專利名稱：一種激光視覺全局測量量值傳遞裝置和量值傳遞方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光視覺檢測技術，涉及對值傳遞裝置和量值傳遞方法的改進。
背景技術：
激光視覺檢測技術廣泛地應用于工件的完整性、表面平整度的測量；微電子器件(IC芯片、PC板、BGA)等的自動檢測；軟質、易碎零部件的檢測；各種模具三維形狀的檢測；機器人的視覺導引等。由激光視覺傳感器陣列組成的大型物體(如航空構件等)空間三維尺寸激光多視覺檢測系統(tǒng)具有柔性好，測量非接觸，動態(tài)響應快，能滿足大量生產“節(jié)拍”短的要求等優(yōu)點，而且整個測量過程高度自動化，具有很好的應用前景。激光多視覺檢測系統(tǒng)要實現(xiàn)全局測量，必須首先確定系統(tǒng)中各個傳感器各自的局部坐標系與檢測系統(tǒng)全局坐標系的關系，也就是全局測量的量值傳遞。因此，量值傳遞裝置的設計是關鍵。目前，激光多視覺傳感器檢測系統(tǒng)的全局測量量值傳遞裝置主要有如下幾種(1)鋸齒靶+一維移動臺+電子經緯儀對。
如圖1所示，利用該裝置實現(xiàn)全局測量量值傳遞的過程如下①首先在實驗室中完成利用鋸齒靶1實現(xiàn)系統(tǒng)中單個傳感器2的局部量值傳遞。要求鋸齒靶1必須垂直放置且鋸齒靶基準面要平行于傳感器攝像機的像平面。局部量值傳遞完成后，傳感器各部件的位置必須有良好的固定，不能發(fā)生變化，以保證量值傳遞結果的有效性。
②到測量現(xiàn)場，將所有傳感器固定，構建好整個系統(tǒng)后，在每一個傳感器的測量空間放置一次鋸齒靶1，由經緯儀對3和該傳感器同時分別測量鋸齒靶齒楞與激光光條至少3個公共的非共線的交點在各自坐標系下的三維世界坐標，然后通過這些公共點實現(xiàn)從傳感器局部坐標系到全局測量坐標系的量值傳遞。
③重復②的過程，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)全局測量的量值傳遞。
(2)三維立體靶+電子經緯儀對如圖2所示，利用該裝置實現(xiàn)全局測量量值傳遞的過程如下
①首先在實驗室中完成利用三維立體靶4實現(xiàn)系統(tǒng)中單個傳感器5的局部量值傳遞。該三維立體靶是在一個鋼制的平板上安裝了一定數(shù)量的一端帶小球的支桿，所有支桿的尺寸完全相同，且在平板上安裝的間距精確已知。要求傳感器投射的激光光平面必須剛好通過所有支桿頂端的小球的最頂點，這樣，小球的最頂點就可以作為量值傳遞的特征點。局部量值傳遞完成后，傳感器各部件的位置必須有良好的固定，不能發(fā)生變化，以保證量值傳遞結果的有效性。
②到測量現(xiàn)場，將所有傳感器固定，構建好整個系統(tǒng)后，在每一個傳感器的測量空間放置一次三維立體靶，由經緯儀對6和該傳感器同時分別測量三維立體靶至少3個公共的小球的最頂點在各自坐標系下的三維世界坐標，然后通過這些公共最頂點實現(xiàn)從傳感器局部坐標系到全局測量坐標系的量值傳遞。
③重復②的過程，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)全局測量的量值傳遞。
(3)三維立體靶+拉絲立體靶+電子經緯儀如圖3所示，利用該裝置實現(xiàn)全局測量量值傳遞的過程如下①首先在實驗室中利用三維立體靶7(與圖2中的三維立體靶4一樣)實現(xiàn)系統(tǒng)中單個傳感器5的局部量值傳遞。局部量值傳遞完成后，傳感器各部件的位置必須有良好的固定，不能發(fā)生變化，以保證量值傳遞結果的有效性。
②到測量現(xiàn)場，將所有傳感器固定，構建好整個系統(tǒng)后，整個系統(tǒng)的測量空間內放置好拉絲立體靶，使得所有的激光視覺傳感器投射的激光平面與拉絲立體靶的細絲的交點都能被電子經緯儀對看到。由經緯儀對6和每個傳感器分別測量傳感器在拉絲立體靶的細絲上形成的至少3個公共的亮激光點在各自坐標系下的三維世界坐標，然后通過這些公共亮激光點實現(xiàn)從傳感器局部坐標系到全局測量坐標系的量值傳遞。
上述現(xiàn)有量值傳遞裝置及量值傳遞實現(xiàn)過程存在如下不足①傳感器局部量值傳遞在實驗室完成后，在往現(xiàn)場運輸?shù)倪^程中，由于震動等無法克服因素的影響，傳感器各個部件的相對位置可能會發(fā)生變化，從而使得局部量值傳遞的結果失真。
②裝置(1)的鋸齒靶和裝置(2)三維立體靶由于形式的限制，往往出現(xiàn)盲區(qū)，使得激光視覺測量系統(tǒng)能夠實現(xiàn)全局測量量值傳遞的范圍受到很大的限制。
③裝置(1)中的鋸齒靶的齒楞很容易發(fā)生強反射，使得齒楞上的激光交點的瞄準精度和圖像坐標的提取精度都大大降低，從而影響量值傳遞的精度。另外，實際操作過程中要實現(xiàn)鋸齒靶基準面的嚴格豎直和與攝像機像平面的嚴格平行是很困難的，這也給量值傳遞帶來了誤差。
④裝置(2)和裝置(3)中的三維立體靶的加工很難達到高的精度，并且，實際操作中如何使得光平面恰好過所有支桿小球的最頂點是一件幾乎不能準確完成的事情，因此，這也就影響了量值傳遞的精度。
⑤全局測量量值傳遞過程中經過了多次(至少兩次)坐標系的轉換，不可避免地造成了量值傳遞精度的損失。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是一種易于加工、精度較高的激光視覺全局測量量值傳遞裝置以及使用該裝置的量值傳遞方法，以便進一步提高激光多視覺檢測系統(tǒng)的測量精度。
本發(fā)明的技術方案是一種激光視覺全局測量量值傳遞裝置，包括電子經緯儀對，其特征在于，有一個拉絲靶標，它由一個底板、兩個結構相同的支撐板11和半透明的高強度尼龍絲12組成，在支撐板11的板面上分布有縱橫間隔距離相同的10～30個螺紋孔，間距為20～40mm，在支撐板11的下端面有帶有固定螺釘孔的腳片，通過螺釘將兩個支撐板11板面相對平行地固定在底板上，有10～30根高強度尼龍絲12，其兩端各連接一個調整螺釘13，分別擰在兩個支撐板11板面上的螺紋孔中，所有的高強度尼龍絲12保持平行。
使用如上面所述的量值傳遞裝置進行量值傳遞的方法，其特征在于，操作步驟如下(1)在測量現(xiàn)場，將所有傳感器固定好；(2)將拉絲靶標的兩個支撐板11固定在底板上，間隔適當距離，將高強度尼龍絲12固定在支撐板11上，然后調節(jié)調整螺釘13，將細絲拉緊；(3)開啟系統(tǒng)中所有激光視覺傳感器的電源，向拉絲立體靶投射激光平面，在細絲上形成亮的激光點；(4)把電子經緯儀對放置到合適的位置，確認兩臺電子經緯儀能夠看到拉絲立體靶的細絲上所有的亮激光點；
(5)由電子經緯儀對測得所有亮激光點在全局測量坐標系下的三維坐標；(6)由各個激光視覺傳感器獲取對應于該傳感器的至少3個非共線的亮激光點圖像坐標，然后結合其對應的由電子經緯儀對測得的全局測量坐標系下的三維坐標，就可以直接實現(xiàn)各個激光視覺傳感器到全局測量坐標系的量值傳遞。
本發(fā)明的優(yōu)點是(1)由于只用到拉絲立體靶，采用半透明細絲，且支撐板的距離可靈活調節(jié)，因此可實現(xiàn)較大范圍的激光多視覺檢測系統(tǒng)的全局測量量值傳遞，實用性強。
(2)實現(xiàn)了在測量現(xiàn)場全局量值傳遞和局部量值傳遞的統(tǒng)一，避免了傳感器搬運過程和安裝過程中可能引起的傳感器參數(shù)的變化而產生的精度損失，保證了量值傳遞狀態(tài)和工作狀態(tài)的一致性，有利于提高整個激光多視覺檢測系統(tǒng)的精度。
(3)減少了坐標轉換次數(shù)，從而減少了由坐標系轉換所帶來的精度損失。
(4)能夠產生更多的特征點用于量值傳遞計算。
(5)可擴展性強。當需要更多的特征點時，可以在支撐板上增加螺紋孔，從而增加細絲的數(shù)量。


圖1是由鋸齒靶+一維移動臺+電子經緯儀對構成的量值傳遞裝置示意圖，其中1是鋸齒靶，2是激光視覺傳感器，3是電子經緯儀對。
圖2是由三維立體靶+電子經緯儀對構成的量值傳遞裝置示意圖，其中4是三維立體靶，5是激光視覺傳感器，6是電子經緯儀對。
圖3是由三維立體靶+拉絲立體靶+電子經緯儀對構成的量值傳遞裝置示意圖，其中7是三維立體靶，8是拉絲立體靶，9是激光視覺傳感器，10是電子經緯儀對。
圖4是本發(fā)明的由拉絲立體靶+電子經緯儀對構成的量值傳遞裝置示意圖，其中11是拉絲靶標支撐板，12是半透明高強度尼龍細絲，13是細絲旋緊調整螺釘，14是固定支撐板的螺釘孔，15是激光視覺傳感器，16是電子經緯儀對。
圖5是一個拉絲靶標的實施例。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明做進一步詳細說明。參見圖4，本發(fā)明的量值傳遞裝置，包括電子經緯儀對，其特征在于，有一個拉絲靶標，它由一個底板、兩個結構相同的支撐板11和半透明的高強度尼龍絲12組成，在支撐板11的板面上分布有縱橫間隔距離相同的10～30個螺紋孔，間距為20～40mm，在支撐板11的下端面有帶有固定螺釘孔的腳片，通過螺釘將兩個支撐板11板面相對平行地固定在底板上，有10～30根高強度尼龍絲12，其兩端各連接一個調整螺釘13，分別擰在兩個支撐板11板面上的螺紋孔中，所有的高強度尼龍絲12保持平行。
使用如上面所述的量值傳遞裝置進行量值傳遞的方法，其特征在于，操作步驟如下(1)在測量現(xiàn)場，將所有傳感器固定好；(2)將拉絲靶標的兩個支撐板11固定在底板上，間隔適當距離，將高強度尼龍絲12固定在支撐板11上，然后調節(jié)調整螺釘13，將細絲拉緊。
(3)開啟系統(tǒng)中所有激光視覺傳感器的電源，向拉絲立體靶投射激光平面，在細絲上形成亮的激光點。
(4)把電子經緯儀對放置到合適的位置，確認兩臺電子經緯儀能夠看到拉絲立體靶的細絲上所有的亮激光點。
(5)由電子經緯儀對測得所有亮激光點在全局測量坐標系下的三維坐標。(具體方法見羅明，《多傳感器機器視覺測量系統(tǒng)的研究及應用》，天津天津大學博士學位論文，1996)(6)由各個激光視覺傳感器獲取對應于該傳感器的至少3個非共線的亮激光點圖像坐標，然后結合其對應的由電子經緯儀對測得的全局測量坐標系下的三維坐標，就可以直接實現(xiàn)各個激光視覺傳感器到全局測量坐標系的量值傳遞。(具體方法見羅明，《多傳感器機器視覺測量系統(tǒng)的研究及應用》，天津天津大學博士學位論文，1996)實施例圖5為所設計的一個拉絲靶標的實施例，它由一個底板19、兩個結構相同的支撐板18和半透明的高強度尼龍絲20組成，17為線結構光視覺傳感器。在支撐板的板面上分布有縱橫間隔距離相同的20個螺紋孔，間距為20mm，在支撐板的下端面有帶有固定螺釘孔的腳片，通過螺釘將兩個支撐板板面相對平行地固定在底板上，有20根高強度尼龍絲，其兩端各連接一個調整螺釘，分別擰在兩個支撐板板面上的螺紋孔中，所有的高強度尼龍絲保持平行。
將該拉絲靶標固定在由2個激光視覺傳感器構成的視覺檢測系統(tǒng)的合適的位置，同時固定好電子經緯儀對，使得每個傳感器都可以在拉絲靶標上產生用于量值傳遞的激光亮點并且可以被電子經緯儀對觀察到。
用電子經緯儀對為每個激光視覺傳感器分貝測得拉絲靶標上20個用于量值傳遞的激光亮點進行量值傳遞計算，最后計算所得的量值傳遞結果如下●傳感器1旋轉矩陣R=-1.783381e-0011.701257e-0029.838221e-0013.250476e-002-9.992029e-0012.317070e-002-9.834322e-001-3.611112e-002-1.776430e-001]]>平移矢量T=-956.576883.7061637.892]]>光平面方程系數(shù)[a b c d]＝[-2.944390e-005 -1.972100e-006 -5.689542e-004 8.509856e-001]●傳感器2旋轉矩陣R=-2.418655e-0011.052750e-0029.702526e-001-9.727271e-003-9.999172e-0018.424555e-003-9.702610e-0017.400301e-003-2.4194781e-001]]>平移矢量T=-1218.710961.3041754.266]]>
光平面方程系數(shù)[a b c d]＝[-2.472870e-005 -3.297900e-006 -4.897406e-004 9.291334e-001]獲得上述量值傳遞結果后，對系統(tǒng)中兩個傳感器的量值傳遞精度進行評價，一是用量值傳遞特征點反算結果來評價；二利用傳感器和經緯儀對實測同樣的空間點比對進行評價。
(1)量值傳遞特征點反算評價結果獲得傳感器的量值傳遞結果后，利用量值傳遞結果反算量值傳遞特征點的三維世界坐標，并與由經緯儀測得的三維坐標進行比對，具體數(shù)據(jù)見表1和表2。
表1 傳感器1量值傳遞特征點反算比對實驗結果

表2 傳感器2量值傳遞特征點反算比對實驗結果

(2)傳感器實測空間點評價結果利用兩個激光視覺傳感器和經緯儀對分別對空間4個點進行測量，比對其測量寄過，具體數(shù)據(jù)見表3。
表3 兩個傳感器的測量精度評定實驗結果

權利要求
1.一種激光視覺全局測量量值傳遞裝置，包括電子經緯儀對，其特征在于，有一個拉絲靶標，它由一個底板、兩個結構相同的支撐板[11]和半透明的高強度尼龍絲[12]組成，在支撐板[11]的板面上分布有縱橫間隔距離相同的10～30個螺紋孔，間距為20～40mm，在支撐板[11]的下端面有帶有固定螺釘孔的腳片，通過螺釘將兩個支撐板[11]板面相對平行地固定在底板上，有10～30根高強度尼龍絲[12]，其兩端各連接一個調整螺釘[13]，分別擰在兩個支撐板[11]板面上的螺紋孔中，所有的高強度尼龍絲[12]保持平行。
2.使用如權利要求1所述的量值傳遞裝置進行量值傳遞的方法，其特征在于，操作步驟如下(1)在測量現(xiàn)場，將所有傳感器固定好；(2)將拉絲靶標的兩個支撐板[11]固定在底板上，間隔適當距離，將高強度尼龍絲[12]固定在支撐板[11]上，然后調節(jié)調整螺釘[13]，將細絲拉緊；(3)開啟系統(tǒng)中所有激光視覺傳感器的電源，向拉絲立體靶投射激光平面，在細絲上形成亮的激光點；(4)把電子經緯儀對放置到合適的位置，確認兩臺電子經緯儀能夠看到拉絲立體靶的細絲上所有的亮激光點；(5)由電子經緯儀對測得所有亮激光點在全局測量坐標系下的三維坐標；(6)由各個激光視覺傳感器獲取對應于該傳感器的至少3個非共線的亮激光點圖像坐標，然后結合其對應的由電子經緯儀對測得的全局測量坐標系下的三維坐標，就可以直接實現(xiàn)各個激光視覺傳感器到全局測量坐標系的量值傳遞。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光視覺檢測技術，涉及對量值傳遞裝置和量值傳遞方法的改進。本發(fā)明拉絲靶標由底板、支撐板11和尼龍絲12組成，在支撐板上有螺紋孔，尼龍絲12兩端各連接一個調整螺釘13，擰在兩個支撐板上的螺紋孔中。本發(fā)明調節(jié)靈活，實用性強；保證了量值傳遞狀態(tài)和工作狀態(tài)的一致性，檢測精度高；減少了坐標轉換次數(shù)，從而減少了精度損失；能夠產生更多用于量值傳遞計算的特征點；可擴展性強。
文檔編號G01B11/00GK1912533SQ200510090139
公開日2007年2月14日 申請日期2005年8月11日 優(yōu)先權日2005年8月11日
發(fā)明者張廣軍, 魏振忠, 周富強, 江潔 申請人:北京航空航天大學