专利名称：光笔式便携三坐标测量系统中测头中心位置的标定方法
技术领域：
本发明涉及接触式视觉三坐标测量领域，更具体地说，涉及光笔式便携三坐标测量系统中测头中心位置的标定方法。
背景技术：
三坐标测量技术在工业生产中有着非常重要的作用，主要分为接触式和非接触式两种。接触式测量是通过测头接触被测物体表面，来获取被测表面形态信息，比较有代表性的测量工具为三坐标测量机，这种测量方法精度高，但是效率相对较低，测量范围也相对较小。非接触式测量主要利用激光设备或者CCD相机检测被测物表面，结合图像处理技术获得被测表面的形态信息，其中视觉三坐标测量是非接触测量的典型代表。这种测量方法精度一般要比接触式测量低一到两个数量级，但是采点速度快，测量范围大，是普通接触式测量机所望尘莫及的，市场上很多非接触式测量机也逐渐得到各大工业测量领域的青睐。光笔式便携三坐标测量机主要由CXD相机、计算机和光笔构成，能够实现现场快速测量。它以光笔作为接触测量工具，以CCD相机作为视觉检测手段，实现了视觉非接触式测量和接触式测量的完美结合，具有重量轻、操作简单、精度较高、测量范围大等优点，逐渐受到各国的高度重视。目前国际市场上推出的光笔式三坐标测量机有挪威Metronor公司的双/单CCD相机测量系统和美国Geodetic公司的V-STAR/M系统等，国内的光笔式测量系统研究起步较晚，目前还仍处在研究阶段。Metronor系统中光笔控制点采用红外发光二极管，测量精度较高，然而成本也较高，V-STAR/M系统中光笔上具有回光反射控制点，要求相机必须带有闪光设备，并且系统受环境光影响较大。作为接触测量工具的光笔的测头可更换成不同样式，以适应较复杂的测量目标，如深孔、隐藏点等。一般地，由于样式不同或者测头安装时力度不同，每次安装的测头中心位置也往往有偏差，因此测量前必须要进行测头标定工作。虽然国外已经有较成熟的产品，但有关测头标定的资料却非常有限，由于在国内光笔式三坐标测量系统的研究还处在起步阶段，几乎也没有有价值的参考资料。因此在测量现场快速准确的完成测头中心位置的标定，就成为便携式三坐标测量系统中的关键技术之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在测量现场快捷准确的实现光笔式便携三坐标测量系统中测头中心位置的标定，为了在测量现场快捷准确的实现光笔式便携三坐标测量系统中测头中心位置的标定。光笔的测头标定与工业中常用的三坐标测量机的测头校正原理不同，三坐标测量机的测头校正是校正测头的直径和挠曲变形，主要使用标准球进行，用手动、操纵杆和自动模式在标准球的最大范围内测5个以上均匀分布的点，计算机软件收到这些点的坐标后就进行球的拟合运算，得到拟合球的球心坐标，直径和形状误差，将拟合球的直径减去标准球的直径，就得到校正后测头的直径。光笔的测头标定则是求解测头中心位置在光笔坐标系下的坐标值。本发明技术方案的基本原理是利用一个标准锥，将光笔测头放在锥孔中，慢慢转动光笔，CCD相机摄取到图像并传到计算机处理后，得到光笔坐标系和相机坐标系的旋转平移矩阵，由于标准锥和CCD相机是相对固定的，并且光笔本身为刚性物体，根据测头中心在光笔坐标系下和相机坐标系下的位置不变性，通过算法求解测头中心在光笔坐标系下的坐标。设测头中心在相机坐标系下和光笔坐标系的坐标分别为(U，V, w)T、(x，y，z)T。根据空间点从光笔坐标系到相机坐标系的旋转平移关系，可知
权利要求
1.光笔式便携三坐标测量系统中测头中心位置的标定方法，其特征在于，按照下述步骤进行利用一个标准锥，将光笔测头放在锥孔中，慢慢转动光笔，CCD相机摄取到图像并传到计算机处理后，得到光笔坐标系和相机坐标系的旋转平移矩阵，由于标准锥和CCD 相机是相对固定的，并且光笔本身为刚性物体，根据测头中心在光笔坐标系下和相机坐标系下的位置不变性，通过算法求解测头中心在光笔坐标系下的坐标，所述算法的基本原理为测头中心在相机坐标系下和光笔坐标系的坐标分别为(u，v，w)T、(X，y，z)T。根据空间点从光笔坐标系到相机坐标系的旋转平移关系，可知
2.根据权利要求I所述的光笔式便携三坐标测量系统中测头中心位置的标定方法，其特征在于，标定方法方案的基本实现步骤如下第一步将C⑶相机和标准锥都固定在防震台上，调整相对位置使得光笔成像在C⑶相机像平面中间位置，并且在一定幅度晃动下，所有光靶标控制点的图像仍能保证在像平面上呈现；手持光笔将测头放在标准锥的锥孔中，慢慢转动光笔，CCD相机摄取到不同位姿的光笔图像，并通过千兆网线传到计算机进行实时处理，通过图像滤波、阈值分割、黑白翻转、 轮廓跟踪和最小二乘椭圆拟合，得到所有控制点中心坐标；第二步(XD相机已经预先标定过，利用控制点中心从相机坐标系下的坐标到理想像平面的透视投影关系，以及旋转矩阵的正交性，通过牛顿-高斯迭代法可以解出旋转平移矩阵R和T ;第三步由于每幅图像可以得到3个非线性方程，优化变量X有6个未知数，因此X的初值可以通过两幅以上的图像计算得到；第四步采集11幅图像后，即可以得到含有11个方程的非线性方程组4(1，7，2，11^，《) =O i = 1，2，L，n，利用最小二乘解的广义逆法求解此方程组，具体如下(a)计算上述非线性方程组的雅克比矩阵
全文摘要
本发明公开了光笔式便携三坐标测量系统中测头中心位置的标定方法，利用一个标准锥，将光笔测头放在锥孔中，慢慢转动光笔，CCD相机摄取到图像并传到计算机处理后，得到光笔坐标系和相机坐标系的旋转平移矩阵，由于标准锥和CCD相机是相对固定的，并且光笔本身为刚性物体，根据测头中心在光笔坐标系下和相机坐标系下的位置不变性，通过算法求解测头中心在光笔坐标系下的坐标。该方法能够在测量现场快捷准确的实现光笔式便携三坐标测量系统中测头中心位置的标定。
文档编号G01B11/00GK102589437SQ20121006333
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者刘书桂, 汤莎亮, 董英华 申请人:天津大学