[发明专利]基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置及其测量方法

权利要求书

1.一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，包括图像采集装置、平面光栅标志器、背光光源、图像和数据处理系统和固定标志器平台，其特征在于：图像采集装置与图像和数据处理系统电信号连接，背光光源紧贴于平面光栅标志器下部与其固定连接，背光光源固定于固定标志器平台上，图像采集装置实时采集平面光栅标志器的图像，并将图像传至图像和数据处理系统；所述的平面光栅标志器包括双层透射光栅片和光栅图案，光栅图案设置在双层透射光栅片上；所述的图像和数据处理系统包括计算机硬件、图像和数据处理软件和显示设备，通过图像采集装置将采集到的数字图像首先在计算机硬件中暂存，然后应用图像和数据处理软件完成图像处理、视觉检测和相对位姿计算，最后将测量结果在显示设备上显示。

2.如权利要求1所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于：所述的背光光源包括光源控制器、照明光源和漫射片，照明光源安装于漫射片下方，光源控制器与照明光源电信号连接，光源控制器为照明光源供电并提供亮度控制，照明光源通过漫射片为平面光栅标志器提供均匀的背光照明，形成清晰光栅条纹。

3.如权利要求1所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于：所述的双层透射光栅片包括2块透射光栅片及3块透明基板，由上至下按第一透明基板、第一透射光栅片、第二透明基板、第二透射光栅片、第三透明基板的顺序设置并保持平行，通过固定螺栓紧固。

4.如权利要求3所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于：所述的每个透射光栅片设置有2条粗测光栅条纹和2条精测光栅条纹，两种条纹呈相互正交排列；第一透射光栅片和第二透射光栅片其上、下位置对应光栅条纹间距存在差别，第一透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₁，第二透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₂，λ₁＞λ₂，则栅距差比r₁=(λ₁-λ₂)/λ₁×100％，r₁=0.5％～1％；第一透射光栅片的精测光栅条纹对应间距为λ₃，第二透射光栅片的精测光栅条纹对应间距为λ₄，λ₃＞λ₄，则栅距差比r₂=(λ₃-λ₄)/λ₃×100％，r₂=0.1～0.3％。

5.如权利要求1所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于：所述的平面光栅标志器的四角分别设置有辅助标志物。

6.如权利要求3所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于：所述的透射光栅片由多组具有不同分辨率的光栅刻线构成。

7.如权利要求4所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，其特征在于：所述的粗测光栅条纹的间距为精测光栅条纹的2～5倍。

8.一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任意项所述的一种基于平面光栅的三维视觉位姿测量装置，步骤如下：

(1)使用图像采集装置采集图像，并传至图像和数据处理系统，并对采集的图像进行去噪和图像增强预处理；

(2)通过图像分割和特征提取，得到平面光栅标志器各组光栅图案形成的光栅暗条纹和辅助标识特征；

(3)使用平面光栅标志器四角的辅助标识，首先定位圆标识点形心，进而通过PnP算法粗估计相对位姿，通过矩形特征定位判别保证求解的唯一性；

(4)对于粗测光栅条纹，首先通过基于图像矩的方法进行主轴校正，计算条纹方向，进而使用灰度投影法检测条纹相位，并得到位置偏移δ，对精测光栅条纹重复上述处理过程，得到位置偏移；

(5)精确偏移角度计算：第一透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₁，第二透射光栅片的粗测光栅条纹对应间距为λ₂，基板高度为d，光线透过第一和第二光栅片形成的光栅暗条纹图案位置偏移为δ；当角度偏移小于一个光栅暗条纹周期对应的角度时，偏移量θ计算如下：

tanθ=δd·λ1-λ2λ2]]>

对与该方向垂直的另一组粗测光栅条纹采用同样方式计算；

(6)对精测光栅条纹采用与(6)相同方式计算，得到精测角度偏移量；

(7)对所有光栅条纹重复计算步骤(4)～(6)，然后与(3)得到的结果进行数据融合，得到最终的相对位姿测量结果。