[发明专利]筒形件装配转角的分布式单目相机激光测量装置及方法

权利要求书

1.一种筒形件装配转角的分布式单目相机激光测量装置，其特征在于，包括实现对轴线共线、直径相等且装配面相对的第一待装配筒形件A和第二待装配筒形件B装配时相对转角测量的激光器(1)、激光器支架(2)和计算机(3)、以及与计算机(3)连接的第一单目工业相机(4)和第二单目工业相机(5)，其中：

所述激光器支架(2)，包括固定连接的激光器支架座(21)和激光器支架体(22)；所述激光器支架座(21)安装在第二待装配筒形件B靠近装配面一端的外壁上，且可沿第二待装配筒形件 B的装配面圆周边缘滑动；所述激光器支架体(22)面向第一待装配筒形件A的侧面上粘贴有三个呈三角形分布的鞍点(23)，该三个鞍点(23)的中心位置设置有安装激光器(1)的安装孔(24)；

所述第一单目工业相机(4)和第二单目工业相机(5)相对排布，所述第一单目工业相机(4)，用于对视场范围内激光器支架体(22)侧面上粘贴的三个鞍点(23)以及第二待装配筒形件B的装配面拍照，所述第二单目工业相机(5)，用于对视场范围内第一待装配筒形件A的装配面拍照。

2.根据权利要求1所述一种筒形件装配转角的分布式单目相机激光测量装置，其特征在于，所述激光器(1)，其投射的激光线与安装孔(24)的轴线重合。

3.根据权利要求1所述一种筒形件装配转角的分布式单目相机激光测量装置，其特征在于，所述激光器支架座(21)，其下底面设置有与第二待装配筒形件B的曲率半径相同的凹陷圆柱形曲面。

4.根据权利要求1所述一种筒形件装配转角的分布式单目相机激光测量装置，其特征在于，所述激光器支架体(22)，其面向第一待装配筒形件A的侧面上粘贴的三个鞍点(23)呈等边三角形分布。

5.根据权利要求1所述一种筒形件装配转角的分布式单目相机激光测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立测量坐标系：

(1a)建立三维世界坐标系O-XYZ，装配面上带有销的第一待装配筒形件A与装配面上带有孔的第二待装配筒形件B的轴线与坐标系O-XYZ的X轴重合，第一单目工业相机和第二单目工业相机相对布置于O-XYZ坐标系的ZOX面内，且第一单目工业相机到第二待装配筒形件B装配面的距离与第二单目工业相机到第一待装配筒形件A装配面的距离相等，第一单目工业相机的视场范围涵盖激光器支架滑动范围内激光器支架座另一个侧面上粘贴的三个鞍点，第二单目工业相机的视场范围与第一单目工业相机的视场范围相等；

(1b)建立坐标原点O_B位于第二待装配筒形件B的装配面且包含在第一单目工业相机的视场范围内的第一单目工业相机的坐标系O_B-Y_BZ_B，该坐标系O_B-Y_BZ_B的Y_BO_BZ_B面与O-XYZ坐标系的YOZ平面平行；

(1c)建立坐标原点O_A位于第一待装配筒形件A的装配面且包含在第二单目工业相机的视场范围内的第二单目工业相机的坐标系O_A-Y_AZ_A，该坐标系O_A-Y_AZ_A的Y_AO_AZ_A面与O-XYZ坐标系的YOZ平面平行；

(2)两部单目工业相机采集标定图像：

第一单目工业相机通过标准标定板采集第二待装配筒形件B装配面不同位置的N₁幅标定图像，N₁≥40，同时，第二单目工业相机通过标准标定板采集第一待装配筒形件A装配面不同位置的N₂幅标定图像，N₂≥40；

(3)计算机对两部单目工业相机进行标定：

计算机通过N₁幅标定图像对第一单目工业相机进行标定，得到第一单目工业相机的坐标系O_B-Y_BZ_B的原点O_B的坐标值、Y_B轴的方向和Z_B轴的方向，同时通过N₂幅标定图像对第二单目工业相机进行标定，得到第二单目工业相机的坐标系O_A-Y_AZ_A的原点O_A的坐标值、Y_A轴的方向和Z_A轴的方向；

(4)设置测量参数：

设置激光器支架沿第二待装配筒形件B装配面的圆周边缘滑动的起点O_begin以及终点O_end与第二待装配筒形件B装配面的中心O_c的连线所成的角度为δ_total，δ_total∈[20°,30°]，每次滑动的角度为δ₀，δ₀∈[0.5°,1°]；激光器的投射中心在第二待装配筒形件B装配面上的投影点与B的装配面中心O_c的连线和连线O_cO_begin的夹角为旋转角δ；

(5)计算机提取待装配筒形件A和B装配面的特征点：

(5a)计算机利用第一单目工业相机采集δ＝0°时包含有激光器支架体一个侧面上的三个鞍点的图像，并将其转换为灰度图像；

(5b)计算机对步骤(5a)获取的灰度图像进行中值滤波，再对中值滤波后的灰度图像进行鞍点亚像素提取，得到三个鞍点在O_B-Y_BZ_B中的图像坐标；

(5c)计算机利用步骤(5b)获取的三个鞍点在O_B-Y_BZ_B中的图像坐标，计算三个鞍点构成的三角形的三条中线的交点^BP_Bi(y_Bi,z_Bi)，其中并将其作为第二待装配筒形件B装配面的特征点；

(5d)计算机利用第二单目工业相机采集一幅包含有第一待装配筒形件A装配面上激光投射图案的图像，并将其转换为灰度图像；

(5e)计算机对步骤(5d)获取的灰度图像进行中值滤波，再对中值滤波后的灰度图像进行阈值分割，对阈值分割后的灰度图像的二值化区域进行形状特征筛选，得到激光图案区域；

(5f)计算机提取激光图案区域骨骼的中心点^AP_Ai(y_Ai,z_Ai)，其中并将其作为第一待装配筒形件A的装配面特征点；

(6)计算机提取待装配筒形件A和B装配面的全部特征点：

计算机判断δδ_total是否成立，若是，令δ＝δ+δ₀，并执行步骤(5)，否则，得到第一待装配筒形件A装配面的全部特征点^AP_An(y_An,z_An)和第二待装配筒形件B装配面的全部特征点^BP_Bn(y_Bn,z_Bn)，其中并执行步骤(7)；

(7)计算机获取最优位姿转换矩阵

(7a)计算机对^AP_An(y_An,z_An)进行曲线拟合，得到坐标系O_A-Y_AZ_A内的拟合曲线F_A，同时对^BP_Bn(y_Bn,z_Bn)进行曲线拟合，得到坐标系O_B-Y_BZ_B内的拟合曲线F_B，并建立F_A和F_B之间的位姿转换矩阵

其中，t_y和t_z分别为O_A-Y_AZ_A与O_B-Y_BZ_B两坐标系之间Y方向和Z方向的缩放系数，θ为O_A-Y_AZ_A与O_B-Y_BZ_B的相对旋转角度，p_y和p_z分别为O_A-Y_AZ_A与O_B-Y_BZ_B之间的相对平移量；

(7b)计算机通过位姿转换矩阵构造目标函数并将取得最小值时对应的位姿转换矩阵作为最优位姿转换矩阵其中的表达式为：

其中w_n为目标函数中每一项的权值；

(8)计算机获取待装配筒形件A装配面上的销和B装配面上的孔的图像坐标：

(8a)计算机利用第二单目工业相机采集一幅包含第一待装配筒形件A装配面上的销的图像，并转换为灰度图像，同时利用第一单目工业相机采集一幅包含第二待装配筒形件B装配面上的孔的图像，并转换为灰度图像；

(8b)计算机对步骤(8a)获取的两幅灰度图像分别进行阈值分割，再分别对阈值分割后的两幅灰度图像中的二值化区域进行形状特征筛选，得到销区域和孔区域，然后提取销区域的亚像素轮廓，得到销的亚像素轮廓，同时提取孔区域的亚像素轮廓，得到孔的亚像素轮廓；

(8c)计算机对销的亚像素轮廓和孔的亚像素轮廓分别进行椭圆拟合，得到销特征和孔特征，并提取销特征中心点在坐标系O_A-Y_AZ_A中的坐标值^AP_p(y_A,z_A)，并将其作为销的图像坐标，同时提取孔特征中心点在坐标系O_B-Y_BZ_B中的坐标值^BP_h(y_B,z_B)，并将其作为孔的图像坐标；

(9)计算机计算两待装配筒形件A和B之间的装配转角α：

(9a)计算机通过最优位姿转换矩阵将步骤(8c )获取的销的图像坐标^AP_p(y_A,z_A)变换到坐标系O_B-Y_BZ_B中，得到销在O_B-Y_BZ_B中的坐标^BP_P(y_p,z_p)，变换公式为：

(9b)计算机通过步骤(8c)获取的孔的图像坐标^BP_h(y_B,z_B)的和步骤(9a)获取的销在O_B-Y_BZ_B中的坐标^BP_P(y_p,z_p)，计算两待装配筒形件A和B之间的装配转角α:

其中y_B与z_B分别是孔的图像坐标^BP_h(y_B,z_B)在Y_B轴和Z_B轴的坐标值，y_p与z_p是销在O_B-Y_BZ_B中的坐标^BP_P(y_p,z_p)在Y_B轴和Z_B轴的坐标值，R是第二待装配筒形件B装配面上的孔的圆心到B的装配面中心O_c的距离。