一種小空間復(fù)雜精密工件幾何尺寸在線動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及小空間復(fù)雜精密工件幾何尺寸在線動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，尤其涉及一種 在狹小空間內(nèi)基于單個(gè)攝像機(jī)和光條投射器形成的多視點(diǎn)測(cè)量的小空間復(fù)雜精密工件幾 何尺寸在線動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空航天、船舶、汽車、能源設(shè)備等國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)中，重大裝備關(guān)鍵核心精密機(jī) 械工件的高質(zhì)量、高精度加工對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)具有重要意義。 在重大裝備關(guān)鍵核心精密機(jī)械工件的加工過(guò)程中，在線實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)械工件關(guān)鍵部位尺寸并 反饋指導(dǎo)加工，可顯著提高機(jī)械工件的加工效率及加工質(zhì)量，降低廢品率。
[0003] 目前復(fù)雜精密工件幾何尺寸測(cè)量主要包括接觸式和非接觸式兩種。接觸式檢測(cè)技 術(shù)是目前生產(chǎn)中較多采用的一種測(cè)量方法，但存在效率低、精度差等問(wèn)題。尤其是在測(cè)量?jī)?nèi) 腔尺寸、孔洞尺寸是存在困難，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)態(tài)測(cè)量。非接觸式檢測(cè)技術(shù)主要有激光跟 蹤儀、3D激光測(cè)距儀、全站儀、經(jīng)煒儀、視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子學(xué)、光學(xué)技術(shù) 的日趨完善以及圖像處理、模式識(shí)別等技術(shù)的不斷進(jìn)步，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)得到快速發(fā)展。線結(jié) 構(gòu)光法和光柵結(jié)構(gòu)光法是目前應(yīng)用最廣泛的三維動(dòng)態(tài)視覺(jué)檢測(cè)方法。線結(jié)構(gòu)光法和光柵結(jié) 構(gòu)光法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度、光條投射器功率和波長(zhǎng)可靈活選擇、適合動(dòng)態(tài)測(cè)量等優(yōu) 點(diǎn)。兩者的主要區(qū)別是：線結(jié)構(gòu)光法投射一根光條，測(cè)量物體一個(gè)表面輪廓；光柵結(jié)構(gòu)光法 投射多根光條，測(cè)量物體多個(gè)表面輪廓，光柵結(jié)構(gòu)光法更具效率。
[0004] 以上結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)法中介紹的測(cè)量系統(tǒng)都是單視點(diǎn)測(cè)量，只可以測(cè)量攝像機(jī)前 方有限區(qū)域，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)測(cè)量。但是在測(cè)量復(fù)雜精密機(jī)械工件的幾何尺寸時(shí)，尤其是測(cè) 量機(jī)械工件內(nèi)腔寬度、高度，或孔徑等幾何尺寸時(shí)，單視點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)由于受視場(chǎng)限制和物體 遮擋等因素?zé)o法完成測(cè)量任務(wù)，因此需要測(cè)量系統(tǒng)具有多視點(diǎn)測(cè)量功能。
[0005] 目前，根據(jù)全局統(tǒng)一方式的不同，多視點(diǎn)測(cè)量主要分為兩大類：流動(dòng)式視覺(jué)檢測(cè)法 和多傳感器視覺(jué)檢測(cè)法。流動(dòng)式視覺(jué)檢測(cè)法通過(guò)單個(gè)三維掃描儀以流動(dòng)方式測(cè)量整個(gè)工 件，通常以粘貼在工件上的標(biāo)志點(diǎn)或放置在工件前的靶標(biāo)為中介，將所有流動(dòng)測(cè)量得到的 子區(qū)域局部數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系。也有將三維掃描儀與機(jī)器人或高精度三維移動(dòng)臺(tái)結(jié)合 將每次三維掃描儀測(cè)量的局部數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系。該類方法優(yōu)點(diǎn)是適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)靜態(tài) 測(cè)量，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)狹小空間內(nèi)部尺寸測(cè)量，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。多傳感器視覺(jué)檢測(cè)法在測(cè) 量前完成多視覺(jué)傳感器全局標(biāo)定，測(cè)量時(shí)根據(jù)全局標(biāo)定結(jié)果，將每個(gè)視覺(jué)傳感器測(cè)量的子 區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系下。該方法原理簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工件幾何尺寸測(cè)量，但存在 多視覺(jué)傳感器現(xiàn)場(chǎng)全局標(biāo)定困難，全局標(biāo)定后各傳感器之間位置容易發(fā)生移動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量精 度下降或失效等局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種僅采用單個(gè)攝像機(jī)和光條 投射器就可以在狹小空間內(nèi)進(jìn)行多視點(diǎn)測(cè)量的小空間復(fù)雜精密工件幾何尺寸在線動(dòng)態(tài)視 覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)及方法。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種小空間復(fù)雜精密工件幾 何尺寸在線動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，所述復(fù)雜精密工件是指形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜精致細(xì)致的工件， 多存在內(nèi)腔和孔洞，測(cè)量時(shí)需要進(jìn)入內(nèi)腔和孔洞之中，因此測(cè)量空間狹小受限，為了能在狹 小受限空間內(nèi)測(cè)量?jī)?nèi)腔、孔洞等的幾何尺寸，所述測(cè)量系統(tǒng)包括：多視點(diǎn)光柵式立體視覺(jué)傳 感器光學(xué)探頭、光柵光條投射模塊、光柵圖像成像及采集模塊、包含圖像分析及數(shù)學(xué)計(jì)算模 塊和標(biāo)定模塊的測(cè)量系統(tǒng)軟件、計(jì)算機(jī)以及相關(guān)附件。計(jì)算機(jī)通過(guò)光柵光條投射模塊將光 條圖像投射在光學(xué)探頭底部的多平面反射鏡片上反射到被測(cè)工件上，光柵圖像成像及采集 模塊將通過(guò)光學(xué)探頭形成的多視點(diǎn)立體視覺(jué)光路將立體視覺(jué)圖像傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，計(jì) 算機(jī)內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)軟件中的圖像分析及數(shù)學(xué)計(jì)算模塊處理光條圖像，并結(jié)合標(biāo)定結(jié)果計(jì)算出 被測(cè)工件的幾何尺寸。
[0008] 所述多視點(diǎn)光柵式立體視覺(jué)傳感器光學(xué)探頭下部為一個(gè)四平面反射鏡，上部為一 個(gè)五平面反射鏡片。通過(guò)光學(xué)探頭下部四平面反射鏡和上部五平面反射鏡構(gòu)成具有較大基 線距的四個(gè)立體視覺(jué)光路。同時(shí)，下部四平面反射鏡中有通孔，內(nèi)放置攝像機(jī)用的微型鏡 頭；上部五平面反射鏡片中也有一通孔，內(nèi)放置光條投射器用的微型鏡頭。經(jīng)光纖傳輸，光 條投射器發(fā)出的光條圖案通過(guò)底部四平面反射鏡照射在被測(cè)工件上。通過(guò)光纖傳輸立體視 覺(jué)圖像到攝像機(jī)成像芯片上，再傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。
[0009] 所述光柵光條投射模塊主要包括光條投射器、轉(zhuǎn)接鏡頭和傳輸投送光條圖像的光 纖傳輸線。光柵圖像成像及采集模塊主要包括攝像機(jī)、控制器、轉(zhuǎn)接鏡頭和傳輸圖像的光纖 傳輸線。光柵光條投射模塊中的光條投射器將光條圖像經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)接鏡頭通過(guò)光纖傳輸線傳送 到多視點(diǎn)光柵式立體視覺(jué)傳感器光學(xué)探頭上的光條投射器用微型鏡頭上，再經(jīng)過(guò)微型鏡頭 投射到被測(cè)機(jī)械工件上。光柵圖像成像及采集模塊中的攝像機(jī)通過(guò)控制器控制，采集經(jīng)過(guò) 多視點(diǎn)光柵式立體視覺(jué)傳感器光學(xué)探頭上的圖像，再將圖像傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。
[0010]圖像分析及數(shù)學(xué)計(jì)算模塊，主要負(fù)責(zé)分析和處理傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的光條圖像 數(shù)據(jù)，得出匹配好的光條圖像后代入系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出被測(cè)工件的幾何尺寸。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明中的多視點(diǎn)光柵式立體視覺(jué)傳感器光 學(xué)探頭設(shè)計(jì)是一種簡(jiǎn)單、緊湊的光學(xué)結(jié)構(gòu)，僅采用一個(gè)攝像機(jī)和光條投射器就可以實(shí)現(xiàn)小 空間多視點(diǎn)光柵式雙目立體視覺(jué)測(cè)量。光柵光條投射模塊設(shè)計(jì)和光柵圖像成像及采集模 塊設(shè)計(jì)是采用小型鏡頭和光纖結(jié)合的方式，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)光路將光條投射器的光條圖像投 射到被測(cè)工件上，同時(shí)將光學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)到攝像機(jī)成像芯片上實(shí)現(xiàn)成像并傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存 中。圖像分析及數(shù)學(xué)計(jì)算模塊是系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)，提取圖像特征 并結(jié)合系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果實(shí)現(xiàn)狹小空間復(fù)雜精密工件幾何尺寸在線動(dòng)態(tài)測(cè)量。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu) 緊湊小巧、測(cè)量自動(dòng)化程度、系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，非常適合在狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精密工 件幾何尺寸的在線動(dòng)態(tài)測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種基于單攝像機(jī)的小空間復(fù)雜精密工件幾何尺寸在線 動(dòng)態(tài)多視點(diǎn)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)果示意圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中多視點(diǎn)光柵式立體視覺(jué)傳感器光學(xué)探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中光柵式雙目視覺(jué)傳感器的測(cè)量模型示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步詳細(xì)闡述。
[0016] 如圖1所示，本發(fā)明提供了一種僅采用單個(gè)攝像機(jī)和光條投射器就可以在狹小空 間內(nèi)進(jìn)行多視點(diǎn)測(cè)量的小空間復(fù)雜精密工件幾何尺寸在線動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包 括：多視點(diǎn)光柵式立體視覺(jué)傳感器光學(xué)探頭1、光柵光條投射模塊2、光柵圖像成像及采集 模塊3、包含圖像分析及數(shù)學(xué)計(jì)算模塊4和標(biāo)定模塊5的計(jì)算機(jī)6 ;計(jì)算機(jī)6通過(guò)光柵光條 投射模塊2將光條圖像投射在多視點(diǎn)光柵式立