采用坐標(biāo)跟蹤控制板的大視場全局測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于視覺測量領(lǐng)域，涉及一種采用坐標(biāo)跟蹤控制板的大視場全局測量方 法，該方法可以實現(xiàn)對大視場范圍內(nèi)復(fù)雜工況下大型零部件快速高精度測量，是一種結(jié)合 多種光學(xué)元器件的測量方式。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國家綜合實力的不斷增長，大型飛機的應(yīng)用越來越廣泛，飛機制造過程中所 使用的大型零部件對其制造成型以及裝配檢測提出很高的要求?，F(xiàn)階段針對航空領(lǐng)域大 型零部件測量國內(nèi)外主要有以下幾種方法：機器視覺法、激光跟蹤儀測量法、室內(nèi)GPS測量 法、激光雷達測量法以及三坐標(biāo)測量法等。傳統(tǒng)的機器視覺法是通過機器視覺產(chǎn)品獲取被 測物的圖像信息，通過對圖像信息的特征進行提取匹配完成測量任務(wù)；三坐標(biāo)測量法是接 觸式測量，利用測量探頭接觸被測物從而獲取相關(guān)的位置信息；激光跟蹤儀測量法是利用 激光干涉測距原理結(jié)合高精度的角度編碼裝置完成對被測物幾何信息的精確測量；室內(nèi) GPS測量法利用三角測量原理建立坐標(biāo)系，通過布置信號發(fā)射器與一系列的接收裝置獲取 被測物的位置信息；激光雷達測量法是利用激光光束作為雷達工作光束，通過對比發(fā)射和 反射的光束進而獲取被測物的測量信息。
[0003] 在大型零部件的實際測量過程中，測量的視場范圍大，測量的現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，單純 利用激光跟蹤儀或傳統(tǒng)的視覺測量的方式往往會出現(xiàn)被測物相互遮擋等問題，難以實現(xiàn)對 大型零部件的整體精確測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是針對航空領(lǐng)域大型飛機零部件生產(chǎn)裝配檢測中現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，測量 視場范圍大，采用常用的測量方式有一定局限性，難以測量被測物遮擋部位的問題。發(fā)明了 一種采用坐標(biāo)跟蹤控制板的大視場全局測量方法，將雙目相機固定在帶有坐標(biāo)跟蹤控制板 的三角架上，利用傳統(tǒng)視覺方法結(jié)合激光跟蹤儀完成全局視覺標(biāo)定，利用坐標(biāo)變換關(guān)系建 立全局坐標(biāo)系，最終實現(xiàn)針對大型零部件的全局精確測量。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種采用坐標(biāo)跟蹤控制板的大視場全局測量方法，其特 征是，該測量方法采用了安裝在三腳架上的坐標(biāo)跟蹤控制板，實現(xiàn)視覺測量設(shè)備與激光跟 蹤儀在具有非共同視場情況下的有效結(jié)合，將左右相機內(nèi)外參數(shù)分離標(biāo)定，建立測量現(xiàn)場 的全局坐標(biāo)系，從而完成基于大視場的全局測量；方法的具體步驟如下：
[0006] 第一步安裝大視場全局測量系統(tǒng)
[0007] 1)將控制板靶球1固定在圓形的轉(zhuǎn)盤3上，再將步進電機2安裝在轉(zhuǎn)接支架8上， 步進電機2的輸出端連接轉(zhuǎn)盤3,轉(zhuǎn)盤3、步進電機2和控制板靶球1構(gòu)成了坐標(biāo)跟蹤控制 板；坐標(biāo)跟蹤控制板通過轉(zhuǎn)接支架8安裝在相機安裝板12中部，相機安裝板12安裝在三腳 架5上；再將左右相機分別安裝在相機安裝板12的兩端；左、右相機4、9和激光跟蹤儀6都 與計算機7相連接，組成大視場全局測量系統(tǒng)；
[0008] 第二步測量前準(zhǔn)備步驟
[0009] 1)相機內(nèi)參數(shù)標(biāo)定
[0010] 利用張氏標(biāo)定法結(jié)合棋盤格標(biāo)定板11進行標(biāo)定，先在棋盤格標(biāo)定板11的右半部 分上下對稱安裝四個標(biāo)定板靶球10,并利用激光跟蹤儀6結(jié)合標(biāo)定公式（1)進行標(biāo)定：
[0012] 其中[uv1]T是拍攝棋盤格標(biāo)定板角點圖像的二維像素坐標(biāo)組成的齊次矩陣，[Xw YwZw 1]T是棋盤格標(biāo)定板1上角點的空間三維坐標(biāo)組成的齊次矩陣（世界坐標(biāo)），完成相 機內(nèi)參數(shù)標(biāo)定。
[0013] 2)確定激光跟蹤儀坐標(biāo)系和左右相機坐標(biāo)系的變換關(guān)系
[0014] 利用激光跟蹤儀6測量標(biāo)定板靶球10,得到標(biāo)定板靶球10在激光跟蹤儀坐標(biāo)系 OJYZ下的空間坐標(biāo)，結(jié)合已知的內(nèi)外參數(shù)矩陣，便可以知道四個靶球在當(dāng)前相機的世界坐 標(biāo)系〇wXYZ下的坐標(biāo)，進而得到激光跟蹤儀坐標(biāo)系0JYZ和世界坐標(biāo)系0WXYZ的位置變換關(guān) 系，也即為一個旋轉(zhuǎn)平移矩陣X 1= [Ri TJ，由于相機坐標(biāo)系(\XYZ和世界坐標(biāo)系0WXYZ的關(guān) 系已知（外參數(shù)矩陣），這樣就能得到相機坐標(biāo)系(\XYZ與激光跟蹤儀坐標(biāo)系0JYZ的位置 變換關(guān)系，即為旋轉(zhuǎn)平移矩陣X 2= [R2 T2]。
[0015] 3)確定坐標(biāo)跟蹤控制板坐標(biāo)系和左右相機坐標(biāo)系的變換關(guān)系
[0016] 測量坐標(biāo)跟蹤控制板上的控制板靶球1，控制轉(zhuǎn)盤3轉(zhuǎn)動以建立其坐標(biāo)系ObXYZ， 那么坐標(biāo)跟蹤控制板坐標(biāo)系〇bXYZ與激光跟蹤儀坐標(biāo)系的位置變換關(guān)系也可以知道，即為 旋轉(zhuǎn)平移矩陣X3= [R3T3]，再結(jié)合上面求出的相機坐標(biāo)系與激光跟蹤儀坐標(biāo)系0JYZ的位 置變換關(guān)系，就可以得到坐標(biāo)跟蹤控制板坐標(biāo)系〇bXYZ與相機坐標(biāo)系的位置變換關(guān)系，即為 旋轉(zhuǎn)平移矩陣X4= [R4TJ。
[0017] 4)建立全局坐標(biāo)系
[0018] 進行零件測量時，選擇需要的位置同樣放置好左、右相4、9,保持左、右相機4、9和 坐標(biāo)跟蹤控制板的相對位置不變，在現(xiàn)場放置好激光跟蹤儀6,先用激光跟蹤儀6測量坐標(biāo) 跟蹤控制板上的控制板靶球1的空間位置，同樣控制轉(zhuǎn)盤3轉(zhuǎn)動重新建立跟蹤控制板坐標(biāo) 系〇'bXYZ，這樣就知道坐標(biāo)系O'bXYZ到激光跟蹤儀坐標(biāo)系hXYZ新的位置變換矩陣X5 =[R5T5]，由于左右相機相對于坐標(biāo)跟蹤控制板的相對位置無變化，那么坐標(biāo)跟蹤控制板 坐標(biāo)系〇'bXYZ與相機坐標(biāo)系(\XYZ和0KXYZ的位置變換關(guān)系也是不變的，這樣結(jié)合矩陣X4 和X5就可以快速實現(xiàn)左右相機坐標(biāo)系0JYZ和0KXYZ到激光跟蹤儀坐標(biāo)系0JYZ位置變換， 也即為旋轉(zhuǎn)平移矩陣X6= [R6T6]，這樣就完成了整個視場的全局標(biāo)定，進而建立了全局測 量坐標(biāo)系。
[0019] 第三步實際測量過程
[0020] 將被測物體放置在大視場全局測量系統(tǒng)中，移動三角架5到需要拍攝的位置，激 光跟蹤儀6向被測物表面投射光條，利用左、右相機4、9進行圖像采集；采用Hough變換方 法來提取被測物的關(guān)鍵信息，設(shè)被測物邊緣的參數(shù)方程為
[0021] p=Ujcos0+ViSin0 (2)
[0022] 其中，P為坐標(biāo)原點與直線的距離，0為邊緣與圖像坐標(biāo)的軸夾角；Ui、Vi分別是 圖像中特征點在圖像像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，則可得出空間直線的參數(shù)為：
[0023] k=-cot0 (3)
[0024] b=p/sin0 (4)
[0025] 進而可得到輪廓邊緣的直線方程：
[0026] y=x(-cot0 x) +px/sin0x (5)
[0027] y=x(-cot0 r) +pr/sin0r (6)
[0028] 其中，（Pu0D和（P,，0 ,)分別為左右邊緣方程的對應(yīng)參數(shù)，由于光條邊緣直線 近似平行，故光條寬度D可采用兩平行直線間距離公式進行計算：
[0029] k= -(cot0x+cot0 r)/2 (7)
[0031] 其中，k為輪廓邊緣的平均斜率，用于計算輪廓間距；最后采用幾何中心法確定光 條中心；最后，將左右相機拍攝圖像的光條中心進行匹配就可以還原被測物的三維形貌，從 而完成被測物體的測量。
[0032] 本發(fā)明的效果和益處是：發(fā)明了一個固定在相機安裝板上可以旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)跟蹤控 制板用于大視場全局的標(biāo)定以及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，在傳統(tǒng)視覺標(biāo)定的基礎(chǔ)上，結(jié)合激光跟蹤儀， 利用帶有激光跟蹤儀靶球的棋盤格標(biāo)定板，將相機的內(nèi)外參數(shù)分離標(biāo)定，傳統(tǒng)標(biāo)定方法用 于在實驗室內(nèi)完成內(nèi)參數(shù)標(biāo)定以及確定相機和支架上坐標(biāo)跟蹤控制板的位置變換關(guān)系，然 后在工業(yè)測量現(xiàn)場，只需要簡單利用激光跟蹤儀對坐標(biāo)跟蹤控制板的位置進行確定，進而 利用坐標(biāo)系變換就可以快速完成相機外參數(shù)標(biāo)定工作實現(xiàn)對這個測量視場的全局標(biāo)定和 測量。改進了傳統(tǒng)測量方法視場范圍小、效率低、難以測量被測零件遮擋部位且必須依賴標(biāo) 定物的缺點，快速完成工業(yè)現(xiàn)場大視場的全局測量工作。
【附圖說明】
[0033] 圖1是測量方法實施示意圖，其中，1-控制板靶球，2-步進電機，3-轉(zhuǎn)盤，4-左相 機，5-三腳架，6-激光跟蹤儀，7-計算機，8-轉(zhuǎn)接支架，9-右相機，10-標(biāo)定板靶球，11-棋盤 格標(biāo)定板，12-相機安裝板。
[0034] 圖2是測量過程流程圖
【具體實施方式】
[0035] 以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的【具體實施方式】。卒實施例采用坐標(biāo) 跟蹤控制板進行全局測量，輔以傳統(tǒng)視覺測量設(shè)備，并且結(jié)合激光跟蹤儀完成基于大視場 的全局測量。采用的轉(zhuǎn)盤3為直徑40mm厚度為3mm的圓形金屬板，左、右相機4、9均為 Viewworks2900萬像素全畫幅工業(yè)相機，拍攝幀頻為20Hz。
[0036] 1.測量準(zhǔn)備工作
[0037] 如圖1所示：首先，在標(biāo)定之前根據(jù)拍攝的需要將左相機4以及右相機9安裝在相 機安裝板12的兩端，調(diào)整好拍攝角度后，將相機固定，這時左、右相機4、9相對于三角架5 上的坐標(biāo)跟蹤控制板的相對位置關(guān)系就固定不變了。完成以上步驟后將激光跟蹤儀6放置 在合適的位置，使其可以測量到控制板靶球1以及棋盤格標(biāo)定板11上的標(biāo)定板靶球10。
[0038] 2.左右相機內(nèi)參數(shù)標(biāo)定
[0039] 利用張氏標(biāo)定法結(jié)合棋盤格標(biāo)定板11進行標(biāo)定，先在棋盤格標(biāo)定板11的右半部 分上下對稱安裝四個標(biāo)定板靶球10。將棋盤格標(biāo)定板11放置在相機前方，對左右相機進行 對焦，對焦完成后相機的內(nèi)參數(shù)就固定不變了。這時利用傳統(tǒng)的張氏標(biāo)定方法將棋盤格標(biāo) 定板在相機的視場范圍內(nèi)擺放多個位置，并利用左右相機分別拍照，在得到13組照片后， 根據(jù)公式（1)就可以對左相機4以及右相機9分別進行標(biāo)定，得到其內(nèi)參數(shù)以及外參數(shù)矩 陣，通過外參數(shù)矩陣就可以實現(xiàn)世界坐標(biāo)系〇wXYZ到左右相機坐標(biāo)系(\XYZ以及OkXYZ的轉(zhuǎn) 換。這樣就完成了對左右相機的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定。
[0040] 3.確定激光跟蹤儀坐標(biāo)系和左右相機坐標(biāo)系的變換關(guān)系
[0041] 將棋盤格標(biāo)定板11固定，利用激光跟蹤儀6