[发明专利]大空间视觉跟踪6D测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业用尺寸测量系统，特别是应用于工业现场的大尺寸空间精密测量，具体为一种大空间视觉跟踪6D测量系统及测量方法。

背景技术

目前，随着我国大型装备制造业的发展，对空间大尺寸精密测量技术提出了越来越高的要求。现有的空间大尺寸测量系统主要由以下几种构成：(1)经纬仪测量系统；(2)激光跟踪测量系统；(3)数字近景工业摄影测量系统；(4)激光扫描测量系统；(5)关节臂坐标测量系统；(6)室内GPS。以上测量系统大都是单点测量，不能实现六个自由度的测量。瑞士Leica公司设计的激光跟踪仪虽然实现了六个自由度的测量，但是需要激光的配合。

发明内容

本发明的目的是提供一种大空间视觉跟踪6D测量系统及测量方法，以解决现有大空间坐标测量系统无法同时测量测头或被测物体三个坐标和三个方位的六自由度测量问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

大空间视觉跟踪6D测量系统，包括有一个摄像机和一个独立的六自由度测头，其特征在于：所述摄像机安装在三维旋转云台上，绕云台的水平轴和垂直轴转动，其转角用安装在三维旋转平台上的角度编码器读出；六自由度测头在空间的三个坐标和三个姿态方位由摄像机跟踪测量获得。

所述的大空间视觉跟踪6D测量系统，其特征在于：所述摄像机为自动变焦摄像机，其光圈、焦距、焦点位置可以自动和手动调整。

所述的大空间视觉跟踪6D测量系统，其特征在于：所述的六自由度测头包括一个靶标球和一个球探头，两者之间用测杆相连接，在测杆上还安装一个测头手柄。

所述的大空间视觉跟踪6D测量系统，其特征在于：所述靶标球为具有内部空腔的球体，其外表面上按照一定角度均匀地在经线和纬线的相交位置布置圆柱孔，圆柱孔的轴线与球心相交。

所述的大空间视觉跟踪6D测量系统，其特征在于：所述靶标球圆柱孔里按照伪随机阵列编码的排列规则安置三种颜色标识，孔在表面上的位置由伪随机阵列编码颜色标识唯一确定。

所述的大空间视觉跟踪6D测量系统，其特征在于：所述的三种颜色标识由红、黄、蓝三种发光二极管实现，也可以用不发光的红、黄、蓝三种彩色物体实现。

所述的大空间视觉跟踪6D测量系统，其特征在于：所述测头手柄和摄像机云台内部安置无线收发器，实现六自由度测头与摄像机之间的数据通讯。

所述的大空间视觉跟踪6D测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)建立六自由度测头坐标系：以靶标球的球心为测头坐标系的原点，建立测头坐标系O-X_t，Y_t，Z_t，靶标球表面上孔的中心位置在测头坐标系下的坐标设为(x_ti，y_ti，z_ti)；测量时所使用的球探头中心在O-X_t，Y_t，Z_t坐标系下的坐标为(X_tp，Y_tp，Z_tp)；所述球探头中心、靶标球表面上孔的中心位置在O-X_t，Y_t，Z_t坐标系下的坐标值为已知量；

(2)建立云台坐标系：以摄像机坐标系O₁-X_c，Y_c，Z_c的原点为原点建立云台坐标系O₁-X_r，Y_r，Z_r，所述云台坐标系O₁-X_r，Y_r，Z_r的Y_r坐标轴与云台水平回转面中的零位重合，X_r轴与云台垂直转动轴中心线重合；

(3)建立摄像机坐标系和云台坐标系之间的关系：所述摄像机坐标系O₁-X_c，Y_c，Z_c随着云台做水平和垂直轴转动，在水平方向和垂直方向的旋转角度分别为α，β，摄像机坐标系和云台坐标系之间的关系用如下方程表示：