光学坐标测量系统技术研究

　　现代工业对精密测量技术提出了越来越高的要求, 测量的方式、方法正向多样化发展. 对几何量测量来说, 其测量尺度正在向两个极端发展——小尺寸方向和大尺寸方向. 小尺寸方向正在进行微米测量和纳米测量的研究与应用; 大尺寸测量主要指几米至几百米范围内物体的空间位置、尺寸、形状、运动轨迹等的测量. 由于我国国民经济的快速发展, 在航空航天、电子、汽车、造船、通讯、核工业、水利水电、武器装备等行业和领域中的生产和工程中都已对大尺寸测量提出了期望和明确要求.

　　目前, 工业检测中大尺寸工件的测量使用较多的设备是三坐标测量机( CMM) 、电子经纬仪、全站仪等. 这些传统的三坐标测量机测量速度、效率和灵活性已不能满足快速发展的工业需求. 如今, 不但需要坐标测量机的测量速度快, 测量效率高, 而且需要在工业现场进行测量.

　　光学坐标测量技术是一种先进的测量手段, 具有系统组成灵活、测量精度高、工作空间大、自动化程度高等特点, 非常适合工业现场的在线测量与质量监控. 此测量系统目前理想的测量范围为3 m x 3 m 的空间, 随着研究的深入, 其测量范围可以扩大到5 mx 5 m 甚至8 m x 8 m 的空间. 在如此大的测量空间内, 其测量精度在1 m 的范围内可以达到0. 1 mm. 这样的测量空间和测量精度可满足很大一部分工业现场精密测量的要求[1] .

　　1 双目立体视觉三坐标测量技术及其数学模型

　　立体视觉三坐标测量技术是获取空间点三维信息的技术基础, 它的实现工具是双目激光立体视觉传感器, 它主要由左右摆放的两个摄像机组成, 其结构示意图及相应的数学模型如图1 和图2 所示.

　　两台相对位置固定的摄像机与被测物体构成三角形, 被测物体在两像面上形成立体图像对, 然后进行相关特征点匹配, 最后通过计算左右两幅图像中相关点的视差来获取被测物体的三维空间位置或尺寸.

　　采用透视成像模型, 空间点P(x s , ys , zs ) 在左右相机坐标系下的坐标为( x 1 , y 1, z 1 ) 和(x 2 , y 2 , z 2 ) , 在左右相面坐标系下的坐标为(X 1 ,Y1 ) 和(X 2 , Y2 ). 则有:

　　上式中R 和T 的参数, 以及摄像机的内部参数的求取, 是局部标定需要完成的工作. 具体的方法可以参考文献[ 2] .

　　2 光学坐标测量系统

　　2. 1 光学坐标测量系统基本组成

　　① 两台CCD 摄像头; ② 计算机系统③ 基准尺; ④ 靶标测头

　　其中, CCD 摄像头采用了megplus6. 3i, 用来采集特征点图像. 计算机系统中安装了图像采集卡、测量软件, 用来控制摄像头、解算、处理图像, 是光学坐标测量系统的核心设备. 此系统中的基准尺与经纬仪测量系统中的基准尺功能相同, 用来确定两台摄像头之间的位置关系. 为方便图像的采集、处理,特征点的匹配, 在基准尺及靶标中的特征点全部采用点状激光器. 如图3 所示, 靶标上除三个激光点外, 还有一个陶瓷球, 用于与被测物体接触.