一种主动光手持式标靶及其合作标志点识别方法与流程

本发明属于光学三坐标测量技术领域，尤其是涉及一种用于光学三坐标测量技术中的主动光手持式标靶及其合作标志点识别方法。

背景技术：

制造业是国民经济发展的支柱性产业之一，而空间定位、尺寸测量等计量技术则是机械制造业发展的必要条件。随着航空航天、船舶、冶金、汽车制造、港口机械、风电设备的发展，装备重型化、集成化的趋势越来越明显。在大型装备的制造及装配过程中，如何实现大型工件几何尺寸和空间位置的精度测量是保证整套设备质量的关键因素。在大尺寸测量领域，现有的精密测量方法和设备己不能有效地解决工程应用中的实际问题。大尺寸测量领域发展的瓶颈呼唤着新的测量技术。近些年来,由于激光、半导体、自动控制、计算机、精密制造等技术的迅速发展，出现了多种全新的空间大尺寸测量技术，可归纳为三类：关节臂式三坐标测量机、激光空间跟踪测量仪、手持式测头视觉测量系统。

以上三种仪器都可以实现对大尺寸零件的测量，但都存在一定的不足：关节臂式三坐标测量机的测量空间受关节臂的制约，测量距离相当有限，并且占用空间比较大，不方便携带；激光空间跟踪仪虽然具有测量速度快、测量精度高且测量范围大等优点，但是激光激光跟踪仪购置费用高昂，核心技术被外国公司垄断，目前很难实现国产化，仅有少数几家大型跨国制造企业和国内著名研究机构在使用，属于高精度测量设备。手持式测头视觉测量系统即标靶测量系统，是一种能满足一般精度要求的大尺寸空间测量需求的测量设备，其因为价格实惠，使用方便等特点得到了国内中小企业越来越多的关注和使用，但现在市场所用的标靶都是回光反射式的，这种标靶由于是反射光，光强度过程损耗大，使得在CCD中呈现的亮度有限，容易出现特征点残缺、亮度不足、亮度不均等缺点，特别是在对工作距离有较大变化要求的大型零件的检测的场合，这些缺点表现尤为明显。此外回光反射容易引入现场环境噪声，特别是在机加工现场，有很多能发生镜面放射的特征，比如光洁的零件表面镜面反射，这些噪声给合作标志点提取带来了很大的难度和不确定性，这也严重制约了标靶的使用范围。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种主动光手持式标靶，其具有使用方便、可视角度大、使用范围大及检测精度高的特点，以解决现有技术中标靶测量系统存在的诸多问题。

本发明的另一目的在于提供一种主动光手持式标靶的合作标志点识别方法，其具有识别正确率高和识别效率高的特点，以解决现有技术中标靶测量系统存在的上述问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种主动光手持式标靶，其包括标靶主体、无线开关控制器、手柄、修光板、扩散板、光源铝基板和测量头，其中，所述无线开关控制器安装在手柄的上部，所述修光板安装在标靶主体的修光板槽内，所述扩散板附着固定在所述修光板的表面，所述光源铝基板固定在标靶主体的背部，所述手柄安装在光源铝基板的背部，所述测量头固定于标靶主体的尾部，所述修光板上开设有若干个透光的圆孔作为合作标记点，对应每个合作标记点于所述光源铝基板上设置有主动光源，所述扩散板上对应每个合作标记点均设置有均光膜。

特别地，所述无线开关控制器包括控制器上盖板、控制器电池舱盖板、无线开关按钮、无线开关电路板和控制器下底座，所述无线开关按钮和无线开关电路板通过间隙配合安装在控制器上盖板上，并用控制器下底座固定；所述控制器上盖板、控制器电池舱盖板分别与控制器下底座用螺纹连接。

特别地，所述手柄包括手柄连接件和中空管型材，所述手柄连接件与所述中空管型材通过螺钉固定；所述手柄连接件与所述光源铝基板以及标靶主体通过螺钉固定；所述中空管型材与无线开关控制器通过螺钉固定。

特别地，所述光源铝基板由散热铝基板和LED灯珠组成，所述散热铝基板上对应所述合作标记点的位置均设置有灯槽，所述LED灯珠焊接固定于所述灯槽内，且所述散热铝基板上印有用于并联所有LED灯珠的电路，并为灯珠提供散热，以保证灯珠的使用寿命。

特别地，所述测量头包括测头套筒、测针基座、阻隔橡胶圈和测针，所述测针与所述测针基座通过螺纹连接；所述测头套筒与所述测针基座通过螺纹连接；所述阻隔橡胶圈安装在测针基座的环形槽中。

特别地，所述合作标志点开设有八个，其位置分布特征为：中间五个标志点分布在一个正五边形的五个顶点上，顶部两个标志点分别与邻近的两个标志点构成等边三角形，底部一个点与邻近两个标志点构成等边三角形。

特别地，所述修光板采用有机玻璃制成，平面度小于0.01mm，其表面镀有氧化铬镀层，所述修光板表面腐蚀掉若干个透光的合作标志点，所述合作标志点为15mm的圆形区域，尺寸公差为0.001mm，且所述合作标志点中心之间的相对位置精度为0.001mm，通过光刻工艺来实现。

特别地，所述扩散板选用具有良好的光扩散效果的亚克力材料制成，其用来保证光束角变大，进而保证被拍摄图像时，相对相机基站的各个角度下的成像亮度是均匀的，所述均光膜选用PET扩散聚酯材料制成，其用来使光源更加均匀、柔和，进而保证拍摄图像时，相对相机基站的各个角度下的成像亮度清晰的，无颗粒感。

一种主动光手持式标靶的合作标志点识别方法，其包括以下步骤：

步骤一，相机拍摄标靶图像：将测量头接触工件表面，进行测量任务，同时，相机对标靶进行图像采集；

步骤二，合作标志点特征提取：首先对图像进行预处理，其次利用椭圆特征检测算法得到椭圆特征的长短轴长度信息及椭圆中心的像面坐标；

步骤三，基于特征信息进行多个特征的识别和编号：八个合作标志点采用a、b、c、d、e、f、g、h标示，其分布特征如下：a号标志点周围等距分布了四个标志点；b、c、f、g号标志点周围等距分布了三个标志点，d、e、h号标志点周围等距分布了两个标志点,将b、c、f、g号标志点记为点集A；d、e、h号标志点记为点集B，在修光板平面上，相邻标志点欧氏距离与标志点特征圆半径尺寸比值记为γ，在相机成像平面上，相邻标志点成像点的欧氏距离与标志点成像特征椭圆长短轴之和的四分之一值的比值记为β，在实际成像透视投影过程中，γ≈β，通过计算β的值，并根据上述公式，可以确定出a号标志点，其次，在点集B中，只有h号标志点不是a号标志点的等距分布标志点，因而可以确定出h号标志点，分别计算出a号标志点与d、e号标志点的矢量，并与计算出的a号标志点与h号标志点的矢量进行向量积求解，根据求解向量的方向确定出d、e号标志点，排除a号标志点，可以从d、e号标志点等距分布的标志点点集中，确定出b、c号标志点，最后，分别计算出a号标志点与剩下不确定编号的f、g号标志点的矢量，并与计算出的a号标志点与h号标志点的矢量进行向量积求解，根据求解向量的方向确定出f、g号标志点。

特别地，所述步骤二中对图像进行预处理进行预处理的具体方法为：先进行滤波操作，以去除图像中的离散噪声点并自适应二值化处理；然后进行形态学处理，以得到更为规则的椭圆光斑。

本发明的有益效果为，与现有技术相比所述主动光手持式标靶及其合作标志点识别方法具有以下优点：

1)测量头部分采用了套筒配合测针基座的方式进行刚性约束，既保证了良好的刚性约束，同时避免更换测针时，需要反复进行螺纹连接拆解所造成的测针机械损耗。

2)由于每个合作标志点都是一个主动几何光源，相对于亮度分布信息形状特征不易受到测量距离远近等因素造成亮度变换的影响，不会出现亮度特征的过饱和或者亮度太暗导致的亮度分布检测精度下降的问题。

3)每个主动几何光源由红外光源，光学扩散器件，几何光孔组成。合作标志点的信息由传统的光源亮度分布信息转变为几何光孔的形状特征决定，几何光孔由于采用光刻工艺制成，因此具有较好的轮廓度及位置精度。光学扩散器件保证了几何光源亮度的均匀性，增大了视场角度。红外光源具有窄带特性，与工业现场光源频谱存在较大差别，配合相应的带通滤波片，很好地消除环境光和现场场景光的影响。

4)合作标志点的所述八点式分布特征，在识别过程中，避免了共线点的确定，并能够唯一确定平面上世界坐标系的方位信息，提高了合作标志点的识别正确率和识别效率。

附图说明

图1是本发明具体实施方式1提供的主动光手持式标靶的爆炸图；

图2是本发明具体实施方式1提供的主动光手持式标靶的无线开关控制器的爆炸图；

图3是本发明具体实施方式1提供的主动光手持式标靶的测量头的爆炸图；

图4是本发明具体实施方式1提供的主动光手持式标靶的光源铝基板的正视图；

图5是本发明具体实施方式1提供的主动光手持式标靶的立体结构示意图；

图6是本发明具体实施方式1提供的主动光手持式标靶的又一立体结构示意图；

图7是本发明具体实施方式1提供的主动光手持式标靶的合作标志点排布示意图；

图8是本发明具体实施方式1提供的主动光手持式标靶的使用示意图；

图9是本发明具体实施方式1提供的主动光手持式标靶的合作标志点检测流程图；

图10是本发明具体实施方式1提供的主动光手持式标靶的成像效果图及标记结果示意图；

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1至图10所示，本实施例中，一种主动光手持式标靶包括标靶主体1、修光板2、扩散板3、LED阵列铝基板4、无线开关控制器5、手柄6、均光膜7和测量头8，所述无线开关控制器5安装在手柄6的上部，所述修光板2安装在标靶主体1的修光板槽内，所述扩散板3通过凝固剂附着固定在所述修光板2的表面，所述LED阵列铝基板4通过螺钉固定在标靶主体1的背部，所述手柄6安装在LED阵列铝基板4的背部，所述测量头8通过螺钉固定于标靶主体1的尾部，所述修光板2上开设有八个透光的圆孔作为合作标记点，对应每个合作标记点于所述LED阵列铝基板4上设置有LED光源，所述均光膜7对应每个合作标记点设置于扩散板3。

所述无线开关控制器5包括控制器上盖板9、控制器电池舱盖板10、无线开关按钮11、无线开关电路板12和控制器下底座13，所述无线开关按钮11和无线开关电路板12通过间隙配合安装在控制器上盖板9上，并用控制器下底座13固定；所述控制器上盖板9、控制器电池舱盖板10分别与控制器下底座13用螺纹连接。

所述测量头8包括测针基座14、测头套筒15、阻隔橡胶圈16和测针17。所述测针17与所述测针基座14通过螺纹连接；所述测头套筒15与所述测针基座14通过螺纹连接；所述阻隔橡胶圈16安装在测针基座14的环形槽中。

所述LED阵列铝基板4包括散热铝基板18和LED灯珠19，所述散热铝基板18上对应所述合作标记点的位置均设置有灯槽，所述LED灯珠19焊接固定于所述灯槽内，所述散热铝基板18上印有用于并联所有LED灯珠19的电路，并为LED灯珠19提供散热，以保证LED灯珠19的使用寿命。

所述手柄6由手柄连接件和中空管型材组成。所述手柄连接件与所述中空管型材使用螺钉固定；所述手柄连接件与所述LED阵列铝基板4以及标靶主体1使用螺钉固定；所述中空管型材与无线开关控制器5使用螺钉固定。

所述修光板2为有机玻璃材料，平面度小于0.01mm，厚度为3mm。修光板表面被镀有氧化铬镀层。其中，在修光板2表面指定位置腐蚀掉八个相应形状大小的区域以透光，该区域为15mm的圆形区域，尺寸公差为0.001mm。圆形区域中心之间的相对位置精度为0.001mm，通过光刻工艺来实现。所述扩散板3选用具有良好的光扩散效果的亚克力材料制成。其用来保证光束角变大，进而保证被拍摄图像时，相对相机基站的各个角度下的成像亮度是均匀的。所述均光膜7选用PET扩散聚酯材料制成。其用来使光源更加均匀、柔和，进而保证拍摄图像时，相对相机基站的各个角度下的成像亮度清晰的，无颗粒感。

上述主动光手持式标靶的使用过程和原理为：

八个合作标志点位置分布特征为：中间五个标志点分布在一个正五边形的五个顶点上，顶部两个标志点分别与邻近的两个标志点构成等边三角形，底部一个点与邻近两个标志点构成等边三角形。所述八个合作标志点本身为圆特征的主动光源，所用的光源为波长为850nm的红外光，由所述LED灯珠19提供，也可为其他波段的单色光，并通过在相机20前加装相应波段的带通滤波片来滤除环境光的影响以保证圆特征能在在相机20中呈现边缘清晰、噪声干扰小的透视投影成像特征。

上述主动光手持式标靶识别合作标志点方法和步骤如下：

步骤一，标靶上合作标志点特征的提取：手持式标靶21的测针17接触工件22表面，进行测量任务。同时，相机20对标靶进行图像采集。首先对图像进行预处理，其中包括了滤波操作，以去除图像中的离散噪声点并自适应二值化处理；然后进行形态学处理，以得到更为规则的椭圆光斑。其次，利用椭圆特征检测算法得到椭圆特征的长短轴长度信息及椭圆中心的像面坐标。

步骤二，标靶上的合作标志点的识别及编号。

参见图7所示，合作标志点的分布特征如下：a号标志点周围等距分布了四个标志点；b、c、f、g号标志点周围等距分布了三个标志点，b、c、f、g号标志点记为点集A；d、e、h号标志点周围等距分布了两个标志点,d、e、h号标志点记为点集B。在修光板2平面上，相邻标志点欧氏距离与标志点特征圆半径尺寸比值记为γ。在相机20成像平面上，相邻标志点成像点的欧氏距离与标志点成像特征椭圆长短轴之和的四分之一值的比值记为β。在实际成像透视投影过程中，γ≈β。通过计算β的值，并根据上述经验公式，可以确定出a号标志点。其次，在点集B中，只有h号标志点不是a号标志点的等距分布标志点，因而可以确定出h号标志点。分别计算出a号标志点与d、e号标志点的矢量，并与计算出的a号标志点与h号标志点的矢量进行向量积求解。根据求解向量的方向确定出d、e号标志点。排除a号标志点，可以从d、e号标志点等距分布的标志点点集中，确定出b、c号标志点。最后，分别计算出a号标志点与剩下不确定编号的f、g号标志点的矢量，并与计算出的a号标志点与h号标志点的矢量进行向量积求解。根据求解向量的方向确定出f、g号标志点。

请参阅图10所示，上述主动光手持式标靶在实际使用中的合作标志点的成像效果良好：圆特征轮廓清晰，特征区域亮度均匀、并且有效地抑制了现场的背景噪声，有利于图片的处理工作，识别标靶上的合作标志点的编号。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。