大型裝備在線三維視覺測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，航空、航天、軍工及民用領(lǐng)域?qū)Υ笮脱b備在線三維測量提出了更高的要求。為了滿足這些要求，在過去的幾年中用于三維坐標(biāo)在線測量的技術(shù)和設(shè)備得到長足發(fā)展。視覺坐標(biāo)測量技術(shù)作為一種建立在計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)及坐標(biāo)測量技術(shù)研究基礎(chǔ)上的新興三維空間坐標(biāo)測量技術(shù)，從一個(gè)全新的坐標(biāo)測量思路上適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)對(duì)測量技術(shù)在測量精度和測量范圍等方面的新的更高要求。
　　課題“大型裝備在線三維視覺測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”是研究一種基于測量與校

2、準(zhǔn)功能合一的光學(xué)測棒的大尺寸立體視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)方案，以滿足大尺寸裝備在線三維坐標(biāo)現(xiàn)場測量的需求。該方案在測量數(shù)據(jù)采集過程中定期地進(jìn)行校準(zhǔn)參數(shù)計(jì)算，判別數(shù)據(jù)是否超差，若發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)警，使測量系統(tǒng)一直處于“受控”狀態(tài)。對(duì)于此系統(tǒng)，需要重點(diǎn)解決攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)精確校準(zhǔn)、雙攝像機(jī)外部方位參數(shù)現(xiàn)場校準(zhǔn)和立體視覺測量建模等關(guān)鍵技術(shù)問題。
　　基于立體視覺測量系統(tǒng)的坐標(biāo)測量原理，利用光學(xué)測棒上特征點(diǎn)間的已知位置約束關(guān)系，以及由它們所成的兩幅圖像

3、得到的空間坐標(biāo)，提出了基于四元數(shù)的Levenberg-Marquardt迭代的姿態(tài)估計(jì)修正算法，確定測棒坐標(biāo)系與空間坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；利用測尖觸點(diǎn)(光學(xué)測頭與被測工件接觸點(diǎn))與特征點(diǎn)間已知的位置約束關(guān)系計(jì)算被測點(diǎn)的空間坐標(biāo)；利用測尖到測棒坐標(biāo)系原點(diǎn)距離不變的約束實(shí)現(xiàn)測尖坐標(biāo)的現(xiàn)場校準(zhǔn)。
　　針對(duì)非理想狀態(tài)下的立體視覺測量模型，提出一種基于公垂線約束的投影距離最小的立體視覺建模方法。該方法不僅可以保證所求空間點(diǎn)到兩條反投射線之間

4、的距離最短，而且能夠使得所求的空間點(diǎn)在兩像平面上的投影像點(diǎn)與圖像觀測值之間的距離最小，減小空間點(diǎn)到兩攝像機(jī)距離不等的影響，實(shí)驗(yàn)表明該方法優(yōu)于其它的建模方法。
　　對(duì)于保證系統(tǒng)測量精度的重要環(huán)節(jié)之一的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)校準(zhǔn)，論文提出了基于虛擬校準(zhǔn)模板的校準(zhǔn)控制點(diǎn)到對(duì)應(yīng)反投射線距離最小的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)校準(zhǔn)方法，它包括線性和非線性估計(jì)。該校準(zhǔn)方法不僅克服了大型立體校準(zhǔn)模板加工和校準(zhǔn)都比較困難、平面模板自身精度低的缺點(diǎn)，而且由于采用與光學(xué)測棒上相

5、同的光學(xué)特征點(diǎn)作為校準(zhǔn)特征點(diǎn)，保證了與測量過程中特征點(diǎn)的一致性，提高了測量精度。由于對(duì)校準(zhǔn)控制點(diǎn)到對(duì)應(yīng)反投射線距離進(jìn)行了優(yōu)化，從而保證了空間距離誤差的最小，提高了校準(zhǔn)精度。此外，線性和非線性估計(jì)相結(jié)合的校準(zhǔn)過程保證了像機(jī)參數(shù)能夠快速、有效地收斂到全局最優(yōu)解。
　　針對(duì)大尺寸立體視覺測量系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)兩攝像機(jī)外部方位參數(shù)的現(xiàn)場校準(zhǔn)這一難點(diǎn)，本文基于所研制的特殊結(jié)構(gòu)的光學(xué)測棒，提出了兩點(diǎn)式雙攝像機(jī)外部方位參數(shù)現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)。通過光學(xué)測棒在