一种测量机的相机与接触式测头的标定方法与流程

本发明涉及测量机视觉测量和接触式测量的联合标定方法。

背景技术：

在包含视觉测量的测量机，尤其是需要利用视觉指导接触式测量的测量机中，相机与接触式测头的联合标定是一项关键技术。标定结果的精度直接影响到测量机测量结果的精度。

现有的技术针对于三坐标测量机的相机与接触式测头标定技术，大多通过坐标转换关系，建立图像坐标系和测头坐标系的数学关系模型，然后，通过获取多组同一物体在图像坐标系下和测头坐标系下的坐标值。通过解出含有多个未知数的方程组，获得标定结果。

通过对现有技术分析，发现在建立坐标转换模型过程中，相机坐标系中xc和测头坐标系中xm的线性关系建立不精确，以及缺少对相机坐标系与测头坐标系沿z轴方向的旋转夹角θ的考虑。并且，现有的测量机标定技术不适用于回转体测量机的相机与接触式测头的联合标定。

本发明针对以上问题，重新建立了更为严密的坐标转换关系，并且解决了回转体测量机的相机与接触式测头的联合标定问题。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提供一种操作方便，精度高的测量机的相机与接触式测头的标定方法，技术方案如下：

一种测量机的相机与接触式测头的标定方法，首先建立了像素坐标系(u，v)与相机坐标系(xc，yc，zc)间的关系，然后，考虑到相机坐标系与测头坐标系间的旋转、平移关系，以及相机坐标系与测头坐标系沿z轴方向的旋转夹角θ，建立相机坐标系(xc，yc，zc)、测头坐标系(xm，ym，zm)间和相机随运动机构运动的相对于初始位置的运动量(δx,△y,△z)的坐标转换关系。方法如下：

1)相机回到初始位置，调节接触式测头在相机中恰好能成清晰的像，固定测量臂xm轴。

2)获取接触式测头图像，并将测头在图像中的成像拟合圆心作为特征点，获取其图像坐标(u0，v0)。

3)将特征点图像坐标(u0，v0)转换为相机坐标(yc，zc)。

4)建立相机坐标系(xc，yc，zc)与测头坐标系(xm，ym，zm)的线性关系，如下：

其中，t0、t1和t2分别表示从图像坐标系到测量机坐标系的平移量；a0-2，b0-2和c0-2表示相机坐标系到测头坐标系的旋转矩阵中的参数；yc向和zc向构成的平面与测头中心之间的距离为物方焦距，yc向和zc向相互垂直，xc向垂直于yc向和zc向构成的平面，zm轴与zc轴平行，θ为相机坐标系与测头坐标系沿z轴方向的旋转夹角；

5)根据测头在图像中的拟合圆心坐标(u0，v0)、测头坐标(xm，ym，zm)和相机随运动机构运动的相对于初始位置的运动量(δx,△y,△z)获取最终标定结果。

附图说明

图1是某测量机示意图；

1：主轴；2：接触式探头；

3：大理石工作台；4：相机；

5：纵向线性模组；6：横向线性模组；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

相机与接触式测头的联合标定；

1)控制相机模组的运动机构回初始位置，此时控制测头移动，使其恰好能够清晰地在相机中成像，固定测量臂xm轴。

2)获取图像，并将测头在图像中的成像拟合圆心作为特征点，获取其图像坐标(u0，v0)。

3)将特征点图像坐标(u0，v0)转换为相机坐标(yc，zc)。其中具体转换关系为：

其中，xc为相机物方焦距，a为相机的内参矩阵。

4)建立相机坐标系(xc，yc，zc)与测头坐标系(xm，ym，zm)的线性关系，如下：

其中，t0、t1和t2分别表示从图像坐标系到测量机坐标系的平移量；a0-2，b0-2和c0-2表示相机坐标系到测头坐标系的旋转矩阵中的参数；yc向和zc向构成的平面与测头中心之间的距离为物方焦距，yc向和zc向相互垂直，xc向垂直于yc向和zc向构成的平面，zm轴与zc轴平行，θ为相机坐标系与测头坐标系沿z轴方向的旋转夹角；

5)根据测头在图像中的拟合圆心坐标(u0，v0)、测头坐标(xm，ym，zm)和相机随运动机构运动的相对于初始位置的运动量(δx,△y,△z)获取最终标定结果；

控制测头在z向移动，相机沿相机模组的y向和z向移动。接触式测头在ccd相机的不同位置成像。获取50组坐标数据组成超定方程组，使用最小二乘法求解13个系数，获取标定结果。

通过本方法对测量机的测头坐标和相机坐标实现了统一标定，增加了标定精度。该方法简单、可操作性强，且标定精度较高。

技术特征：

1.一种测量机的相机与接触式测头的标定方法，首先建立了像素坐标系(u，v)与相机坐标系(xc，yc，zc)间的关系，然后，考虑到相机坐标系与测头坐标系间的旋转、平移关系，以及相机坐标系与测头坐标系沿z轴方向的旋转夹角θ，建立相机坐标系(xc，yc，zc)、测头坐标系(xm，ym，zm)间和相机随运动机构运动的相对于初始位置的运动量(δx,△y,△z)的坐标转换关系。方法如下：

1)相机回到初始位置，调节接触式测头在相机中恰好能成清晰的像，固定测量臂xm轴；

2)获取接触式测头图像，并将测头在图像中的成像拟合圆心作为特征点，获取其图像坐标(u0，v0)；

3)将特征点图像坐标(u0，v0)转换为相机坐标(yc，zc)；

4)建立相机坐标系(xc，yc，zc)与测头坐标系(xm，ym，zm)的线性关系，如下：

其中，t0、t1和t2分别表示从图像坐标系到测量机坐标系的平移量；a0-2，b0-2和c0-2表示相机坐标系到测头坐标系的旋转矩阵中的参数；yc向和zc向构成的平面与测头中心之间的距离为物方焦距，yc向和zc向相互垂直，xc向垂直于yc向和zc向构成的平面，zm轴与zc轴平行，θ为相机坐标系与测头坐标系沿z轴方向的旋转夹角；

5)根据测头在图像中的拟合圆心坐标(u0，v0)、测头坐标(xm，ym，zm)和相机随运动机构运动的相对于初始位置的运动量(δx,△y,△z)获取最终标定结果。

技术总结
本发明涉及一种测量机的相机与接触式测头的标定方法，首先建立了像素坐标系(u，v)与相机坐标系(Xc，Yc，Zc)间的关系，然后，考虑到相机坐标系与测头坐标系间的旋转、平移关系，以及相机坐标系与测头坐标系沿Z轴方向的旋转夹角θ，建立相机坐标系(Xc，Yc，Zc)、测头坐标系(Xm，Ym，Zm)间和相机随运动机构运动的相对于初始位置的运动量(ΔX,△Y,△Z)的坐标转换关系。

技术研发人员：李醒飞;刘震;谭文斌;冯高品
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2019.07.31
技术公布日：2019.11.15