舱段销孔对接转角的双相机测量装置及测量方法与流程

本发明属于航天器技术领域，进一步涉及对舱段销孔对接转角的测量装置及测量方法，可用于飞机、导弹的装配。

背景技术

飞机、导弹等航天器的舱段对接是其制造中的一个关键环节，其装配质量在一定程度上决定了其总体性能的好坏。导弹的生产模式为批量小，种类多。所以导弹舱段装配系统需要有一定的柔性以保证其生产的质量、提高装配效率。在舱段对接技术中，针对舱段位姿，即x、y、z三个方向的位移和转角这六个自由度的测量是应当关注的焦点。只有对舱段位姿进行准确的测量并满足精度要求，才能对后续舱段的调整阶段提供参考。

早期的舱段对接主要使用准直仪、水平仪这些常规光学工具来辅助人工进行位姿的测量，后来随着科技的发展，渐渐地经历了使用激光准直仪、计算机辅助电子经纬仪、激光跟踪仪、激光雷达等，使得舱段对接的测量手段多样化且更加精确。激光跟踪仪利用激光束不变性的特点，应用测角原理，通过靶镜在空间快速定位舱段的六个自由度，从而对舱段位姿进行调整；而激光雷达则要用两个或更多的激光雷达，通过编程测量校准工具球，使激光雷达自动从一个工具球移动到另一个工具球，连续报告和监视所有的相关位置，从而完成测量。在舱段自动化对接过程中，需要对舱段的位姿进行精确、快速地测量以得到其相对位姿误差，并针对该误差进行有效的调整。上述的激光跟踪仪、激光雷达等方法均具有结构复杂、成本高昂的不足。

何小元、董帅在其申请的专利“一种用于光学标识点间距离精确标定的双相机测量方法”(申请号cn201610836001.9，申请日2016.9.30，授权公告号cn106289086a)申请公开了一种用于光学标识点间距离精确标定的双相机测量方法，其采用单轴电动位移平台对双相机的相对位置关系进行校准，提高双目立体视觉系统的标定精度和光学标识点的三维坐标测量精度，以实现对光学标识点间距离精确测量的目的，该方法不能实现无靶标测量且存在只能对距离进行测量的局限。

柳毅在其申请的专利“基于双相机的自动化测量方法”(申请号cn201510521145.0，申请日2015.8.24，授权公告号cn105115423a)申请公开了一种基于双相机的自动化测量方法，其中包括相机、被测物体、一台装有用于测量系统开发软件的电脑，该相机为第一相机和第二相机，所述的第一相机安装在被测物体的垂直方向的正上方，第二相机安装在横向水平方向的侧方，该垂直方向安装的第一相机其为通过俯视图测量物体的长宽数值，水平方向安装的第二相机面向被测物体测量物体的高度，该方法虽然能对物体尺寸进行测量，但不能测量物体的三维姿态。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种舱段销孔对接转角的双相机测量装置及测量方法，以对舱段对接销孔转角进行测量，实现无靶标测量舱段的三维姿态。

为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

1.一种舱段销孔对接转角的双相机测量装置，包括两台工业相机、相机支撑部分，其特征在于：

所述相机支撑部分，包括相机横梁、相机立柱和辅助光源支架，相机横梁与相机立柱两者之间垂直连接，辅助光源支架与相机立柱两者之间垂直连接，辅助光源支架与相机横梁两者之间平行；

所述相机横梁上安装有相机撑杆，用于为两台工业相机提供支撑；相机撑杆两侧对称安装有可绕其转动的两个滑动支块，每个滑动支块上安装有可绕其转动的相机座，用于安装工业相机；通过共同调节相机座和滑动支块的姿态，实现对两台工业相机的俯仰角和偏航角的调整；

所述相机立柱的对面设有标定架，该标定架包括定位条、标定架立柱、标定架横梁、标定板；该定位条固定安装在光学平台上，标定架立柱紧靠定位条垂直光学平台安装，标定架横梁与标定架立柱两者之间垂直安装，标定板设为三块，三块标定板完全相同，其中两块分别安装在标定架横梁一端的正反面，另外一块作为手持标定板用于后续测量。

2.利用上述装置进行舱段销孔对接转角的双相机测量方法，其实现包括如下：

1)对标定架横梁上的两块标定板中心点的世界坐标进行测量，得到两待测舱段端面的图像坐标系原点o3、o4的世界坐标；

2)将标定架立柱移动到一个待测舱段端面的销附近，并保证标定板安装面与该舱段端面平齐，且调整第一台工业相机使标定板和销同时位于第一台工业相机的视场中央；

3)用第一台工业相机拍摄一张含有销和标定板的图像作为第一参考图像，将标定架沿舱段轴线方向移离相机视场，不断变换手持标定板的位姿，拍摄40-50张该标定板紧贴舱段端面，且位于该相机视场不同位置的图像作为第一组标定图像；

4)将标定架立柱平行于待测舱段轴线的方向进行移动，使标定架横梁上的另一块标定板移动到另一舱段端面的孔附近，并保证标定板安装面与另一舱段端面平齐，且调整第二台工业相机使标定板和孔同时位于第二台工业相机的视场中央；

5)用第二台工业相机拍摄一张含有孔和标定板的图像作为第二参考图像，将标定架沿舱段轴线方向移离相机视场，不断变换手持标定板的位姿，拍摄40-50张该标定板紧贴舱段端面，且位于该相机视场不同位置的图像作为第二组标定图像；

6)在商用halcon程序中先设定第一台工业相机与第二台工业相机的焦距、单个像元的宽、单个像元的高、标定板中心点的世界坐标及标定板的厚度这五个初始参数，再用第一组标定图像对第一台工业相机的参数进行标定，用第二组标定图像对第二台工业相机的参数进行标定；

7)移动两待测舱段，分别对其进行定位；

8)用第一台工业相机对第一个舱段上的销进行拍摄，采集该待测舱段端面销的图像；用第二台工业相机对第二个舱段上的孔进行拍摄，采集该待测舱段端面孔的图像；

9)分别对采集的第一个舱段上的舱段端面图像和第二个舱段上的舱段端面图像进行提取轮廓处理，得到销的轮廓和孔的轮廓；

10)计算销轮廓圆心和孔轮廓圆心的世界坐标，并将其和两对接舱段端面的圆心坐标的坐标值带入公式：解算出销孔对接转角。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于采用双相机测量结构，可以对一个待测舱段的销和另一个待测舱段的孔同时进行拍照，从而不需要移动相机；

2.本发明由于通过旋转滑动支块和相机座可调整两台工业相机的偏转角和俯仰角，能适应对待测舱段不同的拍摄角度；

3.本发明由于相机横梁可以在相机立柱上进行竖直方向的移动，能适应对待测舱段不同的拍摄高度；

4.本发明由于在相机撑杆上固定可滑动的相机座，能适应对待测舱段不同的拍摄距离；

5.本发明由于具有辅助光源支架，可在相机视场较暗、图像不清晰时安装辅助光源；

6.本发明由于辅助光源支架能在相机立柱上进行竖直方向的移动，可以实现光源照明范围的调整；

7.本发明由于标定架横梁正反面各有一块标定板，可以实现对两舱段只用一个标定架进行标定，从而简化标定流程；

8.本发明由于标定架立柱能沿平行于舱段轴线方向移动，可以对标定架横梁上的两块标定板分别进行定位；

9.本发明由于应用了定位条，可以保证标定架的定位精度；

10.本发明测量装置结构简单，操作更方便，成本低，提高了对舱段销孔对接转角的测量效率；

11.本发明的双相机测量方法可以实现对舱段销孔对接转角的测量误差达到0.01°以内，可以满足舱段对接的高精度要求；

12.本发明由于在标定过程中应用多项式标定模型，提高了标定精度，且通过双相机测量解决了工程中由于空间限制不便对舱段销孔对接转角进行测量的局限性，实现了无靶标测量。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明的两待测舱段端面叠放示意图；

图3是本发明舱段销孔对接转角的双相机测量装置的结构图；

图4是图3中的标定板放大示意图；

图5是本发明双相机测量装置安装使用示意图；

图6是用本发明双相机测量装置测量舱段销孔对接转角的实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

参照图1和图2，对本发明的技术原理简述如下：

本发明是实现待测舱段1右端面上销和与之对应待测舱段2左端面上的孔在世界坐标系的坐标(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)以及销孔转角α的测量。图1中o3为待测舱段1端面的标定板坐标系的原点，o4为待测舱段2端面的标定板坐标系的原点。图2中将两待测舱段的端面叠放，标示出了销、孔及它们夹角的位置关系。采用两个工业ccd相机分别对待测舱段1端面上的销和待测舱段2端面上的孔进行拍摄，经商用halcon软件的图像处理程序测得销圆心在待测舱段1端面标定板坐标系o³x³y³z³中坐标以及孔圆心在待测舱段2端面标定板坐标系o⁴x⁴y⁴z⁴的坐标为了方便销孔对接，需要将销和对接孔在各自端面的标定板坐标系的坐标转换到世界坐标系oxyz中，即：销的世界坐标孔的世界坐标通过相机的标定过程进行修正，两端面标定板坐标系与世界坐标系之间只有平移关系，无旋转关系；(x03,y03,z03)和(x04,y04,z04)是两待测舱段端面的标定板坐标系原点o3、o4在世界坐标系中的坐标。在两舱段轴线已经调成水平且共线的前提下，此时由待测舱段1的端面和待测舱段2的端面的圆心坐标(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，可算出舱段对接销孔转角α：

该转角误差在0.01°之内，后续可根据该夹角进行调整。

参照图3，本发明舱段销孔对接转角的双相机测量装置包括两台工业相机、相机支撑部分和标定架，其中：相机支撑部分包括相机撑杆7、滑动支块5、相机座8、辅助光源支架9、相机横梁10和相机立柱11；标定架包括定位条1、标定架立柱2、标定架横梁3和标定板4；

辅助光源支架9垂直于相机立柱11的轴线，并通过第一紧固螺钉安装在相机立柱11上，用于安装光源。

相机横梁10通过第二紧固螺钉安装在相机立柱11上，其轴线与相机立柱11的轴线垂直，相机横梁10与辅助光源支架9两者之间平行，两者位于相机立柱11的不同高度。

相机撑杆7的轴线与相机横梁10的轴线垂直交叉安装在相机横梁10上。

两个滑动支块5对称安装在相机撑杆7的两侧，可绕相机撑杆7转动，每个滑动支块5上安装有可绕其转动的相机座8。

两台工业相机6和12安装在相机座8上，并关于两个待测舱段端面的中心面对称。

标定架在相机立柱11的对面，且标定架立柱2紧靠定位条1安装标定架横梁3与标定架立柱2两者之间垂直安装，标定架横梁3的长边垂直于标定架立柱2的长边固定，位于标定架立柱2的最顶端，用于安装标定板4。

标定板4设为结构相同的三块，其中两块分别安装在标定架横梁3一端的正反面，另外一块作为手持标定板用于后续测量。

通过松动第一紧固螺钉调整辅助光源支架9在相机立柱11上的高度，以实现对光源照明范围的调整。

通过松动第二紧固螺钉调整相机横梁10在相机立柱11上的高度，以调节两个工业相机6和12的拍摄高度。

通过滑动相机座8沿相机撑杆7的位置，以调节两台工业相机的拍摄距离；通过调整相机座8和滑动支块5的姿态，实现对两台工业相机6和12的俯仰角和偏航角的调整。

两台工业相机分别对两待测舱段端面进行拍照，第一台工业相机6用于对待测舱段端面的销进行拍照，第二台工业相机12用于对另一待测舱段端面的孔进行拍照。

标定架中的定位条1用于保证标定架立柱2的位置精度。

标定架立柱2沿平行于舱段轴线的方向移动，用于对标定架横梁3上的两块标定板进行定位。

三块标定板4的宽度为两台工业相机6和12视场宽度的三分之一，共同用于对该两台工业相机6和12的参数进行标定。

标定架立柱2与标定架横梁3共同将标定架横梁3上安装的两块标定板的位置固定在两待测舱段端面的销孔附近，且保证这两块标定板的安装面与两待测舱段端面平行，使标定后的待测舱段端面标定板坐标系与世界坐标系无旋转变换关系。

参照图5，使用时将本发明舱段销孔对接转角的双相机测量装置安装在光学平台上以进行测量。

光学平台是舱段销孔对接转角的双相机测量装置进行测量的基础平台。

相机立柱垂直于光学平台安装，标定架立柱紧靠其定位条垂直于光学平台安装，且标定架横梁指向相机立柱。

舱段支撑底架位于标定架立柱与相机立柱的中间，固定在光学平台上。

待测舱段1和待测舱段2放置在舱段支撑底架上，其轴线与相机撑杆和定位条均平行，且保证两台工业相机关于两待测舱段对接端面的中心面对称。

第一台工业相机和第二台工业相机要通过usb3.0接口连接到pc机上，以进行后续测量。

参照图4和图6，本发明利用上述图5的测量装置进行舱段销孔对接转角的测量方法通过以下步骤实现：

步骤1：测量标定板中心坐标。

(1.1)对标定架横梁上的两块标定板中心点的世界坐标进行测量，即用精确的测量工具分别对图4中水平定位块上边a的z坐标值z0a、垂直定位块左边b的y坐标值y0b、标定板上表面c的x坐标值x0c、待测舱段1端面的x坐标值x01进行测量；

(1.2)分别对标定板中心到标定板右边b的距离yb3和下边a的距离za3进行测量，得到两待测舱段端面的标定板坐标系原点o3、o4的世界坐标，由于标定架横梁上两块标定板完全相同，所以o3和o4的世界坐标值完全相同：

(x03,y03,z03)＝(x04,y04,z04)＝(x0c,y0b+yb3,z0a+za3)。

步骤2：调整第一台工业相机，获取第一组标定图像。

将标定架立柱移动到待测舱段1对接端面的销附近，并保证标定架横梁上的标定板安装面与该舱段端面平齐，且调整第一台工业相机使标定板和销同时位于第一台工业相机的视场中央；

用该第一台工业相机拍摄一张含有销和标定板的图像作为第一参考图像，将标定架沿舱段轴线方向移离该相机视场，不断变换手持标定板的位姿，拍摄40-50张手持标定板紧贴舱段端面，且位于该相机视场不同位置的图像作为第一组标定图像。

步骤3：调整第二台工业相机，获取第二组标定图像。。

将标定架立柱平行于待测舱段轴线的方向进行移动，使标定架横梁上的另一块标定板移动到另一舱段端面的孔附近，并保证标定板安装面与另一舱段端面平齐，且调整第二台工业相机使标定板和孔同时位于第二台工业相机的视场中央；

用该第二台工业相机拍摄一张含有孔和标定板的图像作为第二参考图像，将标定架沿舱段轴线方向移离相机视场，不断变换手持标定板的位姿，拍摄40-50张手持标定板紧贴舱段端面，且位于该相机视场不同位置的图像作为第二组标定图像。

步骤4：对两台工业相机进行标定。

在对两台工业相机进行标定之前，需要在pc机的商用halcon程序中先设定第一台工业相机与第二台工业相机的焦距、单个像元的宽、单个像元的高、标定板中心点的世界坐标及标定板的厚度这五个初始参数，其中标定板的厚度为x01-x0c；再用第一组标定图像对第一台工业相机的参数进行标定，用第二组标定图像对第二台工业相机的参数进行标定，其具体实现如下：

(4.1)在halcon程序的标定助手中设置两台工业相机的初始参数；

(4.2)指定标定描述文件，加载两台工业相机的初始参数，读取第一组标定图像并通过标定算子解得第一台工业相机的标定数据，读取第二组标定图像并通过标定算子解得第二台工业相机的标定数据，将两台工业相机的标定数据保存；

(4.3)通过两台工业相机的标定数据计算像素距离，设定世界坐标系原点的坐标值；

(4.4)根据像素距离生成映射图以矫正第一参考图像和第二参考图像的图像畸变，得到两台相机的畸变矫正系数；

(4.5)保存两台工业相机的畸变矫正系数、像素距离和标定数据到标定描述文件中，且保证两台工业相机的焦距、光圈和姿态不能改变，以防止相机参数发生改变。

步骤5：移动两待测舱段，分别对其进行定位。

步骤6：采集销、孔图像。

用第一台工业相机对待测舱段1对接端面上的销进行拍摄，采集该待测舱段端面销的图像；用第二台工业相机对待测舱段2上的孔进行拍摄，采集该待测舱段端面孔的图像；

步骤7：提取销、孔轮廓。

分别对采集的待测舱段1上的舱段端面图像和待测舱段2上的舱段端面图像进行提取轮廓处理，得到销的轮廓和孔的轮廓，其具体实现如下：

(7.1)将采集到第一个舱段端面图像和第二个舱段端面图像的灰度通过threshold算子进行阈值分割，并通过connection算子划分图像子区域，得到子区域rn，n＝1,2,3,…n，n是子区域的总数；

(7.2)对(7.1)获得的子区域rn的面积和圆形度，使用select_shape算子进行形状筛选，得到销区域ri、孔区域rj，其中ri、rj∈rn；

(7.3)对销区域ri、孔区域rj通过erosion_circle算子、dilation_circle算子和difference算子进行腐蚀和膨胀的形态学处理，得到销、孔轮廓区域并通过reduce_domain算子将其还原至采集到的图像中；

(7.4)通过edges_sub_pix算子的canny轮廓检测算法对销、孔轮廓区域进行亚像素级的轮廓检测，得到销的亚像素轮廓和孔的亚像素轮廓；

(7.5)根据销的亚像素轮廓和孔的亚像素轮廓的长度，使用select_contours_xld算子进行筛选并排除噪声干扰，得到销的亚像素轮廓和孔的亚像素轮廓的各自筛选轮廓；再通过fit_ellipse_contour_xld椭圆拟合算子的fitzgibbon最小二乘法和椭圆生成算子gen_ellipse_contour_xld对该销、孔的筛选轮廓进行椭圆拟合与生成，得到最终的销轮廓和孔轮廓。

步骤8：解算销孔对接转角。

(8.1)计算销轮廓圆心在其舱段端面标定板坐标系中的坐标值是从而得到销轮廓圆心在世界坐标系中的坐标为：

(8.2)计算孔轮廓圆心在另一舱段端面标定板坐标系中的坐标值是从而得到孔轮廓圆心在世界坐标系中的坐标为：

(8.3)测得舱段两对接端面的圆心坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)；

(8.4)将舱段两对接端面的圆心坐标值和销、孔轮廓圆心的世界坐标值带入公式：

解算出销孔对接转角。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。