過計算，求出測棒測頭中心坐標，再將目標靶點坐標統(tǒng)一在以測棒測頭中心 為原點建立的右手直角坐標系上。
[0010] 所述第三步中相機同步拍攝不同位姿下的測棒上的目標靶點，該目標靶點在圖像 中呈現(xiàn)的輪廓為橢圓光斑；通過對圖像進行預處理及輪廓檢測，并進行橢圓擬合，從而得到 橢圓光斑中心在圖像中的精確位置信息，為后續(xù)計算測棒所處位姿的位姿信息做好準備。
[0011] 所述第五步中計算測棒測頭中心坐標的方法為：通過第四步得到的位姿參數(shù)，能 夠得到測棒上目標靶點中心點在相機坐標系下的三維坐標信息；首先，求出相鄰不同位姿 之間的變換，包括旋轉(zhuǎn)矩陣