[发明专利]一种高精度空间管路测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种高精度空间管路测量系统及方法，该测量系统由双目视觉传感器，背景面光源，计算机组成。双目视觉传感器用于拍摄管路图像；背景光源在拍摄时用于增强图像对比度，使图像中管路信息更加明确，避免环境干扰。通过提取管路图像子像素级轮廓，匹配轮廓点对，构建管路空间轴线透视投影模型，可以得到轴线在相机像平面上精确成像位置，利用双目立体视觉技术重构管路轴线，实现高精度管路测量。本发明提供管路测量方法与系统具有精度高、速度快、鲁棒性强、自动化程度高等特点。

技术领域

本发明涉及一种高精度空间管路测量系统及方法，属于机器视觉领域，特别涉及空间管路形貌测量领域。

背景技术

管路系统是航空航天领域以及各类工业机电产品的重要组成部分，通常由较为复杂的管路组成。这些管路均由直管经管路机加工制成。尽管每个管路在加工前均有相应CAD模型，但是由于回弹效应和加工中各种扰动，准确控制管路加工质量仍然是一个巨大的挑战。为了确保成功进行无应力装配，需要对加工后的管路重新测量并与其CAD模型进行比对确定是否满足装配需要，因而快速高精度的三维管路测量至关重要。

管路测量方法多种多样，早期测量方式主要为以机械测量仪和三坐标机(CMM)为代表的接触式测量。机械测量仪需要根据已知的管路CAD模型制造模具，测量成本高昂且通用性差。CMM精度很高但是测量过程繁琐，而且探针和夹具与管路的刚性接触会引起管路外形的部分形变。

近年来利用立体视觉技术测量管路空间形貌得到了广泛运用及研究。这类方法主要分为管路表面三维形貌测量及管路轴线测量两种方法。基于表面三维形貌测量的方法往往需要多角度扫描待测管路然后重建表面形貌并进行三维拼接，在获取到管路表面形貌后拟合管路轴线，实现管路测量。这种方法得到的管路轴线测量准确无偏差，但是操作过程繁琐，测量效率很低。

直接测量管路轴线的方法首先利用多目立体视觉系统对待测工件拍摄图像，然后对拍摄到的图像提取图像轮廓中心线作为管路轴线投影参与后续重构过程，得到管路轴线重构结果。这种方法测量简便，只需控制相机拍摄一次即可得到重构结果，测量时间在0.2s以内，自动化程度非常高。然而这种方法由于将管路图像轮廓中心线作为空间轴线在图像平面的投影，这是一种近似模型，因而存在较大误差，特别是针对直径较大的管路。实际上轮廓中心线是摄像机视场范围与管路截面相切所成弦上中点的投影轨迹，而非截面圆圆心投影。

专利102410811B提供了多目立体视觉技术测量管路轴线的方法，该方法将管路图像划分为若干段直管和弯管，然后对多个相机获得的管路图像同时提取管路图像边缘线和图像边缘的中心线，利用图像边缘的中心线重构管路轴线，这种方法存在管路轴线投影位置计算不当的问题，当管路直径较大时，重构误差也比较大；专利CN104315978A提供了管路端面测量方法，该方法是针对于管路端面具体位置的测量方法，是对专利102410811B的进一步补充，虽然可以通过提高端面测量精度的方式提高一部分管路重构精度，但仍没有解决轴线投影位置计算不当的问题，因而本发明针对上述发明中一直未解决的问题，提出了空间弯管透视投影模型，可以准确计算管路轴线在像平面上的投影位置，提高现有立体视觉技术测量管路轴线的精度。

综上所述，基于管路表面测量的方法具有高测量精度但是测量过程复杂，基于管路空间轴线测量的方法自动化程度高测量简便但是存在较大误差，因而现阶段还没有同时满足测量过程简便且精度很高的管路测量方法，其主要难点在于准确的构建管路轴线透视投影模型，精确计算轴线在像平面中的投影位置。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，针对现有基于管路轴线测量的立体视觉测量技术中轴线投影位置近似计算存在偏差导致最终测量误差较大的问题，引入弯管透视投影模型准确计算轴线在像平面上的投影位置，并结合双目立体视觉技术操作简便、自动化程度高的优势，本发明提供一种高精度空间管路测量方法与系统，使其具有使用简便、测量精度高、速度快、鲁棒性强、非接触等特点。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：