一种基于位姿估计的测棒快速标定装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于位姿估计的测棒快速标定装置和方法，属于测量、测试领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着科学技术的发展和各种先进制造技术思想和理论的不断提出，尤其 是以数字化制造为核心的先进技术的迅猛发展，使得计算机辅助检测和计算机辅助质量的 应用更加广泛。以计算机视觉为基础的视觉测量，是在三维坐标测量技术上发展起来的一 门新兴空间三维坐标测量技术。它采用高分辨率、广视角的相机和高采集被测件的高分辨 率数字图像，用高性能计算机经过图像处理和相关算法计算获得被测件的空间三维坐标。 目前，视觉测量方案主要分为单相机测量和多相机测量。单相机测量是通过分析图像中的 测棒上各目标革巴点的图像坐标位置，利用"η点透视问题"(Perspective-n-Point,简称PNP 问题)的求解方法求出被测件在摄像机坐标系下的位姿参数，进而实现三维测量。多相机测 量一般是利用三角测量原理，通过计算图像对应点间的视差，以获取被测件表面点的三维 信息。这类测量方法抛弃了传统的机械导轨式三维坐标测量模式，以其简单、灵活的系统结 构适应现代制造业对测量技术和系统在测量精度、速度及操作便利性等多方面的要求。目 前主要应用在三维形貌及几何尺寸测量，逆向工程中数据点云的快速获取，改善三坐标测 量机性能的辅助工具，大尺寸高精度三维坐标测量等领域。而这类测量方法往往需要提前 确定测头中心与目标靶点之间的位置关系。由于测棒上的测头会反复地被拆卸安装，导致 测头中心位置信息变动，直接影响到测量精度。因此，提出一个标定测棒上目标靶点中心相 对于测棒测头中心准确位置的装置和方法是有重要意义和价值的。
[0003] 单目视觉测量具有极其广阔的应用前景，尤其是大尺度测量领域体现的优势尤为 突出。为了能够在现场快速测量，要求系统对环境具有快速适应性。具体来说，在测量不同 的物体，如隐藏点，小孔等时，需要安装不同的测头。每一次新安装的测棒测头的中心位置 与前一次一般不同，即使重新安装同一个探头，由于安装用力大小不同，测头中心的位置也 会与前一次有所不同。而测量现场一般没有精密坐标测量仪器对测头进行现场标定，这就 给测量带来了不便。为了能将更换测针的测棒立即投入使用，就需要对测头中心在测棒坐 标系下的坐标值进行快速自标定。
[0004] 目前现有的标定方法主要还是通过三坐标测量机等精密仪器来测量各个特征点 的位置信息。但是由于每一次现场测量，都可能需要拆卸安装不同型号的测棒测头，而三坐 标测量机体积庞大，笨重，导致这种视觉测量系统操作便利，适合在复杂的工业现场进行测 量的优点无法发挥，另外，这种标定方法成本昂贵。
【发明内容】
[0005] 为了精确标定测棒上目标靶点中心相对于测棒测头中心准确位置，本发明的目的 是提供一种基于位姿估计的测棒快速标定装置和方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明的构思是： 该装置由高性能相机、定制标定辅件构成，用来标定测棒上目标靶点相对于测棒测头 中心准确位置，为测量系统的高精度测量奠定基础。测棒上的目标靶点绕测头中心旋转运 动，当已知三个以上的不共面的姿态时，可唯一确定旋转中心位置。拍摄不同姿态下的测 棒，识别标识测棒上的目标祀点，采用PNP算法或者立体视觉算法计算目标祀点的三维位 置，根据刚体运动变换计算目标靶点的三维姿态，进而使用相关算法计算出各个目标靶点 中心点在以测头中心为原点的右手坐标系下的精确三维坐标。
[0007] 根据以上构思，本发明采用下述技术方案： 一种基于位姿估计的测棒快速标定装置，包括一个具有既定分布目标靶点的测棒、一 个相机、一个标定辅件、一台计算机；所述标定辅件放置在相机视场范围之内，将测棒的测 棒测头前端置于标定辅件上的一个定孔，围绕该定孔摆动测棒，分别置于i个不同位姿，其 中3的自然数，同时相机拍摄当前位姿下的测棒，所述相机与计算机连接，将采集的图 像在计算机上利用图像处理的方法得到各个位姿下的位姿参数，通过相关算法计算得到各 个目标靶点的中心点在以测棒测头中心为原点的右手坐标系下的精确三维坐标。
[0008] 所述标定辅件上等距分布了若干孔径小于测棒测头直径的标定定孔，用以作为标 定过程中与测棒测头充分接触形成球运动副，若干标定定孔的孔径不同，配合不同直径的 测棒测头使用；标定辅件四个边角位置分别布置了四个固定螺纹孔，保证在标定过程中标 定辅件位置信息是唯一不变的；标定辅件上布置了两个高加工精度的校核孔，用来校核视 觉测量系统中测孔功能的测量误差；标定辅件的两个面作为被夹具固定的夹持面；标定辅 件上的另外两个面为校核面，作为校核视觉测量系统的测面功能的测量误差。
[0009] -种基于位姿估计的测棒快速标定方法，实施步骤为： 第一步：将测棒及标定辅件放置在已经标定好的相机视场之内，并利用标定辅件上的 螺纹孔将标定辅件固定在相对于相机的静态基面上； 第二步：将测棒测头前端放置在标定辅件上的某一直径小于测棒测头直径的标定定孔 上； 第三步：摆动测棒，使得测棒处于i个不同位姿，其中i多3的自然数，同时，测棒上的 目标靶点需要朝向相机，相机同步拍摄； 第四步：将拍摄到的不同位姿图像在计算机上利用图像处理的方法得到各个位姿下的 位姿参数； 第五步：通过计算，求出测棒测头中心坐标，再将目标靶点坐标统一在以测棒测头中心 为原点建立的右手直角坐标系上。
[0010] 所述第三步中相机同步拍摄不同位姿下的测棒上的目标靶点，该目标靶点在图像 中呈现的轮廓为椭圆光斑；通过对图像进行预处理及轮廓检测，并进行椭圆拟合，从而得到 椭圆光斑中心在图像中的精确位置信息，为后续计算测棒所处位姿的位姿信息做好准备。
[0011] 所述第五步中计算测棒测头中心坐标的方法为：通过第四步得到的位姿参数，能 够得到测棒上目标靶点中心点在相机坐标系下的三维坐标信息；首先，求出相邻不同位姿 之间的变换，包括旋转矩阵