采用坐標跟蹤控制板的大視場全局測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于視覺測量領域，涉及一種采用坐標跟蹤控制板的大視場全局測量方 法，該方法可以實現對大視場范圍內復雜工況下大型零部件快速高精度測量，是一種結合 多種光學元器件的測量方式。
【背景技術】
[0002] 隨著國家綜合實力的不斷增長，大型飛機的應用越來越廣泛，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。現階段針對航空領域大 型零部件測量國內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GPS測量 法、激光雷達測量法以及三坐標測量法等。傳統的機器視覺法是通過機器視覺產品獲取被 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；三坐標測量法是接 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 GPS測量法利用三角測量原理建立坐標系，通過布置信號發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，測量的現場環境復雜，單純 利用激光跟蹤儀或傳統的視覺測量的方式往往會出現被測物相互遮擋等問題，難以實現對 大型零部件的整體精確測量。
【發明內容】
[0004] 本發明目的是針對航空領域大型飛機零部件生產裝配檢測中現場環境復雜，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。發明了 一種采用坐標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跟蹤控制板 的三角架上，利用傳統視覺方法結合激光跟蹤儀完成全局視覺標定，利用坐標變換關系建 立全局坐標系，最終實現針對大型零部件的全局精確測量。
[0005] 本發明采用的技術方案是一種采用坐標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跟蹤控制板，實現視覺測量設備與激光跟 蹤儀在具有非共同視場情況下的有效結合，將左右相機內外參數分離標定，建立測量現場 的全局坐標系，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
[0007] 1)將控制板靶球1固定在圓形的轉盤3上，再將步進電機2安裝在轉接支架8上， 步進電機2的輸出端連接轉盤3,轉盤3、步進電機2和控制板靶球1構成了坐標跟蹤控制 板；坐標跟蹤控制板通過轉接支架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；
[0008] 第二步測量前準備步驟
[0009] 1)相機內參數標定
[0010] 利用張氏標定法結合棋盤格標定板11進行標定，先在棋盤格標定板11的右半部 分上下對稱安裝四個標定板靶球10,并利用激光跟蹤儀6結合標定公式（1)進行標定：
[0012] 其中[uv1]T是拍攝棋盤格標定板角點圖像的二維像素坐標組成的齊次矩陣，[Xw YwZw 1]T是棋盤格標定板1上角點的空間三維坐標組成的齊次矩陣（世界坐標），完成相 機內參數標定。
[0013] 2)確定激光跟蹤儀坐標系和左右相機坐標系的變換關系
[0014] 利用激光跟蹤儀6測量標定板靶球10,得到標定板靶球10在激光跟蹤儀坐標系 OJYZ下的空間坐標，結合已知的內外參數矩陣，便可以知道四個靶球在當前相機的世界坐 標系〇wXYZ下的坐標，進而得到激光跟蹤儀坐標系0JYZ和世界坐標系0WXYZ的位置變換關 系，也即為一個旋轉平移矩陣X 1= [Ri TJ，由于相機坐標系(\XYZ和世界坐標系0WXYZ的關 系已知（外參數矩陣），這樣就能得到相機坐標系(\XYZ與激光跟蹤儀坐標系0JYZ的位置 變換關系，即為旋轉平移矩陣X 2= [R2 T2]。
[0015] 3)確定坐標跟蹤控制板坐標系和左右相機坐標系的變換關系
[0016] 測量坐標跟蹤控制板上的控制板靶球1，控制轉盤3轉動以建立其坐標系ObXYZ， 那么坐標跟蹤控制板坐標系〇bXYZ與激光跟蹤儀坐標系的位置變換關系也可以知道，即為 旋轉平移矩陣X3= [R3T3]，再結合上面求出的相機坐標系與激光跟蹤儀坐標系0JYZ的位 置變換關系，就可以得到坐標跟蹤控制板坐標系〇bXYZ與相機坐標系的位置變換關系，即為 旋轉平移矩陣X4= [R4TJ。
[0017] 4)建立全局坐標系
[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 坐標跟蹤控制板的相對位置不變，在現場放置好激光跟蹤儀6,先用激光跟蹤儀6測量坐標 跟蹤控制板上的控制板靶球1的空間位置，同樣控制轉盤3轉動重新建立跟蹤控制板坐標 系〇'bXYZ，這樣就知道坐標系O'bXYZ到激光跟蹤儀坐標系hXYZ新的位置變換矩陣X5 =[R5T5]，由于左右相機相對于坐標跟蹤控制板的相對位置無變化，那么坐標跟蹤控制板 坐標系〇'bXYZ與相機坐標系(\XYZ和0KXYZ的位置變換關系也是不變的，這樣結合矩陣X4 和X5就可以快速實現左右相機坐標系0JYZ和0KXYZ到激光跟蹤儀坐標系0JYZ位置變換， 也即為旋轉平移矩陣X6= [R6T6]，這樣就完成了整個視場的全局標定，進而建立了全局測 量坐標系。
[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鍵信息，設被測物邊緣的參數方程為
[0021] p=Ujcos0+ViSin0 (2)
[0022] 其中，P為坐標原點與直線的距離，0為邊緣與圖像坐標的軸夾角；Ui、Vi分別是 圖像中特征點在圖像像素坐標系下的坐標值，則可得出空間直線的參數為：
[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參數，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] 本發明的效果和益處是：發明了一個固定在相機安裝板上可以旋轉的坐標跟蹤控 制板用于大視場全局的標定以及坐標系轉換，在傳統視覺標定的基礎上，結合激光跟蹤儀， 利用帶有激光跟蹤儀靶球的棋盤格標定板，將相機的內外參數分離標定，傳統標定方法用 于在實驗室內完成內參數標定以及確定相機和支架上坐標跟蹤控制板的位置變換關系，然 后在工業測量現場，只需要簡單利用激光跟蹤儀對坐標跟蹤控制板的位置進行確定，進而 利用坐標系變換就可以快速完成相機外參數標定工作實現對這個測量視場的全局標定和 測量。改進了傳統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 定物的缺點，快速完成工業現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-轉盤，4-左相 機，5-三腳架，6-激光跟蹤儀，7-計算機，8-轉接支架，9-右相機，10-標定板靶球，11-棋盤 格標定板，12-相機安裝板。
[0034] 圖2是測量過程流程圖
【具體實施方式】
[0035] 以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的【具體實施方式】。卒實施例采用坐標 跟蹤控制板進行全局測量，輔以傳統視覺測量設備，并且結合激光跟蹤儀完成基于大視場 的全局測量。采用的轉盤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相機，拍攝幀頻為20Hz。
[0036] 1.測量準備工作
[0037] 如圖1所示：首先，在標定之前根據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 上的坐標跟蹤控制板的相對位置關系就固定不變了。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以及棋盤格標定板11上的標定板靶球10。
[0038] 2.左右相機內參數標定
[0039] 利用張氏標定法結合棋盤格標定板11進行標定，先在棋盤格標定板11的右半部 分上下對稱安裝四個標定板靶球10。將棋盤格標定板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參數就固定不變了。這時利用傳統的張氏標定方法將棋盤格標 定板在相機的視場范圍內擺放多個位置，并利用左右相機分別拍照，在得到13組照片后， 根據公式（1)就可以對左相機4以及右相機9分別進行標定，得到其內參數以及外參數矩 陣，通過外參數矩陣就可以實現世界坐標系〇wXYZ到左右相機坐標系(\XYZ以及OkXYZ的轉 換。這樣就完成了對左右相機的內參數標定。
[0040] 3.確定激光跟蹤儀坐標系和左右相機坐標系的變換關系
[0041] 將棋盤格標定板11固定，利用激光跟蹤儀6