專利名稱：大空間視覺跟蹤6d測量系統及測量方法
技術領域：
本發明涉及工業用尺寸測量系統，特別是應用于工業現場的大尺寸空間精密測量，具體為一種大空間視覺跟蹤6D測量系統及測量方法。
背景技術：
目前，隨著我國大型裝備制造業的發展，對空間大尺寸精密測量技術提出了越來越高的要求。現有的空間大尺寸測量系統主要由以下幾種構成(1)經緯儀測量系統；(2) 激光跟蹤測量系統；(3)數字近景工業攝影測量系統；(4)激光掃描測量系統；(5)關節臂坐標測量系統；(6)室內GPS。以上測量系統大都是單點測量，不能實現六個自由度的測量。 瑞士 Leica公司設計的激光跟蹤儀雖然實現了六個自由度的測量，但是需要激光的配合。
發明內容
本發明的目的是提供一種大空間視覺跟蹤6D測量系統及測量方法，以解決現有大空間坐標測量系統無法同時測量測頭或被測物體三個坐標和三個方位的六自由度測量問題。為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為大空間視覺跟蹤6D測量系統，包括有一個攝像機和一個獨立的六自由度測頭，其特征在于所述攝像機安裝在三維旋轉云臺上，繞云臺的水平軸和垂直軸轉動，其轉角用安裝在三維旋轉平臺上的角度編碼器讀出；六自由度測頭在空間的三個坐標和三個姿態方位由攝像機跟蹤測量獲得。所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統，其特征在于所述攝像機為自動變焦攝像機，其光圈、焦距、焦點位置可以自動和手動調整。所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統，其特征在于所述的六自由度測頭包括一個靶標球和一個球探頭，兩者之間用測桿相連接，在測桿上還安裝一個測頭手柄。所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統，其特征在于所述靶標球為具有內部空腔的球體，其外表面上按照一定角度均勻地在經線和緯線的相交位置布置圓柱孔，圓柱孔的軸線與球心相交。所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統，其特征在于所述靶標球圓柱孔里按照偽隨機陣列編碼的排列規則安置三種顏色標識，孔在表面上的位置由偽隨機陣列編碼顏色標識
唯一確定。所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統，其特征在于所述的三種顏色標識由紅、黃、 藍三種發光二極管實現，也可以用不發光的紅、黃、藍三種彩色物體實現。所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統，其特征在于所述測頭手柄和攝像機云臺內部安置無線收發器，實現六自由度測頭與攝像機之間的數據通訊。所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統的測量方法，其特征在于包括以下步驟(1)建立六自由度測頭坐標系以靶標球的球心為測頭坐標系的原點，建立測頭坐標系0_Xt，Yt, Zt，靶標球表面上孔的中心位置在測頭坐標系下的坐標設為(xti，yti, zti)； 測量時所使用的球探頭中心在0-Xt，Yt, Zt坐標系下的坐標為(Xtp，Ytp，Ztp)；所述球探頭中心、靶標球表面上孔的中心位置在0-Xt，Yt, Zt坐標系下的坐標值為已知量；(2)建立云臺坐標系以攝像機坐標系0「X。，Yc, Zc的原點為原點建立云臺坐標系 O1-Xr, Yr, &，所述云臺坐標系0「Xp Yr, Zr的\坐標軸與云臺水平回轉面中的零位重合，Xr 軸與云臺垂直轉動軸中心線重合；(3)建立攝像機坐標系和云臺坐標系之間的關系所述攝像機坐標系OfX。，Yc, Zc 隨著云臺做水平和垂直軸轉動，在水平方向和垂直方向的旋轉角度分別為α，β，攝像機坐標系和云臺坐標系之間的關系用如下方程表示
(a)； (4)建立攝像機坐標系與測頭坐標系之間的關系當攝像機對靶標球成像時，設靶標球表面上孔的中心位置在圖像中的坐標為(Ui, Vi)，其對應的孔中心在測頭坐標系下的坐標為(xti，yti，zti)，建立如下方程
權利要求
1.大空間視覺跟蹤6D測量系統，包括有一個攝像機和一個獨立的六自由度測頭，其特征在于所述攝像機安裝在三維旋轉云臺上，繞云臺的水平軸和垂直軸轉動，其轉角用安裝在三維旋轉平臺上的角度編碼器讀出；六自由度測頭在空間的三個坐標和三個姿態方位由攝像機跟蹤測量獲得。
2.根據權利要求1所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統，其特征在于所述攝像機為自動變焦攝像機，其光圈、焦距、焦點位置可以自動和手動調整。
3.根據權利要求1所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統，其特征在于所述的六自由度測頭包括一個靶標球和一個球探頭，兩者之間用測桿相連接，在測桿上還安裝一個測頭手柄。
4.根據權利要求1所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統，其特征在于所述靶標球為具有內部空腔的球體，其外表面上按照一定角度均勻地在經線和緯線的相交位置布置圓柱孔，圓柱孔的軸線與球心相交。
5.根據權利要求1所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統，其特征在于所述靶標球圓柱孔里按照偽隨機陣列編碼的排列規則安置三種顏色標識，孔在表面上的位置由偽隨機陣列編碼顏色標識唯一確定。
6.根據權利要求1所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統，其特征在于所述的三種顏色標識由紅、黃、藍三種發光二極管實現，也可以用不發光的紅、黃、藍三種彩色物體實現。
7.根據權利要求1所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統，其特征在于所述測頭手柄和攝像機云臺內部安置無線收發器，實現六自由度測頭與攝像機之間的數據通訊。
8.基于權利要求1所述的大空間視覺跟蹤6D測量系統的測量方法，其特征在于包括以下步驟(1)建立六自由度測頭坐標系以靶標球的球心為測頭坐標系的原點，建立測頭坐標系0-Xt，Yt, Zt，靶標球表面上孔的中心位置在測頭坐標系下的坐標設為(xti，yti, zti)；測量時所使用的球探頭中心在0-Xt，Yt，Zt坐標系下的坐標為(Xtp，Ytp，Ztp)；所述球探頭中心、靶標球表面上孔的中心位置在0-Xt，Yt, Zt坐標系下的坐標值為已知量；(2)建立云臺坐標系以攝像機坐標系O1-Xe,Yc, Zc的原點為原點建立云臺坐標系 O1-Xr, Yr, &，所述云臺坐標系0「\，Yr, Zr的\坐標軸與云臺水平回轉面中的零位重合，Xr 軸與云臺垂直轉動軸中心線重合；(3)建立攝像機坐標系和云臺坐標系之間的關系所述攝像機坐標系O1-Xe,Yc, Zc隨著云臺做水平和垂直軸轉動，在水平方向和垂直方向的旋轉角度分別為α，β，攝像機坐標系和云臺坐標系之間的關系用如下方程表示(a)；(4)建立攝像機坐標系與測頭坐標系之間的關系當攝像機對靶標球成像時，設靶標球表面上孔的中心位置在圖像中的坐標為(Ui, Vi)，其對應的孔中心在測頭坐標系下的坐標為& ，7 ，2 )，建立如下方程COS βsin a sin βcos a sin β-1X"Yr=0cos αsin orζ-sin/ sin a cos βcos a cosβ
9.根據權利要求8所述的基于大空間視覺跟蹤6D測量系統的測量方法，其特征在于所述步驟(J)中，測頭的姿態角Ψ，θ，φ按(f)式求得
10.根據權利要求8所述的基于大空間視覺跟蹤6D測量系統的測量方法，其特征在于 所述靶標球可以獨立固定在待測物體上，隨物體一起運動，用攝像機跟蹤待測物體的姿態和位置六個自由度，測量方法包括以下步驟(1)根據權利要求8的步驟(1)-(5)，求得測頭坐標系和攝像機坐標系之間旋轉矩陣參數rn，r12,……，r33，測頭坐標系原點和攝像機坐標系原點之間的平移矩陣參數tx，ty，tz ；(2)求解待測物體的三個姿態角待測物體的姿態角就是測頭坐標系0-Xt，Yt,Zt相對于云臺坐標系0「1，Yr, Zr的三個旋轉角Ψ，θ，φ表示，用公式(e)和⑴求得；(3)求解待測物體的位置由于靶標球固定在待測物體上，待測物體的位置可以用靶標球球心，即測頭坐標系原點相對與云臺坐標系的三個坐標(I，Yr, Zr)表示
全文摘要
本發明公開了一種大空間視覺跟蹤6D測量系統及測量方法，該系統主要由自變焦視覺跟蹤攝像機和彩色偽隨機編碼六自由度測頭組成，利用靶標球上帶有彩色偽隨機編碼表示的孔中心在攝像機成像面上的位置變化來確定測頭的姿態和空間位置坐標，實現大尺寸空間六自由度的測量。該系統可以同關節臂坐標測量機組合起來使用，實現局部高精度的測量和定位；也可與電鉆等裝配設備結合使用，實現大型設備的精確裝配。
文檔編號G01C1/00GK102288106SQ201010206589
公開日2011年12月21日 申請日期2010年6月18日 優先權日2010年6月18日
發明者盧榮勝, 史艷瓊, 徐巖, 陳琳 申請人:合肥工業大學