CN110428469B - 一种任意曲面壁面法向定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测控技术领域，具体涉及一种任意曲面壁面法向定位方法。采用两台相机获取操作工具与其在壁面的镜像，通过二值化图像识别技术处理图像，从而在图像上找出操作工具的中心线和其镜像的中心线，判断操作工具的中心线和其镜像的中心线是否共线，由成像特性知，实物和镜像关于镜面对称，当实物垂直于镜面时，也即实物的中心线处于曲面壁面的法向上时，其镜像的中心线也处于曲面壁面的法向上，实现了曲面壁面的法向定位；可用于曲面壁面剪应力测量时，法向定位时探头不与壁面接触，减少了壁面碰撞对探头的损坏；也可用于曲面零件的加工，适用范围广；两台相机可以满足不同曲率的曲壁面的法向的准确定位。
Description
技术领域
本发明属于测控技术领域，具体涉及一种任意曲面壁面法向定位方法。
背景技术
准确寻找壁面的法向方向，并实现壁面准确距离定位在实际生产生活中具有重要的应用价值。诸如表面微加工等领域都对近壁区法向准确定位有很高的要求，经常需要借助工装***对壁面法向进行精确定位，以使得被加工件满足技术要求；如利用速度传感器进行壁面速度边界层测量过程中，需要先利用探头找到壁面法向即进行壁面法向定位后再进行速度测量，以便测得近壁区的速度，但是由于速度传感器的探头尺寸一般都很微小，这便造成了探头的壁面法向准确定位非常困难，尤其是在弯曲壁面上更为困难，且极易发生探头与壁面碰撞而导致探头损毁。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种任意曲面壁面法向定位方法。
为此，本发明提供一种任意曲面壁面法向定位方法，包括如下步骤：
S1：准备好两台相机，两台相机在同一水平面且成90°夹角，将所述两台相机与操作工具固连使得相机与操作工具随动；
S2：对相机进行聚焦，使得操作工具在相机中形成图像，对图像进行尺寸标定；
S3：将操作工具进给至近壁区，使得所述操作工具在近壁区的壁面形成镜像；
S4：采用相机获取操作工具及其在所述近壁区的壁面所成的镜像的原始图像，通过上位机对原始图像进行处理得到处理图像；
S5：从所述处理图像中，分别获取所述操作工具的中心线l1和其镜像的中心线l2；
S6：判断中心线l1和中心线l2是否共线；
S7：若中心线l1和中心线l2不共线，则控制机械臂调整操作工具的进给方向，直至中心线l1和中心线l2共线。
优选地，在S2步骤之后，还包括如下步骤：
S21：对所述壁面上操作工具所成的镜像的清晰度进行判断；
S22：若所述操作工具在所述壁面所成的镜像的清晰度不满足要求，则说明相机未聚焦在工具上，需要重新对焦或操作环境光线不足，需要进行补光。
优选地，在S4步骤中，采用图像边界识别技术处理得到处理图像。
优选地，对相机获取的原始图像进行二值化处理，获得二值化处理图像。
优选地，在S6步骤中，采用斜率比较法判断中心线l1和中心线l2是否共线；
S61：计算中心线l1的斜率和中心线l2的斜率；
S62：判断中心线l1和斜率是否等于中心线l2的斜率，如果相等，即表明两直线共线。
优选地，在S7步骤之后，还包括以下步骤：
S8：若中心线l1和中心线l2共线时，从处理图像中获取所述操作工具与其镜像顶端之间的距离；
S9：判断所述操作工具与其镜像顶端之间的距离是否满足预设要求；
S10：若不满足预设要求，则通过机械臂控制调节所述操作工具向壁面方向的进给，直至满足预设要求；
S11：若所述操作工具与其镜像顶端之间的距离满足预设要求，则停止所述操作工具向壁面方向的进给，开始作业。
优选地，在S1步骤中，还包括在上位机中预先设定操作工具进给到壁面的距离。
优选地，在S11步骤之后，还包括如下步骤：
S12：转移作业位置，重复步骤S3－S11。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的任意曲面壁面法向定位方法，此结构的任意曲面壁面法向定位方法，采用两台相机获取操作工具与其在壁面的镜像，通过二值化图像识别技术处理图像，从而在图像上找出操作工具的中心线和其镜像的中心线，判断操作工具的中心线和其镜像的中心线是否共线，由成像特性知，实物和镜像关于镜面对称，当实物垂直于镜面时，也即实物的中心线处于曲面壁面的法向上时，其镜像的中心线也处于曲面壁面的法向上，实现了曲面壁面的法向定位；可用于曲面壁面剪应力测量时，法向定位时探头不与壁面接触，减少了壁面碰撞对探头的损坏；也可用于曲面零件的加工，适用范围广；两台相机可以满足不同曲率的曲壁面的法向的准确定位。
2.本发明提供的任意曲面壁面法向定位方法，相机采用微机电加工技术获得，降低了对作业环境产生的影响。
3.本发明提供的任意曲面壁面法向定位方法，不仅适用于曲面剪应力测量，还适用于曲面打孔作业；适用范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中的任意曲面壁面的法向定位方法的操作流程图；
图2为本发明实施例中的任意曲面壁面的法向定位方法的操作示意图；
图3为本发明实施例中的任意曲面壁面的法向定位方法的原理示意示意图；
图4(a)为本发明实施例中的壁面法向定位的相机获取的原图；图4(b)为本发明实施例中的壁面法向定位的相机获取的原图经二值化处理后的图像；
图5为本发明实施例中的壁面法向定位的相机获取的原图经二值化处理后的图像找出中心线的结构示意图。
附图标记说明：
1－相机；11－第一相机；12－第二相机；
2－操作工具；
3－辅助光源。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。
实施例1
本实施例的任意曲面壁面法向定位方法，如图1至图5所示，本实施例的操作工具为探头，用于壁面剪应力测量，包括以下步骤：
S1：准备好两台相机1，两台相机1在同一水平面且夹角呈90°，将所述两台相机1与探头固连使得相机1与探头随动；为了便于描述区分，将两台相机分别标记为第一相机11和第二相机12；
S2：对第一相机11和第二相机12进行聚焦，使得探头在第一相机11和第二相机12中形成图像，对图像进行尺寸标定；
S3：将探头进给至近壁区，使得所述探头在近壁区的壁面形成镜像；
S4：采用第一相机11和第二相机12获取探头及其在所述近壁区的壁面所成的镜像的原始图像，通过上位机(未图示)对原始图像进行处理得到处理图像；
S5：从所述处理图像中，分别获取所述探头的中心线l1和其镜像的中心线l2；
S6：判断中心线l1和中心线l2是否共线；
S7：若中心线l1和中心线l2不共线，则控制机械臂(未图示)调整探头的进给方向，直至中心线l1和中心线l2共线。
为了减小对流场的干扰，相机的选择应该尺寸尽量小，具体尺寸不做限定，本领域技术人员可以根据实际需求进行选择。
相机11和相机12的设置在于可以保证两个不同位置的角度都垂直，确保在三维空间中垂直了，如果只设置一台相机1只能保证一个方向垂直，无法实现整体垂直；相机11和相机12在壁面的投影的中心轴线的夹角呈90°设置，可以保证无死角。
为了后续原图经过二值化图像处理后得到的图像清晰，能够方便找出实物和镜像的中心线，因此需要获取较为清晰的镜像；又因为实物在壁面的成像与所处环境的光线有很大关系以及是否聚焦有关，因此为了确保操作工具在壁面的成像更为清晰，在S2步骤之后，还包括如下步骤：
S21：对所述壁面上探头所成的镜像的清晰度进行判断；
S22：若所述探头在所述壁面所成的镜像的清晰度不满足要求，则说明相机未聚焦在工具上，需要重新对焦或操作环境光线不足，需要进行补光；可以采用辅助光源3如手电筒、电灯或者其他灯源照射操作工具和壁面，使得操作工具在壁面的成像清晰即可。
相机的标定采用相机自标定法标定，依据选择的相机而定，在此不做描述和限定。对图像尺寸的标定的目的在于确定图像的像素的对应的物理尺寸。图像尺寸的标定是通过相机把带有边缘位置信息或尺寸信息的光学信号转化为视频信号，经图像处理电路送入上位机6处理，建立数字图像像素与实际尺寸的对应关系，具体的方式：如1cm长的物体成像后，占用了100个像素，则一个像素的物理尺寸即为：1/100cm。
优选地，在S4步骤中，采用图像边界识别技术处理处理得到处理图像。
上位机对相机获取的操作工具2及其在壁面的镜像的原始图像(如图4(a))进行二值化处理，获得二值化处理平面坐标图像(如图4(b))。
优选地，在S6步骤中，采用斜率比较法判断中心线l1和中心线l2是否共线；
S61：计算中心线l1的斜率和中心线l2的斜率；
S62：判断中心线l1和斜率是否等于中心线l2的斜率，如果相等，即表明两直线共线。
经过尺寸标定后的相机获取的原始图像(如图4(a))，图像中横坐标和纵坐标的单位均为像素；通过上位机6利用图像识别技术处理相机获取的图像进行二值化处理，得到探头及其镜像的平面像素坐标图像(如图4(b))，图像中横坐标和纵坐标均为像素；如图4所示，利用坐标系找出二值化后的图像中探头的中心线l1(如图5中直线)及其镜像的中心线l2(如图5中直线)，经过尺寸标定后的相机获取的探头和其镜像的原始图像(如图4(a))，图像中横坐标和纵坐标的单位均为像素；通过上位机6利用图像识别技术处理相机获取的图像进行二值化处理，得到平行阵列热线探头1及其镜像的平面像素坐标图像(如图4(b))，图像中横坐标和纵坐标均为像素；如图5所示，利用坐标系找出二值化后的图像中探头的中心线l1(如图5中红色直线)及其镜像的中心线l2(如图5中红色直线)；通过判断中心线l1和中心线l2的夹角是否为180°，确定中心线l1和中心线l2共线，从而实现曲面壁面的法向定位；而判断两条直线是否共线，最简单的做法可以通过斜率比较法来判断；如果两中心线的斜率大小相等，也即两中心线的夹角为180°时，则可确定两直线共线；当采用斜率法得到中心线l1和中心线l2的夹角为180°时，即可确定两中心线是平行或者共线的，反之亦然；当中心线l1和中心线l2的夹角不等于180°时，即可确定两中心线相交、不共线，反之亦然；当通过斜率比较法得出中心线l1和中心线l2的斜率相等，即可得出两中心线的夹角等于180°，两中心线平行，进一步由镜面成像原理和特性可知两中心线是共线的，两中心线共线时，平行阵列热线探头1是处于壁面的法向上的，也即确定了曲面壁面的法向，实现了法向定位；如果得到的两中心线的斜率不相等，也即中心线l1和中心线l2的夹角不等于180°，两中心线不共线，此时需要上位机6便会控制机械臂控制驱动器4驱动机械臂3调整平行阵列热线探头1的方向，直至中心线l1和中心线l2共线，也即夹角等于180°为止。
在S7步骤之后，还包括以下步骤：
S8：若中心线l1和中心线l2共线时，从处理图像中获取所述探头与其镜像顶端之间的距离；
S9：判断所述探头与其镜像顶端之间的距离是否满足预设要求；
S10：若不满足预设要求，则通过机械臂控制调节所述探头向壁面方向的进给，直至满足预设要求；
S11：若所述探头与其镜像顶端之间的距离满足预设要求，则停止所述探头向壁面方向的进给，开始作业，也即采用热线风速仪测量流场中的速度，通过上位机计算出测点位置的壁面的剪应力。
优选地，在S1步骤中，还包括在上位机中预先设定探头进给到壁面的距离，预设的探头与壁面的距离设为d，d＞0，只要确保探头与壁面具有一定的距离即可，避免探头碰撞壁面造成探头的损坏。
当需要转移位置进行其他位置的法向定位时，只需要控制机械臂移动探头至待测点位置，重复步骤S3－S11即可。
实施例2
本实施例的任意曲面壁面法向定位方法，如图1至图5所示，用于曲面零件的加工，如对曲面零件进行打孔，与实施例1相比，不同在于操作工具为加工刀具，步骤S1－S7与实施例1相同，将实施例1中S1－S7步骤的探头替换成加工刀具，同时不包括实施例1中的步骤S8－S11。
当需要转移位置对其他位置点进行作业时，只需控制机械臂移动加工刀具至待测点，重复步骤S3－S7即可。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种任意曲面壁面法向定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：准备好两台相机，两台相机在同一水平面且成90°夹角，将所述两台相机与操作工具固连使得相机与操作工具随动；
S2：对相机进行聚焦，使得操作工具在相机中形成图像，对图像进行尺寸标定；
S3：将操作工具进给至近壁区，使得所述操作工具在近壁区的壁面形成镜像；
S4：采用相机获取操作工具及其在所述近壁区的壁面所成的镜像的原始图像，通过上位机对原始图像进行处理得到处理图像；
S5：从所述处理图像中，分别获取所述操作工具的中心线l1和其镜像的中心线l2；
S6：判断中心线l1和中心线l2是否共线；
S7：若中心线l1和中心线l2不共线，则控制机械臂调整操作工具的进给方向，直至中心线l1和中心线l2共线。
2.根据权利要求1所述的一种任意曲面壁面法向定位方法，其特征在于，在S2步骤之后，还包括如下步骤：
S21：对所述壁面上操作工具所成的镜像的清晰度进行判断；
S22：若所述操作工具在所述壁面所成的镜像的清晰度不满足要求，则说明相机未聚焦在工具上，需要重新对焦或操作环境光线不足，需要进行补光。
3.根据权利要求1所述的一种任意曲面壁面法向定位方法，其特征在于，在S4步骤中，采用图像边界识别技术处理得到处理图像。
4.根据权利要求3所述的一种任意曲面壁面法向定位方法，其特征在于，对相机获取的原始图像进行二值化处理，获得二值化处理图像。
5.根据权利要求1所述的一种任意曲面壁面法向定位方法，其特征在于，在S6步骤中，采用斜率比较法判断中心线l1和中心线l2是否共线；
S61：计算中心线l1的斜率和中心线l2的斜率；
S62：判断中心线l1和斜率是否等于中心线l2的斜率，如果相等，即表明两直线共线。
6.根据权利要求1所述的一种任意曲面壁面法向定位方法，其特征在于，在S7步骤之后，还包括以下步骤：
S8：若中心线l1和中心线l2共线时，从处理图像中获取所述操作工具与其镜像顶端之间的距离；
S9：判断所述操作工具与其镜像顶端之间的距离是否满足预设要求；
S10：若不满足预设要求，则通过机械臂控制调节所述操作工具向壁面方向的进给，直至满足预设要求；
S11：若所述操作工具与其镜像顶端之间的距离满足预设要求，则停止所述操作工具向壁面方向的进给，开始作业。
7.根据权利要求1所述的一种任意曲面壁面法向定位方法，其特征在于，在S1步骤中，还包括在上位机中预先设定操作工具进给到壁面的距离。
8.根据权利要求6－7任一项所述的一种任意曲面壁面法向定位方法，其特征在于，在S11步骤之后，还包括如下步骤：
S12：转移作业位置，重复步骤S3－S11。
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