[发明专利]一种可现场快速标定的高精度笔头标定方法

说明书

本发明公开了一种可现场快速标定的高精度笔头标定方法，对各种尺寸的笔头共用一个标准锥，精简了设备，提高了便携性；本方法不直接使用笔头与标准锥切点的坐标为笔头坐标，而是将切点坐标进行椭圆拟合得到真正高精度的笔头坐标，在引入半径补偿的同时还得到全局最优解，提高了标定精度，并且需要的测量数据量较少，实现了外场标定的简易性与快速性。

技术领域

本发明属于计算机视觉接触式测量系统技术领域，尤其涉及测量笔的外场快速标定，具体为一种可现场快速标定的高精度笔头标定方法。

背景技术

随着现代制造行业的高速发展，对各种工件的测量提出了越来越高的要求，其中坐标测量在航空航天、船舶制造以及汽车等机械工业领域有着重要的作用。由于被测设备一般尺寸较大且不易移动，往往需要现场测量，对测量设备有较高要求。

传统的三坐标测量机测量精度高，但是其对工作环境要求极高，测量的灵活性不高，且造价昂贵、测量效率低。光笔式视觉测量系统弥补了传统三坐标测量机测量系统的不足，具有测量灵活、操作简单、工作效率高、携带方便、价格相对便宜及测量精度较高等优势，同时又能对工件的凹槽和空洞等隐藏点进行测量，是一种新兴的、高效的测量设备，因而被广泛应用于现在制造业中的精密测量。

笔头是光笔式视觉测量设备的关键部件之一，测量设备测量精度的高低很大一部分来源于笔头标定精度的高低，因此笔头标定算法非常重要。笔头的测头一般为球形测头，球形测头含有0.3mm～8mm的多种尺寸，现场测量需要根据需求随时更换笔头，所以现场快速高精度的笔头标定至关重要。

目前针对光笔式视觉测量系统国外有较成熟的产品，但是技术封锁，资料非常有限；国内各大高校如天津大学、南京航空航天大学、中国海洋大学、西安交通大学等对光笔式坐标测量系统也有一定的研究，其中针对笔头标定的研究较少，主要是天津大学张书桂教授课题组和南京航空航天大学的张丽艳教授团队。天津大学张教授团队的笔头自标定迭代的收敛条件是相邻两次最优解的差绝对值小于0.01，如果测试数据量小，容易导致局部最优解而非全局最优解；如果测试数据量大，则耗费时间，无法达到快速标定的效果。南京航空航天大学张教授团队的笔头标定过程和光笔上靶点标定同时进行，会导致靶点标定的误差代入笔头标定，导致误差较大，且需要多个锥孔去恢复尺度，设备复杂的同时还引入了锥孔的测量误差，自标定误差较大。以上两种笔头自标定时，要求笔头与锥孔完全正切，多个尺寸的笔头就需要多个锥孔，附件太多且要求太高，有点偏差就会导致大的误差；如果只备一个锥孔，导致不能完全匹配各个尺寸的笔头，产生较大误差。

发明内容

目前，现场快速高精度的笔头标定存在如下不足：

1、标定过程中产生局部最优解。笔头自标定迭代的收敛条件是相邻两次最优解的差绝对值小于0.01，测试数据量小，会产生局部最优解而非全局最优解，导致误差较大。

2、同时标定光笔靶点和笔头坐标。需要多个锥孔去恢复尺度，设备复杂的同时还引入了锥孔的测量误差；同时标定光笔靶点和笔头坐标导致靶点标定的误差代入笔头标定，导致误差较大。

3、对锥孔要求极高。标定时要求笔头与锥孔完全正切，多个尺寸的笔头就需要多个锥孔，附件太多且要求较高，有点偏差就会导致大的误差；如果只备一个锥孔，导致不能完全匹配各个尺寸的笔头，产生较大误差。

4、针对直径较大的笔头，使用相切点作为笔头坐标误差较大。

基于现有技术存在的上述缺点，本发明目的是提出一种适用于外场的高精度快速笔头标定方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种可现场快速标定的高精度笔头标定方法，包括如下步骤：

步骤(1)、准备产品：包括标定好的光笔、标定好内参的CCD相机、计算机视觉软件以及一个标准锥孔，同时固定相机和标准锥孔，使相机与锥孔距离4～5m。