[发明专利]一种激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准方法

说明书

技术领域

本发明涉及视觉测量技术，尤其涉及一种激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准方法。

背景技术

在大尺寸、超大尺寸部件的数字化柔性装配，如大型民用飞机的机身与机翼的对接中，一般采用一台或多台激光跟踪仪跟踪测量待装配部件上测量基准点的三维坐标，从而实现大尺寸部件的装配与对接等任务。但是，采用一台激光跟踪仪跟踪测量待装配部件上测量基准点的三维坐标时，激光跟踪仪在测量过程中需要人工导引以进行位置变换，装配效率较低，且耗费人力成本；采用多台激光跟踪仪虽然不用在测量过程中变换激光跟踪仪的位置，但是多台激光跟踪仪价格昂贵。如果能通过视觉系统导引激光跟踪仪自动进行位置变换(本文中，称视觉系统与激光跟踪仪的组合为激光跟踪视觉导引测量系统)，从而实现大尺寸部件的自动装配与对接等任务，那么，将会提高装配效率、并节约装配成本。而要实现视觉系统对激光跟踪仪的导引，必须确定视觉系统坐标系与激光跟踪仪坐标系的空间转换关系，即对激光跟踪视觉导引测量系统进行全局校准。

目前，视觉系统中通常使用的全局校准方法主要有两种：通过精确测量空间中的标定点来实现全局校准(孙军华，张广军，魏振忠等.大型自由曲面移动式三维视觉测量系统[J].仪器仪表学报，2006，27(12)：1688-1691.)；以及由多台激光跟踪仪通过测量放置在固定的公共基座上的目标反射球球心坐标来实现全局校准，即多台激光跟踪仪的转站工作(Metrolog XG7 for Leica LaserTracker详细手册)。不难看出，上述全局校准方法均基于公共标定点。

然而，对激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准而言，虽然视觉系统可精确测量空间中的标定点，但激光跟踪仪的反射球无法精确触测到这些标定点，这使得二者没有共同的标定参考物，也就是说，采用上述全局校准方法不能实现激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准方法，能够确定视觉系统坐标系与激光跟踪仪坐标系的空间转换关系，从而实现大尺寸部件的自动装配与对接，提高装配效率、节约装配成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准方法，该方法包括：

确定视觉系统坐标系和激光跟踪仪坐标系；

放置平面靶标至少三次，获取每个放置位置下，所述平面靶标所在靶标平面分别在所述视觉系统坐标系和所述激光跟踪仪坐标系中的平面方程；

根据所获取平面方程的系数，计算视觉系统坐标系和激光跟踪仪坐标系的空间转换关系。

所述放置平面靶标为：将平面靶标放置于所述视觉系统与所述激光跟踪仪的公共测量区域。

所述获取平面靶标所在靶标平面在所述视觉系统坐标系中的平面方程为：

确定视觉系统的内部参数；

根据所述内部参数确定平面靶标相对于视觉系统坐标系的旋转矩阵和平移矢量；

根据所确定的旋转矩阵和平移矢量，获取靶标平面在视觉系统坐标系中的平面方程。

所述获取平面靶标所在靶标平面在所述激光跟踪仪坐标系中的平面方程为：

在激光跟踪仪的连续测量状态下，将目标反射球在靶标平面上滑动，根据记录的滑动过程中的球心坐标序列，采用特征值法拟合出反射球球心平面方程；

根据靶标平面的单位法向量与所述球心平面的单位法向量相同，确定靶标平面的单位法向量；

将所述球心平面沿法线反向平移一个球半径，求得激光跟踪仪坐标系坐标原点到靶标平面的距离；

获取靶标平面在激光跟踪仪坐标系中的平面方程。

所述计算视觉系统坐标系和激光跟踪仪坐标系的空间转换关系为：计算视觉系统坐标系和激光跟踪仪坐标系之间的旋转矩阵和平移矢量，其中，

计算旋转矩阵包括：

建立一目标函数，计算旋转矩阵的线性解；

引入旋转矩阵的正交约束，再建立另一目标函数，以所述线性解为初值，通过非线性优化方法求得旋转矩阵的最优解；

计算平移矢量包括：

建立目标函数；

通过最小二乘线性回归法求得平移矢量的最终解。