一种六自由度测量系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种六自由度测量系统和方法，系统包括相机、楔形棱镜和靶标，靶标包括安装座、主杆、固定座、滑套、多根摆动杆和驱动件，主杆的一端连接固定座，另一端设置主标记点，滑套嵌套在主杆上，固定座固定安装在主杆上并且位于滑套和固定座之间，多根摆动杆分布在主杆四周，每根摆动杆的一端铰接固定座，另一端设置辅助标记点，摆动杆的中央通过驱动件连接滑套，当滑套沿着主杆滑动时，通过驱动件带动摆动杆绕固定座摆动，进行所有辅助标记点的收缩或展开，确保所有标记点位于重叠视场内。与现有技术相比，本发明专利技术具有提升测量系统的测量精度、适应性和稳定性等优点。适应性和稳定性等优点。适应性和稳定性等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种六自由度测量系统和方法


[0001]本专利技术涉及空间几何测量领域，尤其是涉及一种六自由度测量系统和方法。

技术介绍

[0002]随着智能制造的发展，制造装备的运动工况信息提取是智能制造的关键反馈环节。测试系统作为信息提取的关键感知者，直接决定着制造系统的工作精度。目前用于工业现场六自由度测量装置通常操作难度较大、整机组成复杂、占用空间大、不易携带，且市场售价较高，难以在工业生产中广泛应用。
[0003]中国专利技术申请CN107246866A公开了一种高精度六自由度测量系统及方法，采用两个倾角传感器和视觉成像系统测量被测目标位姿，两个倾角传感器需与特征点靶标(3)固装在被测目标上，测量装置一定程度上，对待测目标的作业造成影响，且系统安装复杂，成本高。
[0004]中国专利技术申请CN102636139A提出了一种空间六自由度动态测量装置和方法，该装置采用多个拉线式位移传感器组合测量待测目标的六自由度，但该测量装置采用接触式测量，适用测量场合有限。
[0005]在先技术(G.Schweighofer and A.Pinz,“Globally optimal o(n)solution to the pnp problem for general camera models.”in BMVC,2008,pp.1
‑
10；Zheng Y,Sugimoto S,Okutomi M.ASPnP:An Accurate and Scalable Solution to the Perspective
‑
n
‑
Point Problem[J].Ice Transactions on Information&Systems,2013,E96.D(7):1525
‑
1535.)提出一种六自由度视觉测量方法，可实现对待测目标的非接触测量，但易受光照、振动、冲击等噪声影响，无法满足复杂多变的工业现场测量需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种六自由度测量系统及方法。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]一种六自由度测量系统，包括相机、楔形棱镜和靶标，所述靶标包括安装座、主杆、固定座、滑套、多根摆动杆和驱动件，所述主杆的一端连接固定座，另一端设置主标记点，所述滑套嵌套在主杆上，所述固定座固定安装在主杆上并且位于滑套和固定座之间，所述多根摆动杆分布在主杆四周，每根摆动杆的一端铰接固定座，另一端设置辅助标记点，所述摆动杆的中央通过驱动件连接滑套，当滑套沿着主杆滑动时，通过驱动件带动摆动杆绕固定座摆动，进行所有辅助标记点的收缩或展开；
[0009]所述相机的视轴与楔形棱镜的平面光轴同轴布置，随着楔形棱镜绕着平面光轴旋转，相机和楔形棱镜产生多个视场，所有视场的重叠处合形成重叠视场，所述靶标的固定设置在被测目标上，通过辅助标记点的收缩或展开，确保所有辅助标记点和主标记点位于重叠视场内。
[0010]进一步地，所述驱动件为拉杆，拉杆的两端分别铰接滑套和摆动杆。
[0011]进一步地，所述驱动件为拉杆，所述摆动杆上设有滑轨，所述拉杆的一端固定连接摆动杆，另一端连接滑轨和摆动杆形成滑动连接。
[0012]进一步地，所述安装座上设有吸盘。
[0013]进一步地，所述滑套上设有锁紧螺钉，用于固定滑套和主杆的相对位置。
[0014]一种如上所述的六自由度测量系统的测量方法，包括以下步骤：
[0015]S1、将靶标安装在被测目标上，使所有的标志点处于重叠视场范围内；
[0016]S2、构建相机坐标系O
m
‑
X
m
Y
m
Z
m
、虚拟相机坐标系O
v
‑
X
v
Y
v
Z
v
、棱镜坐标系O
p
‑
X
p
Y
p
Z
p
和被测目标坐标系O
s
‑
X
s
Y
s
Z
s
；同时，标定相机内参数，设置虚拟相机数量阈值N；
[0017]S3、将楔形棱镜旋转角度设置到初始位置，相机捕获标志点的像点，采用位姿解算算法估计被测目标相对第一个虚拟相机的旋转矩阵然后旋转楔形棱镜改变总体视轴，再次捕获标志点像点，采用位姿解算算法估计被测目标相对第二个虚拟相机的旋转矩阵重复上述步骤直至楔形棱镜旋转到第N次，采用位姿解算算法估计被测目标相对第N个虚拟相机的旋转矩阵
[0018]S4、计算相机相对每个虚拟相机的旋转矩阵即可得到被测目标相对相机坐标系旋转矩阵R，
[0019]S5、根据N个虚拟相机多次估计旋转矩阵，即为估计被测目标相对相机坐标系旋转矩阵R的平均值，其计算表达式为：
[0020][0021]得到的最优解R＝UDV
T
，其中U和V满足M＝UΣV
T
，Σ为单位矩阵，M被定义为D＝dig)；
[0022]S6、估计针对每个标志点最小化物方残差，即为被测目标相对相机坐标系的平移矩阵T。
[0023]进一步地，所述步骤S6中，楔形棱镜旋转到第i个位置时即在第i个视角下，对其下一个旋转位置的标志点，即第j个标志点的物方残差表示为：
[0024]e
ij
＝(I
‑
M
ij
)(Rp
j
+T
‑
K
ij
)
[0025]式中，I为单位矩阵，M
ij
＝m
ij
(m
ij
)
T
/(m
ij
)
T
m
ij
为误差投影矩阵，m
ij
为棱镜旋转到第i个位置时，第j个标志点的虚拟归一化坐标，K
ij
为棱镜旋转到第i个位置时，第j个标志点的投影矢量光线在棱镜出射面的出射点坐标，p
j
为被测目标坐标系下，第j个标志点坐标，R为被测目标相对相机坐标系旋转矩阵，T为平移矩阵；
[0026]采用最小二乘法解算使物方残差e
ij
最小的平移矩阵T，即为被测目标相对相机坐标系的平移矩阵T。
[0027]进一步地，所述步骤S2中，采用张正友标定法标定相机内参数。
[0028]进一步地，所述步骤S3中，位姿解算算法采用正交迭代位姿估计算法、高效透视n点位姿估计算法、鲁棒透视n点位姿估计算法、直接最小二乘位姿估计算法、最优透视n点位
姿估计算法或半正定规划透视n点位姿估计算法中的任一种。
[0029]进一步地，所述步骤S4具体包括：
[0030]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种六自由度测量系统，其特征在于，包括相机(1)、楔形棱镜(2)和靶标(3)，所述靶标(3)包括安装座(35)、主杆(34)、固定座(36)、滑套(32)、多根摆动杆(37)和驱动件(38)，所述主杆(34)的一端连接固定座(36)，另一端设置主标记点(31)，所述滑套(32)嵌套在主杆(34)上，所述固定座(36)固定安装在主杆(34)上并且位于滑套(32)和固定座(36)之间，所述多根摆动杆(37)分布在主杆(34)四周，每根摆动杆(37)的一端铰接固定座(36)，另一端设置辅助标记点(39)，所述摆动杆(37)的中央通过驱动件(38)连接滑套(32)，当滑套(32)沿着主杆(34)滑动时，通过驱动件(38)带动摆动杆(37)绕固定座(36)摆动，进行所有辅助标记点(39)的收缩或展开；所述相机(1)的视轴与楔形棱镜(2)的平面光轴同轴布置，随着楔形棱镜(2)绕着平面光轴旋转，相机(1)和楔形棱镜(2)产生多个视场，所有视场的重叠处合形成重叠视场，所述靶标(3)的固定设置在被测目标上，通过辅助标记点(39)的收缩或展开，确保所有辅助标记点(39)和主标记点(31)位于重叠视场内。2.根据权利要求1所述的一种六自由度测量系统，其特征在于，所述驱动件(38)为拉杆，拉杆的两端分别铰接滑套(32)和摆动杆(37)。3.根据权利要求1所述的一种六自由度测量系统，其特征在于，所述驱动件(38)为拉杆，所述摆动杆(37)上设有滑轨，所述拉杆的一端固定连接摆动杆(37)，另一端连接滑轨和摆动杆(37)形成滑动连接。4.根据权利要求1所述的一种六自由度测量系统，其特征在于，所述安装座(35)上设有吸盘。5.根据权利要求1所述的一种六自由度测量系统，其特征在于，所述滑套(32)上设有锁紧螺钉(33)，用于固定滑套(32)和主杆(34)的相对位置。6.一种如权利要求1所述的六自由度测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将靶标(3)安装在被测目标上，使所有的标志点处于重叠视场范围内；S2、构建相机坐标系O
m
‑
X
m
Y
m
Z
m
、虚拟相机(4)坐标系O
v
‑
X
v
Y
v
Z
v
、棱镜坐标系O
p
‑
X
p
Y
p
Z
p
和被测目标坐标系O
s
‑
X
s
Y
s
Z
s
；同时，标定相机(1)内参数，设置虚拟相机(4)数量阈值N；S3、将楔形棱镜(2)旋转角度设置到初始位置，相机(1)捕获标志点的像点，采用位姿解算算法估计被测目标相对第一个虚拟相机(4)的旋转矩阵然后旋转楔形棱镜(2)改变总体视轴，再次捕获标志点像点，采用位姿解算算法估计被测目标相对第二个虚拟相机...

【专利技术属性】
技术研发人员：李安虎，邓兆军，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：