CN109544637A - 双目标定验证装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双目标定验证装置，包括：水平工作台、直线导轨、测试目标安装平台和待测设备安装平台，直线导轨设置在水平工作台上以沿水平方向布置，水平工作台上沿水平方向设置有刻度尺；测试目标安装平台用于承载测试目标；测试目标安装平台可滑动地设置在直线导轨上；待测设备安装平台用于承载待测设备，待测设备上设置有第三反射镜和第四反射镜，第三反射镜、第四反射镜的位置和第一反射镜、第二反射镜的位置相关联以使得激光在待测设备平面的第三反射镜、第四反射镜和测试目标平面上对应位置的第一反射镜、第二反射镜之间，经过多次反射后落在对应一组平面镜所延伸方向的刻度尺的中央标定线上。

Description

双目标定验证装置

技术领域

本发明涉及机器视觉技术领域，具体而言，涉及一种双目标定验证装置。

背景技术

双目立体视觉是基于视差原理，由多幅图像获取物体三维几何信息的方法。在机器视觉***中，双目视觉***一般由双摄像机从不同角度同时刻获取物体的两幅数字图像，或由单摄像机在不同时刻从不同角度获取物体的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出物体三维几何信息，重建物体的三维形状与位置。

为了重建好物体的三维形状与位置，需对双目视觉的误差进行控制，该误差主要集中在视觉轴向深度范围，而现有技术中的标定验证装置主要依赖依靠机械加工精度，以及辅助传感器精度上。尤其对于待测量范围较大时，机械加工精度，及机械材料本身所存在的问题，都会导致整个验证平台的精度无法保证。

发明内容

本发明提供一种双目标定验证装置，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种双目标定验证装置，包括：水平工作台、直线导轨、测试目标安装平台和待测设备安装平台，其中：

所述直线导轨设置在所述水平工作台上以沿水平方向布置，所述水平工作台上沿水平方向设置有距离刻度尺；

所述测试目标安装平台用于承载测试目标，该测试目标为具有测试标定特征的工件，所述测试目标所在平面的侧边缘设置有可垂直向下发射激光的第一激光源，所述测试目标所在平面上设置有第一反射镜和第二反射镜；

所述测试目标安装平台可滑动地设置在所述直线导轨上，通过调整所述测试目标平台在所述直线导轨上的位置使得所述测试目标所在平面与待测设备所在平面之间的距离为设定距离；

所述待测设备安装平台用于承载所述待测设备，该待测设备为机器立体视觉设备，所述待测设备所在平面上设置有第二激光源、第三反射镜、第三激光源和第四反射镜，所述第三反射镜、所述第四反射镜的位置和所述第一反射镜、所述第二反射镜的位置相关联以使得所述第二激光源发射的激光和所述第三激光源发射的激光在所述待测设备所在平面上的所述第三反射镜、所述第四反射镜和所述测试目标所在平面上对应位置的所述第一反射镜、所述第二反射镜之间，经过多次反射后落在对应一组反射镜所延伸方向的激光检测刻度尺的中央标定线上。

可选的，所述机器立体视觉设备为基于红外结构光的立体视觉设备或激光扫描立体视觉设备。

可选的，所述激光检测刻度尺上具有纵向间隔1mm的刻度线。

可选的，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜为平面反射镜；所述第一反射镜和所述第三反射镜相对，所述第二反射镜和所述第四反射镜相对。

可选的，根据激光与所述待测设备所在平面上的激光检测刻度尺的中央标定线的位置来调节所述待测设备所在平面的旋转或俯仰位置以使得激光点落在中央标定线上。

可选的，对于不同的测试距离，通过所述第二激光源或所述第三激光源安装部分的千分尺旋钮来实现入射角的变化。

可选的，所述第二激光源和所述第三激光源均为激光水平尺，所述装置还包括：第一折射镜和第二折射镜；所述第一折射镜用于折射所述第二激光源发射的激光，并使所述第二激光源发射的激光多次在所述第三反射镜和所述第一反射镜之间反射；所述第二折射镜用于折射所述第三激光源发射的激光，并使所述第三激光源发射的激光多次在所述第四反射镜和所述第二反射镜之间反射。

可选的，所述第一折射镜和所述第二折射镜均为45°反射镜。

本说明书实施例提供了一套双目标定验证装置，其是测量工作平面(或称测试目标安装平台的工作平面)和待测量工作面(或称待测设备安装平台的工作面)的远距离平行度保证平台，用于机器立体视觉的精度测量，其带来的有益效果是：在较远距离范围内，通过两路激光器(对应第二激光源和第三激光源)的矫正，提供测量平台(或称测试目标安装平台)和待测平台(待测设备安装平台)工作面的高精度平行度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的双目标定验证装置的工作原理示意图；

图2为标定板误差方向示意图；

图3为本发明实施例提供的双目标定验证装置关于yaw角的矫正原理示意图；

图4为本发明实施例提供的关于yaw角偏差分析示意图；

图5为本发明实施例提供的双目标定验证装置关于pitch角的矫正原理示意图；

图6为本发明实施例提供的关于pitch角偏差分析示意图；

图7为本发明实施例提供的双目标定验证装置关于偏差角(以yaw角为例)反射放大原理示意图；

图8为本发明实施例提供的一种双目标定验证装置的主视图；

图9为本发明实施例提供的一种双目标定验证装置的俯视图；

图10为本发明实施例提供的一种双目标定验证装置的立体示意图；

图11为本发明实施例提供的另一种双目标定验证装置的立体示意图；

图12为本发明实施例提供的一种待测设备安装平面的立体示意图。

图中，符号说明如下：

1水平工作台、2直线导轨、3测试目标安装平台、31第一反射镜、32第二反射镜、4待测设备安装平台、41第二激光源、42第三反射镜、43第三激光源、44第四反射镜、45第一折射镜、46第二折射镜、47激光检测刻度尺、48激光检测刻度尺。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图8～12，本发明实施例提供了一种双目标定验证装置，其包括：水平工作台1、直线导轨2、测试目标安装平台3和待测设备安装平台4。

水平工作台1用于提供支撑，其上表面为水平面。为了便于测量下述测试目标所在平面(或称测试目标安装平台的工作平面)和待测设备所在平面(或称待测设备安装平台的工作面)之间的距离，可以在水平工作台1上设置距离刻度尺，如此可以直接读取距离，该距离刻度尺的长度方向优选与直线导轨2的延伸方向一致。在其他的实施例中，可以通过距离测量仪测量前述两个平面之间的距离，本实施例对此不进行限定。

直线导轨2设置在水平工作台1上，其可以沿水平方向布置，即直线导轨2的延伸方向为水平方向，此时距离刻度尺的长度方向也为水平方向。

测试目标安装平台3用于承载测试目标，该测试目标为具有测试标定特征的工件，即具有测试标定特征的工件安装于测试目标安装平台3上，该工件可以为标定板或待测工件。承载测试目标的平面为测试目标安装平面或测试目标所在平面。在该平面的侧边缘设置有可垂直向下发射激光的第一激光源，该激光会打在水平工作台1上的距离刻度尺，如此可以精准地测量两个平面之间的距离。测试目标所在平面上设置有第一反射镜31和第二反射镜32。该反射镜和下述反射镜还可以称为反光镜。在图10中，第一反射镜31位于测试目标所在平面的右侧边缘，第二反射镜32位于测试目标所在平面的上边缘

测试目标安装平台3和/或待测设备安装平台4滑动地设置在直线导轨2上，通过对应地调节测试目标安装平台3和/或待测设备安装平台4在直线导轨上2的位置，进而调节两个平台之间的距离，从而调节测试目标所在平面和下述待测设备所在平面之间的距离以达到设定距离(或称实验距离)。应用时，通常将待测设备安装平台4固定地设置在直线导轨2的一端，将测试目标安装平台3滑动地设置在直线导轨2上，通过调节测试目标安装平台3在直线导轨2上的位置调节两个平台之间的距离。

待测设备安装平台4用于承载待测设备5，该待测设备5为机器立体视觉设备，即机器立体视觉设备安装于待测设备安装平台4上，该机器立体视觉设备可以为基于红外结构光立体视觉设备或激光扫描立体视觉设备。承载待测设备的平面为待测设备安装平面或待测设备所在平面，其与承载测试目标的平面相对。待测设备所在平面上设置有第二激光源41、第三反射镜42、第三激光源43和第四反射镜44，第三反射镜42、第四反射镜44的位置和第一反射镜41、第二反射镜42的位置相关联以使得第二激光源41发射的激光和第三激光源43发射的激光在设置于待测设备所在平面上的第三反射镜42、第四反射镜44和设置于测试目标所在平面上对应位置的第一反射镜31、第二反射镜32之间，经过多次反射后落在对应一组反射镜所延伸方向的激光检测刻度尺的中央标定线上。也就是说，第三反射镜42和第一反射镜31的位置相关联以使得第二激光源41发射的激光在第三反射镜42和第一反射镜31之间，经过多次反射后落在第三反射镜所延伸方向的激光检测刻度尺47上或第一反射镜31所延伸方向的激光检测刻度尺上。具体地，第三反射镜42和第一反射镜31的位置相对，如图11～12，第三反射镜42设置于待测设备所在平面的左侧边缘。第四反射镜44和第二反射镜32的位置相关联以使得第三激光源43发射的激光在第四反射镜44和第二反射镜32之间，经过多次反射后落在第四反射镜所延伸方向的激光检测刻度尺48上或第二反射镜所延伸方向的激光检测刻度尺上。具体地，第四反射镜44和第二反射镜32的位置相对，如图11～12，第四反射镜44设置于待测设备所在平面的上边缘。优选地，第三反射镜42和第四反射镜44垂直设置，第一反射镜31和第二反射镜32垂直设置。第一反射镜31和第三反射镜42以及第二反射镜32和第四反射镜44均为平面反射镜，用于反射第二激光源41或第三激光源43发射的激光。为了达到预期的实验效果，上述各个反射镜的宽度要求与实验效果无干涉，为了在两个平面(待测设备所在平面和测试目标所在平面)平行度相差较大时，激光仍能投射在反射镜上，反射镜的宽度可尽可能宽，但也需要考虑到不干涉测试目标所在平面和待测设备所在平面。激光检测刻度尺包括：尺身、中央标定线和刻度线。尺身的长度方向、中央标定线的延伸方向与反射镜的延伸方向(或称长度方向)一致，刻度线的中部垂直地设置在中央标定线上，即在中央标定线的两侧均垂直设置有刻度线，相邻刻度线之间的间隔为1mm。当两个平面平行或平行度在预设精度范围内时，第二激光源41或第三激光源43发射的激光经过多次反射后，落在激光检测刻度尺的中央标定线上；当两个平面在平行度上有偏差时，第二激光源41发射的激光和第三激光源43发射的激光经过多次反射后会落在中央标定线的两侧中的某一侧。

为了便于激光在两个平面之间反射，第二激光源41和第三激光源43均为激光水平尺，双目标定验证装置还包括：第一折射镜45和第二折射镜46。第一折射镜45用于折射第二激光源41发射的激光，并使第二激光源41发射的激光多次在第三反射镜42和第一反射镜31之间反射。第二折射镜46用于折射第三激光源43发射的激光，并使第三激光源43发射的激光多次在第四反射镜44和第二反射镜32之间反射。第一折射镜45和第二折射镜46优选均为45°反射镜。应用中，45°反射镜的位置是由激光打到反射镜上的位置确定的，激光落点应处于反射镜中心线上。同样，激光检测刻度尺也是其中心刻度线(或称中央标定线)与对应的反射镜的中心线共线。激光水平尺的位置要满足激光能射到45°反射镜上，并第一次两平面内折返后落在待测设备所在平面的反射镜上。第三反射镜42或第四反射镜44靠近45°反射镜的边缘、齐平，并与45°反射镜相连。

应用时，由于测试目标安装平台3安装后没有旋转自由度，因此待测设备安装平台4需设具有欧拉角调节器，其用于调节承载待测设备所在平面的欧拉角方向上的位置，使该平面在各欧拉角方向上有转动自由度，从而在两个平面平行度有偏差时，使得激光经过多次反射后落在待测设备所在平面上设置有第三反射镜42和第四反射镜44所延伸方向的激光检测刻度尺的中央标定线上以满足两个平面(待测设备所在平面和测试目标所在平面)自由度的调节。应用中，欧拉角调节器可以为旋转倾斜滑台。待测设备安装平台4将激光点尽量对正到激光检测刻度尺的中央标定线位置，即可保证对应轴向的平行误差。激光检测刻度尺分别设置在第三反射镜所延伸方向上和第四反射镜所延伸方向上。不同的测试距离，可根据需要调节待测设备安装平台4上的激光源安装部分的千分尺旋钮来实现入射角的变化。

下面对本实施例提供的双目标定验证装置的工作原理进行说明：

参见图1，此原理主要是通过激光水平尺与反射镜(或称反光镜)的激光反射对偏移入射角的放大，结果与最终误差标定的比较。

参见图2，标定板的误差表现在三个方向，如yaw(图中Y方向，将物体绕y轴旋转)、pith(图中P方向，将物体绕x轴旋转)和roll(图中R方向，将物体绕z轴旋转)。由于标定板本身安装好以后没有旋转自由度，所以需要运用方法，通过调节眼镜平面的三向来使得眼镜平面与标定平面平行。对误差矫正分析的过程以yaw、pitch为主进行介绍。需要说明的是：标定板与测试目标安装平台相对应，眼睛平面与待测设备安装平台相对应。

yaw角的矫正。参见图3，此项主要是通过激光水平尺以图3右后面板正面为基准面，与XZ平面成微小角度α，激光发射到标定板对应位置的反光镜的时候激光会反射回眼镜平面处的对应反光镜，且入射角αβ1在放大，经过若干次反射放大后，激光最终射在眼镜平面的数值误差标定基准线上某一点。如果标定板与眼镜平面存在yaw方向的偏差时，激光会落在标定基准线左右，甚至超出误差标定区域。通过调节眼镜底座的旋转滑台(见后图)以改变激光光斑在误差标定区域的位置，最终使光斑落在竖直标定线上，可矫正标定板与眼镜平面在yaw方向上的偏差。偏差分析示意图如图4所示。

pitch角矫正。参见图5，此项同yaw角矫正原理相似，是以图5右下面板的上面为基准，与YZ方向成微小角度β，激光经过若干次反射后，入射角β1经过放大最终将激光光斑落在水平的误差标定基准线上。若标定板与眼镜平面存在pitch角上的偏差时，激光会落在基准线的上下，偏差太大甚至会超出误差标定区域。通过调节眼镜安装底座的β轴滑台，可以通过观察激光光斑落在基准线上的位置来矫正标定板和眼镜平面在pitch方向上的偏差。偏差分析示意图如图6所示。

算法精度：根据光学中光路反射原理可得原理图图7。偏差角反射放大原理，如图7所示，激光每反射一个来回，偏差角放大一倍(Yaw角与pitch角算法一样)。通过激光反射验证偏差角的原理可以将微小偏差放大到肉眼可见的倍数，且往返次数越多，放大效果越明显。

理论上，人眼目测的最小长度范围为2mm，激光光斑可调到2mm，该方案的精度可达到：2m测试距离时，精度误差38.2um；50mm测试距离时，精度误差1.186um。

偏差精度算法：如图7所示，激光每反射一个来回，偏差角放大一倍(Yaw角与pitch角算法一样)。如果标定板在该角上偏差了0.1mm，对应sin(yaw/pitch)＝0.1/200，yaw/pitch≈0.03°，假设反光镜足够宽，α设定到激光在两块反光镜相距2m时反射两个来回，那么最终激光光斑落在标定基准线位置应该与基准线距离为：

L(max)＝2000*(sin(yaw)+sin(2yaw)+sin(3yaw)+sin(4yaw))≈10.467mm＝104.67*0.1mm

最小测试距离50mm的情况下：

L(min)＝50*(sin(yaw)+sin(2yaw)+...+sin((4*2000/50)yaw))＝50*((cos(a/2)-cos(N*a+a/2))/(2sin(a/2)))≈50*6.748＝337.385mm＝3373.85*0.1mm，其中，N为激光折返次数。

由此证明，在2m的距离两次来回反射会将偏差放大100倍以上，相同镜长在50mm的距离反射若干次后会放大3373.85倍。

理论上，人眼目测的最小长度范围为2mm，激光光斑可调到2mm，所以该方案的精度可达到：2m测试距离时，精度误差0.1/(10.467/4)＝38.2um；50mm测试距离时，精度误差0.1/(337.385/4)＝1.186um。

下面对本发明提供的双目标定验证装置的使用过程进行说明：

操作人员于此双目标定验证装置正面，用手推动测试目标安装平台3下的基座，使其在直线滑轨2上移动；测试距离由测试目标所在平面侧边缘的第一激光源向下垂直射出的激光线打在水平工作台1的台面上的距离刻度尺来确定，如此使得操作人员可将测试目标所在平面移动到想要测试的实验距离；

打开待测设备安装平台4上的第二激光源41，激光从激光源射到45°反射镜(即第一折射镜45)上，再垂直于待测设备所在平面折射到测试目标所在平面上的反射镜，之后会在测试目标所在平面与待测设备所在平面这两个平面上的光学反射镜进行反射，最终激光会落在待测设备所在平面上，并根据激光与待测设备所在平面上的激光检测刻度尺上的中央标定线的位置来调节待测设备所在平面的旋转位置，使得激光点落在中央标定线上。然后再打开待测设备安装平台上的第三激光源43，按照前述步骤执行，并根据激光与待测设备所在平面上的激光检测刻度尺上的中央标定线的位置来调节待测设备所在平面的俯仰位置，使得激光点落在中央标定线上。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种双目标定验证装置，其特征在于，包括：水平工作台、直线导轨、测试目标安装平台和待测设备安装平台，其中：

所述直线导轨设置在所述水平工作台上以沿水平方向布置，所述水平工作台上沿水平方向设置有距离刻度尺；

所述测试目标安装平台用于承载测试目标，该测试目标为具有测试标定特征的工件，所述测试目标所在平面的侧边缘设置有可垂直向下发射激光的第一激光源，所述测试目标所在平面上设置有第一反射镜和第二反射镜；

所述测试目标安装平台可滑动地设置在所述直线导轨上，通过调整所述测试目标平台在所述直线导轨上的位置使得所述测试目标所在平面与待测设备所在平面之间的距离为设定距离；

所述待测设备安装平台用于承载所述待测设备，该待测设备为机器立体视觉设备，所述待测设备所在平面上设置有第二激光源、第三反射镜、第三激光源和第四反射镜，所述第三反射镜、所述第四反射镜的位置和所述第一反射镜、所述第二反射镜的位置相关联以使得所述第二激光源发射的激光和所述第三激光源发出的在所述待测设备所在平面上的所述第三反射镜、所述第四反射镜和所述测试目标所在平面上对应位置的所述第一反射镜、所述第二反射镜之间，经过多次反射后落在对应一组反射镜所延伸方向的激光检测刻度尺上的中央标定线上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机器立体视觉设备为基于红外结构光的立体视觉设备或激光扫描立体视觉设备。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光检测刻度尺上具有纵向间隔1mm的刻度线。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜为平面反射镜；

所述第一反射镜和所述第三反射镜相对，所述第二反射镜和所述第四反射镜相对。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，根据激光与所述待测设备所在平面上的激光检测刻度尺的中央标定线的位置来调节所述待测设备所在平面的旋转或俯仰位置以使得激光点落在中央标定线上。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，对于不同的测试距离，通过所述第二激光源或所述第三激光源安装部分的千分尺旋钮来实现入射角的变化。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二激光源和所述第三激光源均为激光水平尺，所述装置还包括：第一折射镜和第二折射镜；

所述第一折射镜用于折射所述第二激光源发射的激光，并使所述第二激光源发射的激光多次在所述第三反射镜和所述第一反射镜之间反射；所述第二折射镜用于折射所述第三激光源发射的激光，并使所述第三激光源发射的激光多次在所述第四反射镜和所述第二反射镜之间反射。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一折射镜和所述第二折射镜均为45°反射镜。