一種用於雷射三角測量系統的校準裝置和方法
2023-07-03 20:39:51 2
一種用於雷射三角測量系統的校準裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於雷射三角測量系統的校準裝置，包括轉臺、頂針和校準圓柱體；校準圓柱體固定放置在轉臺上方，頂針壓緊在校準圓柱體的上表面。本發明還公開了使用上述校準裝置的校準方法，採用帶有狹縫和棋盤格標定板的校準圓柱體作為工具，通過6個步驟實時採集與計算狹縫圖像、標定板圖像以及雷射圖像，判斷系統校準是否達到預設要求。最終使得攝像頭成像面與基準面平行，雷射與基準面交線與鏡頭光軸相交且垂直。本發明的方法簡單有效，易於操作人員掌握，並且調節精度高，能有效地確保雷射三角測量系統的精確度，在非接觸式三維高精度測量領域有著良好的應用前景。
【專利說明】一種用於雷射三角測量系統的校準裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測量領域的校準裝置和方法，具體涉及一種用於雷射三角測量系統的校準裝置和方法。
【背景技術】
[0002]三角測量法技術具有非接觸式、測量精度高、動態響應快等特點，在高精度三維測量領域有著非常廣泛的應用。為了保證三角測量法的測量精度，一字型雷射、攝像頭以及基準面必須嚴格滿足某一已知的幾何關係，為達到這一目的，以往的技術主要通過兩種方法來實現。第一種方法是採用固定的機械裝置，即一字型雷射、攝像頭以及基準面的關係是固定的。這種方法的缺點是不能根據被測物體的尺寸調節機械位置，測量範圍較小，靈活性差。第二種方法是採用可調節的機械裝置，這一方法的缺點是調節裝置有可能引入機械誤差。另外上述兩種方法都有一個共同的問題，就是機械裝置出現磨損、鬆動等情況時，原先的幾何關係無法滿足，測量精度必然降低。
[0003]因此，本領域的技術人員致力於開發一種克服上述缺陷用於雷射三角測量系統的校準裝置和校準方法。
【發明內容】
[0004]有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種用於雷射三角測量系統的校準裝置和校準方法。
[0005]本發明針對現有技術的不足，提出了一種用於雷射三角測量系統的校準方法，採用帶狹縫的和粘貼棋盤格標定板的圓柱體作為校準工具，通過實時採集與計算校準工具的圖像，判斷系統校準是否達到預設要求。最終使得攝像頭成像面與基準面平行，雷射與基準面交線與鏡頭光軸相交且垂直。
[0006]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0007]—種用於雷射三角測量系統的校準裝置，包括轉臺、頂針和校準圓柱體；校準圓柱體固定放置在轉臺上方，頂針壓緊校準圓柱體的上表面，確保轉臺旋轉過程中校準圓柱體始終繞著同一個軸旋轉。雷射器與攝像頭與校準裝置配合使用。
[0008]優選地，轉臺由伺服電機帶動旋轉，實現精確的轉動和定位。
[0009]優選地，校準圓柱體由金屬材料製成，金屬材料易於加工成型，使用過程中不易變形。
[0010]優選地，校準圓柱體的上表面設有一個供頂針壓入的孔。
[0011]優選地，校準圓柱體還包含一個基準面和一條狹縫。
[0012]優選地，基準面是在校準圓柱體側面自上而下切去一塊，形成的一個平行於校準圓柱體中心線的截面。
[0013]優選地，基準面的上部和下部都粘貼有棋盤格標定板，棋盤格標定板格子的豎直邊緣平行於校準圓柱體的中心線。[0014]優選地，狹縫是在基準面的不粘貼所述棋盤格標定板的部分沿垂直於所述基準面的方向切開一個貫通校準圓柱體的縫隙，光線可以從此狹縫間穿過圓柱體。
[0015]一種用於雷射三角測量系統的校準方法，實時採集並計算圖像作為反饋進行機械裝置調節，攝像頭實時拍攝校準工具當前圖像並計算圖像中的幾何信息，與此同時調節固定攝像頭和雷射器的機械裝置，當圖像中的幾何信息滿足一定要求時，表明機械裝置調整到了需要的位置。這種校準方法包括以下6個步驟，實現三角測量法的雷射器、攝像頭、基準面的校準:
[0016](I)在校準圓柱體未切去平面的那一側放置一個平板光源作為背光，旋轉轉臺，直至攝像頭拍攝圖像的平均亮度達到最大；
[0017](2)旋轉攝像頭，直至攝像頭拍攝圖像的光條垂直於圖像的上下邊緣；
[0018](3)移動攝像頭，直至攝像頭拍攝圖像的光條位於圖像中間位置；
[0019](4)撤去背光平板光源，調整攝像頭曝光時間，使攝像頭拍攝到的圖像中，上半部分棋盤格和下半部分棋盤格格子豎直方向邊長的平均值一樣；
[0020](5)打開雷射器，調整攝像頭曝光時間，使攝像頭拍攝到的圖像中，雷射光條處於水平位置；
[0021](6)移動雷射器，使雷射光條處於圖像中間位置。
[0022]上述用於雷射三角測量系統的校準方法，更具體的操作步驟是:
[0023](I)將校準圓柱體固定在轉臺上，基準面對著攝像頭，在校準圓柱體背向攝像頭的一側放置一個平板光源作為背光，光線通過狹縫進入攝像頭中，攝像頭拍攝的圖像中出現光條；調整攝像頭曝光時間，使其拍攝的圖像中有一條較亮的縱向光條，其餘部分較暗；緩慢旋轉轉臺，當縱向光條的平均亮度最大時，停止旋轉轉臺。此步驟可以確保窄縫與成像面垂直。
[0024](2)在與攝像頭光軸垂直的平面內緩慢旋轉攝像頭並實時拍攝、計算圖像；當攝像頭拍攝圖像中的光條垂直於圖像的上下邊緣時，停止旋轉攝像頭調節。此步驟可以確保成像面上下邊緣與校準圓柱體的中心線垂直。
[0025](3)在與攝像頭光軸垂直的平面內左右移動攝像頭並實時拍攝、計算圖像；當攝像頭拍攝圖像中的光條位於圖像中間位置時，停止移動攝像頭調節。此步驟可以確保校準圓柱體的中心線在成像面的投影位於成像面的中心。
[0026](4)撤去平板光源，調整攝像頭曝光時間，使其拍攝的圖像中棋盤格有明顯的對比度；在與成像面垂直的平面內緩慢旋轉攝像頭並實時拍攝、計算圖像，也就是調節攝像頭的仰俯角，當攝像頭拍攝到圖像中，上半部分棋盤格和下半部分棋盤格格子豎直方向邊長的平均值一樣時，停止旋轉攝像頭調節。此步驟可以確保成像面與基準面平行。
[0027](5)打開雷射器，調整攝像頭曝光時間，攝像頭拍攝到雷射與基準面的交線，是一條較亮的雷射光條。在與雷射器光軸垂直的平面內緩慢旋轉雷射器並實時拍攝、計算圖像，當拍攝到的圖像中，雷射光條在圖像中處於水平位置時，停止旋轉雷射器調節。此步驟可確保雷射與基準面的交線平行於成像面的上下邊緣。
[0028]( 6 )在豎直方向向上或向下緩慢移動雷射器並實施拍攝、計算圖像，使雷射光條處於圖像中間位置，停止移動雷射器調節。此步驟可以確保雷射與基準面的交線與攝像頭光軸相交。[0029]通過上述6個校準步驟，可以確保攝像頭、雷射與基準面滿足以下的幾何關係:
[0030](I)攝像頭的成像面與基準面平行；
[0031](2)成像面的上下邊緣與校準圓柱體的中心線垂直；
[0032](3)雷射與基準面的交線與攝像頭光軸相交；
[0033](4)雷射與基準面的交線平行於成相面的上下邊緣。
[0034]上述的空間幾何關係是進行三角測量法時需要滿足的典型條件。有時三角測量法的計算只需滿足其中的一部分條件，在這種情況下可以減少相應的校準步驟。
[0035]校準步驟(3)中所述的等間距條件，是比較校準圓柱體上部的棋盤格標定板格子的豎直方向長度的平均值，與校準圓柱體下部的棋盤格標定板格子的豎直方向長度的平均值，兩者之差的絕對值小於一個很小的值。因為當成像面與基準面不平行，也就是攝像頭存在仰俯角時，攝像頭對上部的棋盤格和下部的棋盤格的放大倍數不一致，圖像中棋盤格的格子豎直方向長度隨著格子上下位置而變化。當上下部分棋盤格的格子豎直方向長度平均值相等時，也就意味著攝像頭成像面與基準面平行。
[0036]本發明一種用於雷射三角測量系統的校準裝置和方法，可以實現以下有益效果:
[0037](I)可減小對機械裝置的依賴。傳統的三角測量法通過機械裝置之間的嚴格空間關係，來保證雷射器、攝像頭、基準面之間的幾何關係。因此機械結構複雜，加工難度大，並且為保證機械加工精度需付出較大成本。本發明只需要相對簡單的工裝調節裝置，即可確保系統滿足特定空間幾何關係，易於實現且成本較低。
[0038](2)可適應不同的三角測量法的算法。三角測量法根據不同的被測對象，其算法會有一定的調整，雷射器、攝像頭和基準面的幾何關係也會有所不同。本發明分步驟進行校準，可以根據三角測量法的幾何關係增加或減少校準步驟，對不同的被測對象適應性與靈活性很強。
[0039](3)易於實現校準精度的提高。本發明可以通過改進校準步驟中圖像處理的算法來提高校準的精度，較之通過提高機械加工精度的方法，更容易實現系統精度的升級。
[0040](4)本發明所需的校準裝置結構簡單，易於加工，便於安裝和調試。本發明特別適用於杆狀、柱狀工件的三維測量，可在完成上述的校準步驟後，將被測工件按照與校準工具類似的方式加以固定，利用轉臺-頂針結構使其繞固定軸旋轉，校準後的雷射三角測量系統可以獲取被測工件一周的三維數據。本發明可以極大地減少雷射三角測量系統的機械加工成本和加工難度，降低校準過程中的調節難度，適合於在高速自動化三維測量產品中使用，具有極大的市場前景。
[0041]以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0042]圖1是本發明的一個較佳實施例的校準裝置結構示意圖；
[0043]圖2是圖1中所示校準圓柱體的詳細結構圖。
【具體實施方式】
[0044]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
[0045]圖1展示的是本實施例的校準裝置的結構示意圖。一種用於雷射三角測量系統的校準裝置，包括轉臺2、頂針(圖1中未示出)和校準圓柱體I ;校準圓柱體I固定放置在所述轉臺2上方，頂針壓緊校準圓柱體I的上表面。此外，圖1中還展示了配套使用的雷射器3和攝像頭4。
[0046]圖2展示的是校準圓柱體I的詳細結構圖。圖例分別為小孔11、上部棋盤格標定板12、狹縫13、下部棋盤格標定版14、基準面15。校準圓柱體I是一個直徑與被測物直徑近似的金屬制圓柱體，上表面有一個小孔11，可以壓入頂針起到固定作用。校準圓柱體I還包含一個基準面15和一個狹縫13。基準面15是在校準圓柱體I側面自上而下切去一塊，形成的一個平行於校準圓柱體I中心線的截面。基準面15的上部和下部都粘貼有棋盤格標定板，分別為上部棋盤格標定板12和下部棋盤格標定板14。棋盤格標定板格子的豎直邊緣平行於校準圓柱體I的中心線。狹縫13是在所述基準面15的不粘貼所述棋盤格標定板的部分沿垂直於基準面15的方向切開一個貫通校準圓柱體I的縫隙。
[0047]採用如圖1所示的裝置完成雷射三角測量系統的校準。使用的校準圓柱體I的具體結構圖如圖2所示，校準圓柱體I的直徑為30mm，狹縫13寬度為1mm，基準面15和校準圓柱體I的中心線的距離是8mm，基準面15上粘貼的上部棋盤格標定板13和下部棋盤格標定板14各有5行5列，每個棋盤格子的邊長是3mm。將校準圓柱體I固定放置在轉臺2上，頂針壓緊校準圓柱體I上表面。在開始校準步驟前，先進行以下幾個步驟的粗調:通過水平儀將攝像頭4的上表面調節至大致水平的位置，打開雷射器3讓雷射照射到校準圓柱體I的側面上，雷射與校準圓柱體I側面的交線是一段圓弧，調節雷射器3的水平位置使雷射圓弧的左右兩個端點位於同一高度。
[0048]打開攝像頭4，使其處於連續拍攝模式，為防止曝光過度，將攝像頭4的曝光時間設置為100 μ m，關閉雷射器3。校準圓柱體I的基準面15朝向攝像頭4，在校準圓柱體I的背向攝像頭4的那一側放置一個尺寸約為IOOmmX IOOmm的白色LED平板光源作為背光，此時在攝像頭3採集的圖像上出現一根豎直的光條。轉臺2由伺服電機帶動旋轉，實現精確的轉動和定位。採用點動方式旋轉轉臺2，每次旋轉後計算圖像上光條的平均灰度值。初始位置光條的平均灰度為75 ;隨著轉臺2的旋轉，光條的平均灰度值逐漸增大；當達到137時，繼續轉動轉臺2，灰度值開始減小。說明灰度值137對應的位置是此步校準所要達到的位置。
[0049]在與攝像頭4光軸垂直的平面內緩慢旋轉攝像頭4，同時實時計算圖像。計算方法是求出光條中心線第一行的橫坐標與最後一行橫坐標之差，當計算值大於O時，將攝像頭4順時針旋轉，當計算值小於O時，將攝像頭4逆時針旋轉，當計算值等於O時，說明對應的位置是此步校準所要達到的位置。
[0050]在與攝像頭4光軸垂直的平面內左右移動攝像頭4，同時實時計算圖像。計算方法是求出光條中心線橫坐標的平均值。攝像頭的解析度是1024X1460，所以當計算值小於730.5時，將攝像頭4向左移動，當計算值大於730.5時，將攝像頭4向右移動。由於很難將計算值調節至完全等於730.5，所以此處設置一個容忍範圍，當計算值在730至731這個範圍內時，認為對應的位置達到此校準步驟的要求。
[0051]撤去用作背光的LED平板光源，為了獲得較高對比度的棋盤格圖像，將攝像頭4的曝光時間設置為200 μ m。在與成像面垂直的平面內緩慢旋轉攝像頭，也就是調節攝像頭4的仰俯角，同時實時計算棋盤格圖像。計算的方法如下:首先通過搜索角點的方法確定每一個格子頂點的坐標，然後計算格子豎直方向邊長。圖像中上半部分和下半部分各有5行格子，計算上半部分和下半部分格子豎直方向邊長平均值之差。當計算值大於O時，說明攝像頭4處於俯視狀態，當計算值小於O時，說明攝像頭4處於仰視狀態。按照這個原則調節攝像頭仰俯角，計算值逐漸趨向於O。由於很難將計算值調節至完全等於0，所以此處設置一個容忍範圍，當計算值在-0.5至0.5這個方位內時，認為對應的位置達到此校準步驟的要求。
[0052]打開雷射器3，攝像頭4拍攝到雷射與基準面的交線，是一個光條。在與雷射器3光軸垂直的平面內緩慢旋轉雷射器，同時實時計算圖像。計算方法是求出光條中心線最左一列的縱坐標與最右一列的縱坐標之差，當計算值大於O時，將雷射器3順時針旋轉，當計算值小於O時，將雷射器3逆時針旋轉，當計算值等於O時，說明對應的位置是此步校準所要達到的位置。
[0053]在豎直方向緩慢移動雷射器3，同時實時計算圖像。計算方法是求出光條中心線縱坐標的平均值。攝像頭的解析度是1024X1460，所以當計算值小於512.5時，將攝像頭向下移動，當計算值大於512.5時，將攝像頭向上移動。由於很難將計算值調節至完全等於512.5，所以此處設置一個容忍範圍，當計算值在512至513這個範圍內時，認為對應的位置達到此校準步驟的要求。
[0054]應用本實施例的方法，對雷射三角測量系統進行視覺校準，然後將校準好的系統測量汽車外星輪花鍵的大徑、小徑、壓力角、分度圓半徑等參數，發現系統的測量準確度好，重複精度高，適用於高精度的非接觸式三維測量。
[0055]以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術領域】中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種用於雷射三角測量系統的校準裝置，其特徵是:包括轉臺、頂針和校準圓柱體；所述校準圓柱體固定放置在所述轉臺上方，所述頂針壓緊所述校準圓柱體的上表面。
2.如權利要求1所述的校準裝置，其特徵是:所述轉臺由伺服電機帶動旋轉。
3.如權利要求1所述的校準裝置，其特徵是:所述校準圓柱體由金屬材料製成。
4.如權利要求1所述的校準裝置，其特徵是:所述校準圓柱體的上表面設有一個供所述頂針壓入的孔。
5.如權利要求1所述的校準裝置，其特徵是:所述校準圓柱體還包含一個基準面和一條狹縫。
6.如權利要求5所述的校準裝置，其特徵是:所述基準面是在所述校準圓柱體側面自上而下切去一塊，形成的一個平行於所述校準圓柱體中心線的截面。
7.如權利要求5所述的校準裝置，其特徵是:所述基準面的上部和下部都粘貼有棋盤格標定板，所述棋盤格標定板格子的豎直邊緣平行於所述校準圓柱體的中心線。
8.如權利要求5所述的校準裝置，其特徵是:所述狹縫是在所述基準面的不粘貼所述棋盤格標定板的部分沿垂直於所述基準面的方向切開一個貫通所述校準圓柱體的縫隙。
9.一種用於雷射三角測量系統的校準方法，其特徵是，包括以下步驟: (1)在校準圓柱體背向攝像頭的一側放置一個平板光源，旋轉轉臺，直至攝像頭拍攝圖像的平均亮度達到最大； (2)旋轉攝像頭，直至攝像頭拍`攝圖像的光條垂直於圖像的上下邊緣； (3)移動攝像頭，直至攝像頭拍攝圖像的光條位於圖像中間位置； (4)撤去背光平板光源，調整攝像頭曝光時間，直至攝像頭拍攝到的圖像中，上半部分棋盤格和下半部分棋盤格的格子豎直方向邊長的平均值一樣； (5)打開雷射器，調整攝像頭曝光時間，直至攝像頭拍攝到的圖像中，雷射光條處於水平位置； (6)移動雷射器，直至雷射光條處於圖像中間位置。
10.如權利要求9所述的校準方法，其特徵是，包括以下具體步驟: (1)將校準圓柱體固定在轉臺上，基準面朝向攝像頭，在校準圓柱體背向攝像頭的一側放置一個平板光源；調整攝像頭曝光時間，使其拍攝的圖像中有一條較亮的縱向光條，其餘部分較暗；旋轉轉臺並實時拍攝、計算圖像；當攝像頭拍攝圖像中的光條平均亮度達到最大時，停止旋轉轉臺； (2)在與攝像頭光軸垂直的平面內旋轉攝像頭並實時拍攝、計算圖像；當攝像頭拍攝圖像中的光條垂直於圖像的上下邊緣時，停止旋轉攝像頭； (3)在與攝像頭光軸垂直的平面內左右移動攝像頭並實時拍攝、計算圖像；當攝像頭拍攝圖像中的光條位於圖像中間位置時，停止移動攝像頭； (4)撤去背光平板光源，調整攝像頭曝光時間，使其拍攝的圖像中棋盤格有明顯的對比度；在與成像面垂直的平面內旋轉攝像頭並實時拍攝、計算圖像；當攝像頭拍攝到的圖像中，上半部分棋盤格和下半部分棋盤格格子豎直方向邊長的平均值一樣時，停止旋轉攝像頭; (5)打開雷射器，調整攝像頭曝光時間，使其拍攝的圖像中有一條較亮的雷射光條，其餘部分較暗；在與雷射器光軸垂直的平面內旋轉雷射器，並實時拍攝、計算圖像；當攝像頭拍攝到的圖像中，雷射光條處於水平位置時，停止旋轉雷射器； (6)在豎直方向移動雷射器並實時拍攝、計算圖像，當攝像頭拍攝到的圖像中；雷射光條處於圖像中間位置時，停止移動雷射器。
【文檔編號】G01B11/00GK103604367SQ201310567087
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月14日 優先權日:2013年11月14日
【發明者】蔡豔, 孫大為, 朱俊傑, 吳毅雄, 葉連祥, 田華, 胡志雲 申請人:上海交通大學, 上海納鐵福傳動軸有限公司