[發明專利]一種大型部件對接裝配相對位姿的視覺測量系統和測量方法

有效

• 申請號: 201910339187.0
• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN110006402B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 周富強;周明軒
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C11/00
• 分類號: G01C11/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種大型部件對接裝配相對位姿雙立體視覺測量系統，其特征在于：

1.1、由近景雙目視覺傳感器(1)、大范圍雙目視覺傳感器(2)、活動靶標(4)、固定靶標(5)和計算機組成；其中近景雙目視覺傳感器(1)與大范圍雙目視覺傳感器(2)由四個相同的攝像機(3)構成；大范圍雙目視覺傳感器(2)與近景雙目視覺傳感器(1)布置在活動靶標(4)與固定靶標(5)同一側，大范圍雙目視覺傳感器(2)在對接初始階段拍攝活動靶標(4)與固定靶標(5)，實現大型部件相對位姿粗略測量，定位機構(10)根據粗略測量結果驅動活動部件(7)靠近固定部件(8)；當活動靶標(4)與固定靶標(5)所有特征點出現在近景雙目視覺傳感器(1)的公共視場范圍內，對接進入位姿精調階段；定位機構(10)根據近景雙目視覺傳感器(1)測量的相對位姿信息，精確調整活動部件(7)的位姿，完成與固定部件(8)的對接；

1.2、活動靶標(4)與固定靶標(5)為相同的高精度二維平面玻璃靶標，靶標背后有亮度可調的白色光源；靶標與對接部件固連，安裝在活動部件(7)上的靶標為活動靶標(4)；安裝在固定部件(8)上的靶標為固定靶標(5)；靶標上有預先設置的圓形特征點，圓的數量為4～100個，圓形特征點的直徑為4mm，圓的直徑精度為0.001mm，相鄰兩圓心的距離為8mm，其精度為0.001mm，選取靶面上圓形特征點的圓心作為特征點，特征點數量為4～100個；

使用雙立體視覺測量系統進行大型部件對接裝配相對位姿測量的方法，其實施過程分為標定階段和測量階段，進行一次標定即可連續測量，具體步驟如下：

2.1、標定階段：

2.1.1、將大型部件對接裝配過程按照兩部件水平方向距離分為對接初始階段和位姿精調階段，對接初始階段兩部件之間的初始水平距離為150～250mm，位姿精調階段兩部件之間的初始水平距離為15～30mm；根據雙立體視覺系統結構，布置雙立體視覺系統，選取大范圍雙目視覺傳感器(2)的基線距離為1500～2000mm，工作距離為850～1000mm；近景雙目視覺傳感器(1)的基線距離為800～1000mm，工作距離為550～650mm；調整大范圍雙目視覺傳感器(2)的兩攝像機的方向、焦距與光圈，使大范圍雙目視覺傳感器(2)的兩攝像機在對接初始階段視場范圍包含活動靶標(4)和固定靶標(5)上所有特征點，且成像清晰；調整近景雙目視覺傳感器(1)的兩攝像機的方向、焦距與光圈，使近景雙目視覺傳感器(1)的兩攝像機在位姿精調階段視場范圍包含活動靶標(4)和固定靶標(5)上所有特征點，且成像清晰；

2.1.2、標定近景雙目視覺傳感器(1)與大范圍雙目視覺傳感器(2)的參數，具體標定步驟如下：

步驟一，在雙目視覺傳感器的公共視場范圍內，非平行自由移動標定靶標(11)至少三個位置，每移動一個位置雙目視覺傳感器拍攝一組靶標圖像，靶標上所有標志圓包含在拍攝圖像內，提取特征點圓心的圖像坐標，并與其世界坐標對應，標定雙目系統中每個相機的內部參數、畸變系數以及對應每個靶標位姿的相機外部參數；

步驟二，利用步驟一中標定的單相機外部參數，計算雙目視覺傳感器結構參數初始值；根據相機內參數與畸變系數的標定結果，結合雙目視覺傳感器結構參數初始值與步驟一中提取的特征點圓心圖像坐標，計算靶標特征點圓心的三維坐標；求得相鄰圓心三維坐標間的距離，并計算其與已知的靶標相鄰兩圓心之間的距離的偏差，構建代價函數，采用非線性優化方法標定雙目視覺傳感器的結構參數；

步驟三，重復步驟一與步驟二，完成近景雙目視覺傳感器與大范圍雙目視覺傳感器的參數標定；

2.2、測量階段：

2.2.1、在對接初始階段，選取大范圍雙目視覺傳感器(2)中左相機的攝像機坐標系為測量坐標系；以活動靶標左上角特征點為原點，建立活動靶標坐標系(9)；

2.2.2、拍攝一組圖像，提取圖像中活動靶標(4)與固定靶標(5)特征點的圖像坐標，完成兩幅圖像中對應特征點的匹配；根據標定階段獲得的雙目視覺傳感器兩相機內部參數、畸變系數以及結構參數，計算活動靶標(4)與固定靶標(5)特征點在測量坐標系下的三維坐標；

2.2.3、擬合活動靶標(4)特征點平面在活動靶標坐標系(9)下和測量坐標系下的空間平面方程，計算測量坐標系與活動靶標坐標系(9)之間的轉換關系；將活動靶標(4)與固定靶標(5)特征點三維坐標從測量坐標系轉換到活動靶標坐標系(9)下；

2.2.4、在活動靶標坐標系(9)下，擬合活動靶標(4)特征點平面方程與固定靶標(5)特征點平面方程，計算活動靶標坐標系(9)下兩部件相對位姿；

2.2.5、在對接初始階段，采用大范圍雙目視覺傳感器進行測量，重復步驟2.2.2～2.2.4，測量兩部件相對位姿，引導定位裝置調整活動部件(7)位姿，靠近固定部件(8)；

2.2.6、當近景雙目視覺傳感器公共視場范圍中出現活動靶標(4)與固定靶標(5)的所有特征點時，選取近景雙目視覺傳感器(1)中左相機的攝像機坐標系為測量坐標系，采用近景雙目視覺傳感器進行測量，重復步驟2.2.2～2.2.4，測量兩部件相對位姿，引導定位裝置精確調整活動部件(7)位姿，完成部件對接。