视觉测量中光学测头姿态估计方法

    现代化生产中对高精度大空间三维整体现场测试技术的需求日趋迫切.已有的成熟测量方法,如接触式测头的大尺寸坐标测量机及以激光测头和视觉测头取代传统接触式测头的所谓非接触式坐标测量机^[1-3],虽具有很高的测量精度,但由于其受三维运动导轨约束的限制,难于真正实现大型构件的现场在线三维坐标测量;三维激光跟踪及其多站组合测量技术^{[4, 5]}具有非常高的测量精度,较好的自动化程度和测量效率,但系统复杂,现场测量难于实施;高精度电子经纬仪及其多站组合测量技术^{[6, 7]}具有较大的测量范围,较高的测量精度,较强的数据处理能力,但其测量效率低,系统调整操作比较困难,难于实现真正意义上的现场三维测量.

    随着大尺寸视觉测量方法在测量精度研究方面的突破,并且为解决在生产、装配和使用现场对大型装备的结构件进行整体三维测量,在装配过程中进行辅助测试和加工过程中进行工装夹具校准的大空间三维坐标测量问题,提出了一种基于光学测头特征点成像的单机视觉坐标测量方法,即把CCD像机摆放在被测件的附近或四周,使其视场覆盖整个被测体,利用光学接触式测头对被测件进行逐点测量,通过对特征点在像面上成像坐标的分析确定被测点的空间三维坐标,进而实现坐标测量机的测试功能.为了实现该测量方法必须解决:①测尖与特征点的空间位置关系问题;②光学测头与像机的相对姿态问题.其中前者可以利用三坐标测量机精确标定获得,本文提出一种利用SVD和矢量观测值确定光学测头姿态的方法.

    1　测量系统组成及工作原理

    该系统由光学测头、内参数精确标定的红外数字摄像机和图像处理系统等组成(见图1).其中光学测头上设置5个光学特征点———红外发光二极管,特征点之间的相对位置及测尖与特征点位置关系是已知的.

    在测量过程中,利用特征点间的几何约束关系及对特征点的成像坐标分析,通过5点姿态估计优化算法确定被测点空间坐标.

    2　特征点坐标确定

    2·1　坐标系及坐标的约定

    引入世界坐标系、像机坐标系、图像坐标系和测头坐标系;并且,为了简化问题,假设世界坐标系与像机坐标系相重合,因此,后文中求得的特征点在像机坐标系下的坐标实质上就是特征点在世界坐标系下的坐标.其中,图像坐标系Oxy的坐标原点O建立在光轴与像平面的交点,x轴和y轴分别与像素的横轴和纵轴相平行;像机坐标系O_Cx_Cy_Cz_C的坐标原点O_C位于像机的透视投影中心C,轴z_C与像平面正交,轴x_C和轴y_C对应平行于图像坐标系的x轴与y轴;测头坐标系O_Px_Py_Pz_P的坐标原点O_P建立在测头上第1个光学特征点的质心,以第1点、第5点的连线方向作为轴z_P的正方向;以第1、3、5点建立平面a,过第1、5点连线做平面a的垂直平面b,再过第1点做平面a和b的垂面c,则平面a与c和b与c的交线即为轴y_P和轴x_P所在的方向,并且坐标系满足右手定则(见图2).