一种基于视觉原理的大型结构件装配对接测量方法技术

本发明专利技术属于机械装配制造技术领域，具体涉及一种基于视觉原理的大型结构件装配对接测量方法，目的是解决现有大型结构件装配对接测量或成本高、或误差大的问题。该方法采用布置测量相机并进行标定、在被测结构件上安装光学控制点、测量光学控制点的三维坐标、建立装配坐标系和实时解算装配结构件间的姿态偏差设步骤。该方法采用双相机立体视觉原理，解决了大型结构件装配对接过程中的六自由度姿态偏差在线测量问题，该方法测量设备简单，成本低，且能够检测大型结构件的弹性变形。实验结果显示，当装配测量空间为5m×5m×5m，采用的特征光点达到5个时，该姿态测量方法的均方根误差保持在0.05°以内，而刷新速度达到200帧/秒，且数据准确可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械装配制造
，具体涉及一种基于视觉原理的大型结构件装配对接测量方法。
技术介绍
在飞机、船舶等大型加工制造领域，大型机械结构的精确装配一直是生产过程中的技术难题。如飞机机翼与机身的装配中，由于结构尺寸大，对接面范围大，通过人眼观察无法判断机翼姿态是否调整至与机身对齐，装配过程极易造成机身的损坏，且效率低下。故需要对装配过程中两体相对姿态进行测量，确保装配过程的快速准确。目前国外大型结构件装配对接中的测量技术，主要有激光跟踪仪测量方法和IndoorGPS测量方法。跟踪仪测量方法(以Leica公司的激光跟踪仪为例)是利用激光跟踪仪配合其附件T-MAC的测量方案，激光跟踪仪可以测量T-MAC的三维姿态。将两台T-MAC分别固定在待装配的两个结构件上，每台跟踪仪实时跟踪一个T-MAC，预先校准两台跟踪仪坐标系间的空间关系，将固定件和活动件的三维姿态统一到一个世界坐标系下，并由两结构件的姿态数据指导装配对接的运动执行机构，完成装配过程。但该方法只能测量T-MAC安装位置附近的姿态，面对大型结构件时，由于结构件的弹性变形，该方法会带来较大的测量误差。IndoorGPS测量系统主要由发射器和接收器组成。在测量空间内设置不少于4个发射器，在固定件和活动件上分别设置不少于4个接收器，预先校准各接收器与被测部段坐标系间的空间关系。系统实时测量接收器的三维坐标，将接收器作为控制点，解算被测装配结构件间的相对三维姿态关系。但国内目前还没有成熟的IndoorGPS产品，设备依靠进口，成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有大型结构件装配对接测量或成本高、或误差大的问题，提供一种基于视觉原理的大型结构件装配对接测量方法。本专利技术是这样实现的：一种基于视觉原理的大型结构件装配对接测量方法，包括如下步骤：第一步：布置测量相机并进行标定；第二步：在被测结构件上安装光学控制点；第三步：测量光学控制点的三维坐标；第四步：建立装配坐标系；第五步：实时解算装配结构件间的姿态偏差。如上所述的布置测量相机并进行标定步骤，将待装配的两个结构件放置在装配车间内调整架车上，定义其中一个结构件为固定件，在装配过程中位置姿态均不发生变化，另一个结构件为活动件，通过调整活动件的位置和姿态，使其对准固定件完成装配；布置两台测量相机，要求两相机交会布置，交会角度约60°左右，并使交会视场覆盖两结构件装配空间；固定相机后对相机的内部参数和外部参数进行标定，使之构成双相机测量系统。如上所述的在被测结构件上安装光学控制点步骤，在被测的两个待装配结构件上分别固定若干个光学控制点，便于视觉测量系统进行特征识别和提取；上述光学控制点分散布置，覆盖结构件外形。如上所述的测量光学控制点的三维坐标步骤，相机标定后构成双相机立体视觉测量系统，得到相机的畸变参数和两相机间的位置参数。如上所述的测量光学控制点的三维坐标步骤，双相机同时对结构件进行拍摄，对左右相机进行图像处理和特征提取，得到光学特征点的图像坐标，即(xL,yL)和(xL,yL)，根据如下公式解算所有光学控制点在相机坐标系下的空间三维坐标(X,Y,Z)；X=ZxL/fLY=ZyL/fLZ=fL(fRtx-xLtz)xR(r7xL+r8yL+r9fL)-fR(r1xL+r2yL+r3fL)=fL(fRty-yLtz)yR(r7xL+r8yL+r9fL)-fR(r4xL+r5yL+r6fL)---(1)]]>式中：左相机坐标系OL-XLYLZL为世界坐标系，右相机坐标系OR-XRYRZR相对于世界坐标系的空间关系用旋转矩阵R和平移矩阵T表示，(xL,yL)和(xL,yL)分别为左、右图像的像点坐标；fL、fR分别表示左、右相机的有效焦距；fL、fR分别表示左、右相机的有效焦距；矩阵R相机和T相机为：如上所述的建立装配坐标系步骤，由第二步获取m个固定件特征点和n个活动件特征点装配完成后在设计模型上的三维坐标；由第三步测量得到该m+n个点在相机坐标系下的三维坐标；由m个固定件特征点分别在两坐标系下的坐标，利用坐标转换原理，解算求得装配坐标系与相机坐标系间的转换关系，设转换矩阵为R坐标；利用转换矩阵R坐标将n个活动件特征点在相机坐标系下的三维坐标转换到装配坐标系下，则此时所有特征点的三维坐标均统一到装配坐标系下。如上所述的实时解算装配结构件间的姿态偏差步骤，装配过程中，通过双相机视觉测量系统对结构件上的特征点进行实时测量，将每一时刻测得的运动件特征点在装配坐标系下的坐标作为Pi、运动件特征点在装配设计模型下的坐标作为Pi’，使用如下公式计算旋转矩阵R和平移矩阵T：P′i＝R·Pi+T(2)利用旋转矩阵及平移矩阵，实现姿态解算，输出六自由度装配偏差α，β，γ，Xt。如上所述的实时解算装配结构件间的姿态偏差步骤，R=cosβcosγ-cosαsinγ+sinαsinβcosγsinαsinγ+cosαsinβcosγcosβsinγcosαcosγ+sinαsinβsinγ-sinαcosγ+cosαsinβsinγ-sinβsinαcosβcosαcosβ;]]>其中α，β，γ分别为绕x，y，z轴的旋转角；T=XtYtZt;]]>其中Xt，Yt，Zt分别为沿x，y，z轴的平移量。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用布置测量相机并进行标定、在被测结构件上安装光学控制点、测量光学控制点的三维坐标、建立装配坐标系和实时解算装配结构件间的姿态偏差设步骤，采用双相机立体视觉原理，解决了大型结构件装配对接过程中的六自由度姿态偏差在线测量问题，该方法测量设备简单，成本低，且能够检测大型结构件的弹性变形。实验结果显示，当装配测量空间为5m×5m×5m，采用的特征光点达到5个时，该姿态测量方法的均方根误差保持在0.05°以内，而刷新速度达到200帧/秒，且数据准确可靠。附图说明图1是本专利技术的一种基于视觉原理的大型结构件装配对接测量方法的流程图；图2是图1中布置测量相机并进行标定的示意图；图中，1-装配坐标系；2-固定结构件；3-光学特征点；4-活动结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视觉原理的大型结构件装配对接测量方法，包括如下步骤：第一步：布置测量相机并进行标定；第二步：在被测结构件上安装光学控制点；第三步：测量光学控制点的三维坐标；第四步：建立装配坐标系；第五步：实时解算装配结构件间的姿态偏差。

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉原理的大型结构件装配对接测量方法，包括如下步骤：
第一步：布置测量相机并进行标定；
第二步：在被测结构件上安装光学控制点；
第三步：测量光学控制点的三维坐标；
第四步：建立装配坐标系；
第五步：实时解算装配结构件间的姿态偏差。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉原理的大型结构件装配对接测量方
法，其特征在于：所述的布置测量相机并进行标定步骤，将待装配的两个结构
件放置在装配车间内调整架车上，定义其中一个结构件为固定件，在装配过程
中位置姿态均不发生变化，另一个结构件为活动件，通过调整活动件的位置和
姿态，使其对准固定件完成装配；布置两台测量相机，要求两相机交会布置，
交会角度约60°左右，并使交会视场覆盖两结构件装配空间；固定相机后对相
机的内部参数和外部参数进行标定，使之构成双相机测量系统。
3.根据权利要求2所述的一种基于视觉原理的大型结构件装配对接测量方
法，其特征在于：所述的在被测结构件上安装光学控制点步骤，在被测的两个
待装配结构件上分别固定若干个光学控制点，便于视觉测量系统进行特征识别
和提取；上述光学控制点分散布置，覆盖结构件外形。
4.根据权利要求1所述的一种基于视觉原理的大型结构件装配对接测量方
法，其特征在于：所述的测量光学控制点的三维坐标步骤，相机标定后构成双
相机立体视觉测量系统，得到相机的畸变参数和两相机间的位置参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于视觉原理的大型结构件装配对接测量方
法，其特征在于：所述的测量光学控制点的三维坐标步骤，双相机同时对结构
件进行拍摄，对左右相机进行图像处理和特征提取，得到光学特征点的图像坐

\t标，即(xL,yL)和(xL,yL)，根据如下公式解算所有光学控制点在相机坐标系下的
空间三维坐标(X,Y,Z)；
X=ZxL/fLY=ZyL/fLZ=fL(fRtx-xLtz)xR(r7xL+r8yL+r9fL)-fR(r1xL+r2yL+r3fL)=fL(fRty-yLtz)yR(r7xL+r8yL+r9fL)-fR(r4xL+r5yL+r6yL)---(1)]]>式中：左相机坐标系OL-XLYLZL为世界坐标系，右相机坐标系OR-XRYRZR相
对于世界坐标系的空间关系用旋转矩阵R和平移矩阵T表示，(xL,yL)和(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙增玉，刘柯，宋金城，郭磊，高越，董利军，王强，曹玉梅，
申请(专利权)人：北京航天计量测试技术研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11