CN101135550A - 基于线结构光视觉传感器实现空间圆孔几何参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密测量方法，特别涉及一种基于线结构光视觉传感器的实现空间圆孔几何参数测量方法。为提供一种基于线结构光视觉传感器实现空间圆孔几何参数的测量方法，满足移动式测量***中同一线结构光视觉传感器同时具备测量空间圆孔和棱线特征能力的要求，本发明采用的技术方案是：根据线结构光视觉传感器测量模型，确定被测空间圆圆心相对于摄像机光心的方位，结合结构光平面与被测空间圆相交弦的参数计算得到空间圆圆心坐标及半径或直径等空间圆几何参数。本发明主要用于空间圆孔几何参数的测量。

Description

基于线结构光视觉传感器实现空间圆孔几何参数测量方法

技术领域

本发明属于精密测量方法，特别涉及一种基于线结构光视觉传感器实现空间圆孔几何参数测量方法。

技术背景

在汽车车身等先进制造过程中，装配孔、定位孔等空间圆孔(如发动机安装部位的定位孔等)几何参数(圆心空间坐标、半径或直径等)的加工精度、装配精度和定位精度直接影响着车身的质量和整车的性能，必须对其进行测量。当然，除了空间圆孔的测量外，棱线(如车门、风窗等棱线)的测量也是至关重要的。

传统的空间圆孔几何参数测量主要采用三坐标测量机，测量效率低，劳动强度大，工作环境要求苛刻，不适合工业现场测量应用。随着具有非接触、可在线、效率高、精度适中等优点的计算机视觉测量技术的出现，基于立体视觉传感器和十字结构光视觉传感器的空间圆孔几何参数的测量方法逐步在工业现场得到了应用。立体视觉传感器由两个摄像机组成，成本较高，体积较大，适合大安装空间固定式测量应用场合；十字结构光视觉传感器由一个摄像机和一个十字型激光投射器组成，成本较低，体积较小，重量较轻，可以应用于小安装空间固定式测量或基于工业机器人的移动式测量，但是不能实现棱线特征的测量；线结构光传感器由一个摄像机和一个一字型激光投射器组成，成本最低，体积最小，重量最轻，在三维视觉检测中具有广阔的应用前景，尤其适用于基于工业机器人平台的可编程移动测量***，但目前基于线结构光传感器只能实现棱线的测量，没有相应的测量空间圆孔的技术和方法。汽车生产线正由传统的适用于一种车型生产向同时适用于多车型、混车型生产发展，测量***也因此正由传统的固定式测量转为可编程的移动式柔性测量，而移动式测量则要求同一视觉传感器可以同时实现空间圆孔和棱线等主要特征的测量，因此如何采用线结构光视觉传感器对空间圆孔几何参数进行测量成为工业现场亟待解决的关键问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种基于线结构光视觉传感器实现空间圆孔几何参数测量方法，满足移动式测量***中同一线结构光视觉传感器同时具备测量空间圆孔和棱线特征能力的要求。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于线结构光视觉传感器实现空间圆孔几何参数测量方法，包括下列步骤：

摄像机正直摆放、激光投射器斜向摆放；

在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，使线结构光传感器与被测空间圆孔之间的测量位姿关系满足以下条件：1)摄像机像平面与空间圆孔圆面平行；2)结构光光平面与空间圆孔相交(是否过其中心均可)；

根据线结构光视觉传感器测量模型，计算被测空间圆圆心相对于摄像机光心的方位；

根据线结构光视觉传感器测量模型，计算结构光平面与被测空间圆相交弦中心点的空间坐标，空间坐标的z向坐标作为被测空间圆圆心的近似z向坐标；

利用已求得被测空间圆圆心的近似z向坐标，以及被测空间圆圆心相对摄像机光心的方位，求取被测空间圆圆心x、 y向坐标；

利用已求得的被测空间圆圆心x、y、z坐标及结构光平面与空间圆相交弦两端点的空间坐标，可以求取被测空间圆的半径或直径。

本发明具备以下技术效果：

本发明方法突破了传统空间圆的测量方案，在测量棱线的基础上，基于线结构光视觉传感器实现了空间圆孔几何参数的测量，进一步促进了适用于现代工业混型生产线需求的移动式视觉测量技术的广泛应用。

附图说明

图1为摄像机正直摆放、激光投射器斜向摆放的线结构光视觉传感器示意图。图中，1为激光投射器，2为光平面，3为被测空间圆，4为空间圆面，5为摄像机视场，6为摄像机。

图2为线结构光视觉传感器数学测量模型。

图3为线结构光视觉传感器测量空间圆孔几何参数原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本专利申请发明一种全新的基于线结构光视觉传感器实现空间圆孔几何参数测量方法，其独特之处在于：根据线结构光视觉传感器测量模型，确定被测空间圆圆心相对于摄像机光心的方位，结合结构光平面与被测空间圆相交弦的参数计算得到空间圆圆心坐标及半径或直径等空间圆几何参数。

如图1所示，摄像机正直摆放、激光投射器斜向摆放组成线结构光视觉传感器。测量时，在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，线结构光传感器与被测空间圆孔之间的理想测量位姿关系应满足以下条件：1)摄像机像平面与空间圆孔圆面平行；2)结构光光平面与空间圆孔相交(是否过其中心均可)。条件1在实际测量中不可能精确满足，但应尽可能满足，以提高测量精度。条件2是采用线结构光视觉传感器实现空间圆孔几何参数测量的必要条件，在实际测量中也容易实现。

图2所示为线结构光视觉传感器的数学模型。如图中所示，假设三维世界坐标系为o_wx_wy_wz_w，摄像机坐标系为o_cx_cy_cz_c，图像平面π_n坐标系为o_nX_nY_n。将摄像机坐标系作为传感器测量坐标系，则线结构光视觉传感器的数学模型可以用摄像机坐标系下光平面的方程来表示。

图3所示为线结构光视觉传感器测量空间圆孔几何参数的原理示意图。测量分析过程采用如下约定：

摄像机光心由符号o_c表示，结构光光源中心由符号o_l表示，线结构光视觉传感器测量坐标系定义为与摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c重合；

被测空间圆孔中心由符号o_h表示，o_h在o_c-x_cy_cz_c坐标系中空间坐标定义为(x，y,z)，延长直线

与光平面π_s交于一点，由符号P表示，P在o_c-x_cy_cz_c坐标系中空间坐标定义为(x_p，y_p，z_p)；

光平面π_s与空间圆相交于弦AB，弦AB中心由符号Q表示，Q在o_c-x_cy_cz_c坐标系空间坐标定义为(x_Q，y_Q，z_Q)；

为简化分析，假定激光平面与摄像机坐标系，y_c轴平行；

旋转角度逆时针为正，顺时针为负；

o_h点x向、y向及z向测量坐标分别由符号x_m、y_m及z_m表示。

1.空间圆孔z向坐标的求取

设被测圆孔在图像平面上椭圆方程为：

$\frac{{(x-x_n)}^2}{a^2}+\frac{{(y-y_n)}^2}{b^2}=1$

其中(x_n，y_n)为椭圆中心，a、b为椭圆两半主轴。

光条直线方，

y=k·x+l             (2)

其中k为直线斜率，l为y轴截距。

根据图像特征定位算法求得上述方程，联立式(1)及式(2)以解算得到光平面π_s与空间圆相交两点A、B的图像坐标。

根据线结构光视觉传感器测量数学模型，分别计算求得到A、B两点在摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c下的空间坐标(x_A，y_A，z_A)和(x_B，y_B，z_B)，由于Q点为弦AB的中点，有

$\left\{\begin{array}{c}{x}_Q=\frac{x_A+x_B}{2}\\ y_Q=\frac{y_A+y_B}{2}\\ z_Q=\frac{z_A+z_B}{2}\end{array}\right.$

则z_Q为被测圆心o_h的近似z向坐标，z_m＝z_Q。

2.空间圆孔x，y向坐标的求取

由图像处理得到被测圆孔中心o_h的图像坐标，根据线结构光视觉传感器数学模型，已知光平面在摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c下的标定系数，则可以唯一确定光平面上P点在测量坐标系下的坐标(x_p，y_p，z_P)。

如图3所示，过P点作x_co_cy_c平面垂线，垂足记为C，在x_co_cy_c平面内，过C点分别作x_c轴与y_c轴的垂线，垂足记为E和F，令∠FPC=θ，∠EPC=，则P点相对摄像机光心o_c的方位可由θ和表示(θ和为锐角)。由前述约定及图3中几何关系，有

$\mathrm{tg\θ}=\frac{\left|\mathrm{CF}\right|}{\left|\mathrm{PC}\right|}=\frac{\left|x_P\right|}{z_P}---\left(3\right)$

同理，过圆孔中心o_h作x_co_cy_c平面垂线，垂足记为D，在x_co_cy_c平面内，过D点分别作x_c轴与y_c轴的垂线，垂足记为G和H。由图3可以看出，∠Ho_hD=∠FPC=θ，∠Go_hD=∠EPC=，因此o_h相对摄像机光心o_c的方位也可由θ和表示，有

$\mathrm{tg\θ}=\frac{\left|\mathrm{DH}\right|}{\left|o_{h}D\right|}=\frac{\left|x\right|}{z}$

联立式(3)、式(4)、式(5)以及式(6)，又因x与x_p同号，y与y_p同号，有

$x=\frac{x_P}{z_P}\·z$

$y=\frac{y_P}{z_P}\·z$

由空间圆孔z向坐标的求取可知，z_m＝z_Q≈z，因此有

$x_m=\frac{x_P}{z_P}\·z_Q$

$y_m=\frac{y_P}{Z_P}\·z_Q$

3.空间圆孔半径(或直径)的求取

由上述得到的光平面与圆孔相A、B两点的空间坐标(x_A，y_A，z_A)、(x_B，y_B，z_B)及空间圆孔中心o_h的空间坐标(x_m，y_m，z_m)，可得

$r_1=\sqrt{{(x_m-x_A)}^2+{(y_m-y_A)}^2+{(z_m-z_A)}^2}$

$r_2=\sqrt{{(x_m-x_B)}^2+{(y_m-y_B)}^2+{(z_m-z_B)}^2}$

记圆孔半径为r，取

r=(r₁+r₂)/2

至此，采用线结构光视觉传感器完成了空间圆孔几何参数(圆心空间坐标、半径或直径等)的测量。

Claims (1)

1.一种基于线结构光视觉传感器实现空间圆孔几何参数测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

摄像机正直摆放、激光投射器斜向摆放；

在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，使线结构光传感器与被测空间圆孔之间的测量位姿关系满足以下条件：1)摄像机像平面与空间圆孔圆面平行；2)结构光光平面与空间圆孔相交，是否过其中心均可；

根据线结构光视觉传感器测量模型，计算被测空间圆圆心相对于摄像机光心的方位；

根据线结构光视觉传感器测量模型，计算结构光平面与被测空间圆相交弦中心点的空间坐标，空间坐标的z向坐标作为被测空间圆圆心的近似z向坐标；

利用已求得被测空间圆圆心的近似z向坐标，以及被测空间圆圆心相对摄像机光心的方位，求取被测空间圆圆心x、y向坐标；

利用已求得的被测空间圆圆心x、y、z坐标及结构光平面与空间圆相交弦两端点的空间坐标，可以求取被测空间圆的半径或直径。

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