基于视觉激光组合式的加工过程一体化测量方法

1.一种基于视觉激光组合式的加工过程一体化测量方法，其特征是，该方法采用局部激光精扫与视觉伺服和全局激光跟踪相结合的技术方式；首先搭建双目视觉测量系统，利用左、右相机(7、9)通过视觉伺服的方式实现机械臂末端测量装置(Ⅰ)位姿的在线导引，从而使待测零件(1)的局部特征处于激光扫描仪(5)的测量范围内；然后利用激光扫描仪(5)对局部特征进行高精度测量，同时利用激光跟踪仪(2)对末端测量装置(Ⅰ)进行跟踪定位；
调整末端测量装置(Ⅰ)的位姿对待测零件(1)进行分区域多次测量，最后将多次测量的局部激光扫描数据统一到激光跟踪仪(2)建立的全局坐标系下，实现大空间、跨尺度、高精度的加工过程一体化测量；测量方法的具体步骤如下：
第一步，搭建测量系统；
搭建测量系统：在末端测量装置(Ⅰ)的箱体(11)中安装精密移动平台(10)，激光扫描仪(5)通过夹具(6)固定在移动平台(10)上，精密移动平台移动方向与线激光平面垂直，实现激光扫描仪(5)沿Y轴方向上的平移运动；将左、右相机(7、9)安装到箱体(11)上，在安装时，要保证左、右相机(7、9)成对称放置并具有一定夹角，并对左、右相机进行标定；在箱体(11)上安装多个激光跟踪仪靶球(8)，并确保在测量过程中激光不被遮挡；激光跟踪仪(2)固定放置于待测零件(1)的一侧，用激光跟踪仪(2)对激光跟踪仪靶球(8)进行多测点的跟踪定位，利用不在同一直线上的三个或以上激光靶球(8)的坐标确定机械臂末端测量装置(Ⅰ)在空间中的位姿；
第二步，建立坐标系；
建立坐标系：在世界坐标系OwXwYwZw下待测零件上一特征点Pw，其坐标为(Xw,Yw,Zw)，左相机的坐标系为OlXlYlZl，其焦距为fl，右相机的坐标系为OrXrYrZr，其焦距为fr，olxlyl和orxryr分别是左右像平面的坐标系；Pw在左相机和右相机坐标系下的坐标分别为(Xl,Yl,Zl)和(Xr,Yr,Zr)，成像点在左右相机像平面坐标系下的坐标分别为(xl,yl)和(xr,yr)，左右相机的相对位置关系由公式(1)表示：
上式中，R是两个相机位置转换的旋转矩阵，T是两相机位置转换的平移矩阵，rij为旋转矩阵R中第i行第j列的值，ti为平移矩阵T中第i个数的值；设世界坐标系OwXwYwZw和左相机坐标系OlXlYlZl相重合，则可由相机的成像模型得出物点在世界坐标系下的坐标与左右相机像平面上的像点坐标间的转换关系，其与左相机像平面上的像点坐标间的关系为公式(2)，与右相机像平面上的像点坐标间的关系为公式(3)：
联立以上各式求得被测点的三维坐标，为公式(4)：
第三步，利用激光扫描仪对局部特征进行高精度测量；
通过图像处理与计算获取待测零件(1)上特征点在世界坐标系下的坐标，通过待测零件(1)上多个特征点的坐标确定末端测量装置(Ⅰ)与零件(1)的相对位姿；然后，根据相对位姿计算出机械臂末端测量装置(Ⅰ)的期望位姿和轨迹，并通过反向运动学导出机械臂(3)的相应期望关节角度，控制机械臂(3)进行运动，并将双目视觉系统的实时测量数据作为反馈，通过视觉伺服控制，使待测量的局部特征处于激光扫描仪(5)的测量范围内；利用激光扫描仪(5)获取被测物的精确二维位置信息，即X轴和Z轴方向的位置信息，为了获取被测物的三维信息，需要在Y轴方向上辅助激光扫描仪进行平移运动；经过视觉伺服导引，待测量的局部特征已处于激光扫描仪(5)的测量范围内，通过平台(10)带动激光扫描仪(5)沿Y轴方向运动实现对被测物(1)三维信息的测量，由此获取待测量区域的局部高精度几何信息；
第四步，激光跟踪仪跟踪定位
激光扫描仪(5)每次扫描的范围有限，需要在测量空间内多次移动测量设备的位置通过数据拼接实现大尺寸的测量；利用激光跟踪仪(2)对激光跟踪仪靶球(8)进行多测点的跟踪定位，利用不在同一直线上的三个或以上激光靶球(8)的坐标可以确定机械臂的末端测量装置(Ⅰ)在空间中的位姿，进而将测量所得数据转换到基于激光跟踪仪(2)的全局坐标系；
第五步，获取全局坐标系下的测量数据；
设待测量零件(1)表面上一点P在机械臂末端机构坐标系OAXAYAZA下的坐标为(XA,YA,ZA)，点P在激光跟踪仪(2)建立的全局坐标系OHXHYHZH下的坐标为(XH,YH,ZH)，这两个坐标通过式(5)进行转换：
其中，RA和TA分别为机械臂末端机构坐标系转换到激光跟踪仪坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，RA和TA矩阵通过3个或3个以上不在同一直线上的激光靶球(8)在激光跟踪仪坐标系下的坐标值求得；将激光扫描仪(5)多次测量的数据转换到激光跟踪仪(2)的全局坐标系OHXHYHZH下，实现激光扫描的全局高精度拼接。

基于视觉激光组合式的加工过程一体化测量方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于几何量测量领域，涉及一种基于视觉激光组合式的加工过程一体化测量方法。\n背景技术\n[0002] 在航空航天领域，随着自动化的推进，对于大型零部件逐渐采用机械臂进行整体加工，而加工过程中高精度的一体化测量是实现高质量加工的重要技术保障。大型零部件的尺寸可达数米至数十米，测量时既需要全尺寸范围的定位又要实现精度为微米级的局部测量，测量尺度跨越多个数量级。被测物尺寸较大且结构复杂，高精度地测量其几何信息具有很大的难度。因此，发明一种面向大空间、跨尺度、高精度的测量方法具有重要的意义。\n[0003] 目前大型物体的测量，主要通过全站仪、大空间激光扫描仪、室内GPS、激光雷达等设备完成。全站仪普及率高、测量距离远，但测量速度慢、功能有限、只适合数十米以上的大尺寸测量；大空间激光扫描测量速度快、数据量大，但测量精度较低、测量死角多，不适用于高精度测量。室内GPS法需要的设备多，布局复杂，操作繁琐，使得测量效率较低。激光雷达法需逐点扫描，测量效率较低且无法测量局部复杂区域。\n[0004] 东莞新吉凯氏测量技术有限公司涂成生,专利号为CN104316007A“基于测量参考点阵的低成本大尺寸精密几何尺寸测量系统”利用经过标定的测量参考点阵确定移动测量设备在测量空间内的位置，进而将移动测量设备所测数据转换到测量空间预设的全局坐标系，实现了低成本的大尺寸精密测量，但该方法需要在固定的地面和墙面上布置大量测量参考点并对其进行标定，并且其测量精度受参考点提取精度的影响，系统对生产现场的复杂环境适应性较差。长春工程学院高金刚等,专利号为CN107024175A“基于多目视觉的大型客车车身关键尺寸检测系统解决方案”利用激光跟踪仪将多组双目相机的测量数据统一到全局坐标系下，实现了大空间范围内的拼接测量，但该方案中多组双目相机的位置固定不动且需一定的安装空间，难以满足加工过程中的一体化测量需求。西安交通大学的刘建伟等人于2010年在《光学精密工程》第一期发表了文章《大尺寸工业视觉测量系统》，提出了一种基于立体视觉技术的便携式工业测量系统，该系统由全局标志点测量系统和局部密集点扫描系统组成，可在生产现场对大型工件进行测量，但该方法需要在待测物体表面和周围区域粘贴标志点，降低了测量的效率，并且该系统的整体测量精度为112μm/3m，仍不能满足航空航天领域大尺寸零部件的高精度测量需求。\n发明内容\n[0005] 本发明要解决的问题是克服现有技术方案对加工现场适应性差、测量精度不足的缺陷，发明一种基于视觉激光组合式的加工过程一体化测量方法。该方法，首先利用双目相机通过视觉伺服的方式在线导引机械臂调整其末端测量装置的位姿，使被测物处于激光扫描仪的测量范围内；然后利用激光扫描仪对被测物的局部特征进行高精度测量；调整测量装置的位姿对被测物进行分区域测量，最后将多次局部激光扫描的数据统一到基于激光跟踪仪建立的全局坐标系下，实现大空间范围的高精度测量。此方法将局部高精度扫描与大空间域实时跟踪定位相结合，并通过视觉伺服实现机械臂末端测量装置姿态的在线导引，提高了测量效率且能够适应加工现场的复杂环境，实现了大空间、跨尺度、高精度的加工过程一体化测量。\n[0006] 本发明采用的技术方案是一种基于视觉激光组合式的加工过程一体化测量方法，其特征是，该方法采用局部激光精扫与视觉伺服和全局激光跟踪相结合的技术方式；首先搭建双目视觉测量系统，利用左、右相机7、9通过视觉伺服的方式实现机械臂的末端测量装置Ⅰ位姿的在线导引，使待测零件1的局部特征处于激光扫描仪5的测量范围内；然后利用激光扫描仪5对局部特征进行高精度测量，同时利用激光跟踪仪2对末端测量装置Ⅰ进行跟踪定位；调整末端测量装置的位姿对待测零件1进行分区域多次测量，最后将多次测量的局部激光扫描数据统一到基于激光跟踪仪2建立的全局坐标系下，实现大空间、跨尺度、高精度的加工过程一体化测量；测量方法的具体步骤如下：\n[0007] 第一步，搭建测量系统；\n[0008] 搭建测量系统：在末端测量装置Ⅰ的箱体11中安装精密移动平台10，激光扫描仪5通过夹具6固定在移动平台10上，精密移动平台移动方向与线激光平面垂直，实现激光扫描仪5沿Y轴方向上的平移运动；将左、右相机7、9安装到箱体11上，在安装时，要保证左、右相机7、9成对称放置并具有一定夹角，对左、右相机进行标定；在箱体11上安装多个激光跟踪仪靶球8，并确保在测量过程中激光不被遮挡；激光跟踪仪2固定放置于待测零件1的一侧，用激光跟踪仪2对激光跟踪仪靶球8进行多测点的跟踪定位，利用不在同一直线上的三个或以上激光靶球8的坐标确定机械臂末端测量装置Ⅰ在空间中的位姿；\n[0009] 第二步，建立坐标系；\n[0010] 建立坐标系：在世界坐标系OwXwYwZw下待测零件上一特征点Pw，其坐标为(Xw,Yw,Zw)，左相机的坐标系为OlXlYlZl，其焦距为fl，右相机的坐标系为OrXrYrZr，其焦距为fr，olxlyl和orxryr分别是左右像平面的坐标系；Pw在左相机和右相机坐标系下的坐标分别为(Xl,Yl,Zl)和(Xr,Yr,Zr)，成像点在左右相机像平面坐标系下的坐标分别为(xl,yl)和(xr,yr)，左右两相机的相对位置关系可由式(1)表示：\n[0011]\n[0012] 上式中，R是两个相机位置转换的旋转矩阵，T是两相机位置转换的平移矩阵，rij为旋转矩阵R中第i行第j列的值，ti为平移矩阵T中第i个数的值；设世界坐标系OwXwYwZw和左相机坐标系OlXlYlZl相重合，则可由相机的成像模型得出物点在世界坐标系下的坐标与左右相机像平面上的像点坐标间的转换关系，其与左相机像平面上的像点坐标间的关系为公式(2)，与右相机像平面上的像点坐标间的关系为公式(3)：\n[0013]\n[0014]\n[0015] 联立以上各式可求得被测点的三维坐标，为公式(4)：\n[0016]\n[0017] 第三步，利用激光扫描仪对局部特征进行高精度测量；\n[0018] 通过图像处理与计算获取待测零件1上特征点在世界坐标系下的坐标，通过待测零件1上多个特征点的坐标可以确定末端测量装置Ⅰ与零件1的相对位姿；然后，根据相对位姿计算出机械臂的末端测量装置Ⅰ的期望位姿和轨迹，并通过反向运动学导出机械臂3的相应期望关节角度，控制机械臂3进行运动，并将双目视觉系统的实时测量数据作为反馈，通过视觉伺服控制，使待测量的局部特征处于激光扫描仪5的测量范围内，利用激光扫描仪5获取被测物的精确二维位置信息，即X轴和Z轴方向的位置信息，为了获取被测物的三维信息，需要在Y轴方向上辅助激光扫描仪进行平移运动；经过视觉伺服导引，待测量的局部特征已处于激光扫描仪5的测量范围内，通过平台10带动激光扫描仪5沿Y轴方向运动实现对被测物1三维信息的测量，由此获取待测量区域的局部高精度几何信息；\n[0019] 第四步，激光跟踪仪跟踪定位\n[0020] 激光扫描仪5每次扫描的范围有限，需要在测量空间内多次移动测量设备的位置通过数据拼接实现大尺寸的测量；利用激光跟踪仪2对激光跟踪仪靶球8进行多测点的跟踪定位，利用不在同一直线上的三个或以上激光靶球8的坐标可以确定机械臂的末端测量装置Ⅰ在空间中的位姿，进而将测量所得数据转换到基于激光跟踪仪2的全局坐标系；\n[0021] 第五步，获取全局坐标系下的测量数据；\n[0022] 设待测零件1表面上一点P在机械臂末端机构坐标系OAXAYAZA下的坐标为(XA,YA,ZA)，点P在基于激光跟踪仪2建立的全局坐标系OHXHYHZH下的坐标为(XH,YH,ZH)，这两个坐标可以通过式(5)进行转换：\n[0023]\n[0024] 其中，RA和TA分别为机械臂末端机构坐标系转换到激光跟踪仪坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，RA和TA矩阵可以通过3个或以上多个不在同一直线上的激光靶球8在激光跟踪仪坐标系下的坐标值求得；将激光扫描仪5多次测量的数据转换到激光跟踪仪2的全局坐标系OHXHYHZH下，实现激光扫描的全局高精度拼接。\n[0025] 通过以上步骤实现了大空间、跨尺度、高精度的加工过程一体化测量。\n[0026] 本发明的有益效果是该方法有效地解决了大空间范围内的高精度加工过程一体化测量问题，并将视觉伺服、局部激光精扫和全局激光跟踪技术相结合，具有测量精度高、测量范围广和高鲁棒性的优点，通过视觉伺服在线导引机械臂末端测量装置的姿态，使测量更加智能、高效。\n附图说明\n[0027] 图1为基于视觉激光组合式的加工过程一体化测量系统。其中，1-被测零件，2-激光跟踪仪，3-机械臂，4-移动平台，Ⅰ-末端测量装置，OHXHYHZH为激光跟踪仪建立的全局坐标系。\n[0028] 图2为图1中机械臂的末端测量装置Ⅰ的局部放大图。其中，5-激光扫描仪，6-夹具，\n7-左相机，8-激光跟踪仪靶球，9-右相机，10-精密移动平台，11-箱体，OlXlYlZl为左相机坐标系，OrXrYrZr为右相机坐标系，OwXwYwZw为世界坐标系，OXYZ为激光扫描仪坐标系，OAXAYAZA为机械臂末端机构坐标系。\n[0029] 图3为基于视觉激光组合式的加工过程一体化测量方法的流程图。\n具体实施方式\n[0030] 以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。\n[0031] 本实施例选用的激光扫描仪5为基恩士公司的LJ-V7060型号测量仪，其在X轴方向的重复精度为5μm，在Z轴方向的重复精度为0.4μm。电控平台10采用PI公司的M521.DD型号精密移动平台，其重复定位精度为0.2μm。激光跟踪仪2为Leica公司的AT960，其测量不确定度为±15μm+6μm/m。双目视觉系统中相机7、9型号为vieworks VC-12MC-M/C 65相机，分辨率：4096×3072，图像传感器：CMOS，帧率：全画幅，最高64.3fps。镜头型号为EF16-35mmf/\n2.8LIIUSM，镜头焦距：f＝16-35，APS焦距：25.5-52.5，光圈：F2.8。拍摄条件如下：图片像素为4096×3072，镜头焦距为24mm。\n[0032] 本发明采用局部激光精扫与全局激光跟踪相结合，通过视觉伺服的方式在线导引机械臂调整其末端测量装置的位姿，实现大尺寸范围内的高精度测量，测量方法的具体步骤如下：\n[0033] 第一步，搭建测量系统；\n[0034] 测量系统由移动平台4、机械臂3、末端测量装置Ⅰ和激光跟踪仪2组成，如图1所示。\n末端测量装置Ⅰ中，左、右相机7、9安装在箱体11上，安装时要保证左、右相机7、9成对称放置，且具有30°的夹角。7个激光跟踪仪靶球8安装在箱体11上，激光扫描仪5通过夹具6固定在精密电控平台10上，如图2所示。通过精密电控平台10带动激光扫描仪5沿Y轴进行平移运动。\n[0035] 采用棋盘格标定板对双目相机进行标定，标定时棋盘格标定板尽量充满双目相机的视场，摆放16个不同的位置，利用张氏标定法进行双目相机的标定，得到其平移、旋转矩阵为：\n[0036]\n[0037] 第二步，建立坐标系，如附图2所示。在世界坐标系OwXwYwZw下待测零件上一特征点Pw，其坐标为(Xw,Yw,Zw)，左相机的坐标系为OlXlYlZl，右相机的坐标系为OrXrYrZr，在激光跟踪仪建立全局坐标系OHXHYHZH，如附图1所示。\n[0038] 第三步，利用激光扫描仪对局部特征进行高精度测量；\n[0039] 根据公式(1)-(3)可推导出被测点在世界坐标系，即左相机坐标系下的三维坐标公式(4)，根据公式(4)求得被测点在世界坐标系下的三维坐标，通过待测零件1上多个特征点的坐标确定末端测量装置Ⅰ与零件1的相对位姿。利用左右相机实时获取待测零件1的图像，求解机械臂末端测量装置Ⅰ相对于待测零件1的实时相对位姿。\n[0040] 根据相对位姿计算出机械臂的末端测量装置Ⅰ的期望位姿和轨迹，并通过反向运动学导出机械臂3的相应期望关节角度，控制机械臂3进行运动。并将双目视觉系统的实时测量数据作为反馈，通过视觉伺服控制，使待测量的局部特征处于激光扫描仪5的测量范围内，利用激光扫描仪5获取被测物的精确二维位置信息，即X轴和Z轴方向的位置信息。为了获取被测物的三维信息，需要在Y轴方向上辅助激光扫描仪进行平移运动；经过视觉伺服导引，待测量的局部特征已处于激光扫描仪5的测量范围内，通过平台10带动激光扫描仪5沿Y轴方向运动，实现对被测物1三维信息的测量，由此获取待测量区域的局部高精度几何信息；\n[0041] 第四步，激光跟踪仪跟踪定位\n[0042] 激光扫描仪5每次扫描的范围有限，需要在测量空间内多次移动测量设备的位置通过数据拼接实现大尺寸的测量；利用激光跟踪仪2对激光跟踪仪靶球8进行多测点的跟踪定位，利用不在同一直线上的3个激光靶球8的坐标可以确定机械臂的末端测量装置Ⅰ在空间中的位姿，进而将测量所得数据转换到基于激光跟踪仪2的全局坐标系；\n[0043] 第五步，获取全局坐标系下的测量数据；\n[0044] 设待测零件1表面上一点P在机械臂的末端机构坐标系OAXAYAZA下的坐标为(XA,YA,ZA)，点P在基于激光跟踪仪2建立的全局坐标系OHXHYHZH下的坐标为(XH,YH,ZH)，这两个坐标通过公式(5)进行转换。将激光扫描仪5多次测量的数据转换到激光跟踪仪2的全局坐标系OHXHYHZH下，实现激光扫描的全局高精度拼接。通过以上步骤实现了大空间、跨尺度、高精度的加工过程一体化测量。\n[0045] 本发明将激光扫描仪局部高精度测量与激光跟踪仪全局跟踪定位相结合，并通过视觉伺服在线导引机械臂末端测量装置的姿态，有效解决了大空间范围内的高精度测量问题。该方法灵活、高效、鲁棒性高，实现了大空间、跨尺度、高精度的加工过程一体化测量。