[发明专利]零件位姿识别视觉系统及其标定方法

权利要求书

1.一种零件位姿识别视觉系统，其特征是，由五个相机和三座标测量机光笔构成，四个相机1-4分别分布在三坐标测量机平台前后左右四个方位，朝向都是正对测量平台中心位置，相邻相机的光轴基本垂直，同时剩余的一个相机即相机5分布在测量平台的上方，朝向是往下正对测量平台，相机5在初始位置时光轴线垂直于测量或加工平台的上表面，且通过上表面的中心且误差不超过200mm，垂直角度允许有不超过10度的误差；在相机1到相机4中，每个相机的光轴线与邻近测量平台的表面夹角约90度，允许有不超过10度的误差，相机1到相机4中每个相机的光轴线和相机5初始位置时的光轴线垂直并且相交，允许有不超过10度误差；测量平台周围四个相机的位置是固定不变的，并且相机之间的位置关系式经过标定的，相机5的位置随着三坐标测量机的位置前后移动；相机5的坐标系和三坐标测量机坐标系之间的位置也是经过标定的；光笔测头是红宝石球型体，在采点过程中通过旋转光笔使得发光面总是朝向摄像机。

2.一种零件位姿识别视觉系统标定方法，其特征是，步骤是，零件位姿识别视觉系统标定方法，步骤是，建立三坐标测量机坐标系、视觉坐标系、标定物坐标系，视觉坐标系建立了标定物坐标系和三坐标测量机坐标系之间的联系，视觉坐标系又分为不同摄像机的坐标系，标定物的形状大小并不固定，为了获取较多的空间标定点信息，标定过程中长方体块分别在每个相机的视野和三坐标测量机测量空间的公共范围内不同的位置摆放不同的姿态获取相应的角点坐标；对于同一个位置同一个姿态的标定物，首先先用三坐标测量机对标定物的五个表面分别扫描采点，把采样点分别拟合平面，求取相邻三个平面的交点坐标即为标定物的角点在三坐标测量机下的坐标；然后保持标定物的姿态位置不变用光笔在摄像机坐标系下对标定物的五个表面进行扫面采点，光笔测头是红宝石球型体，在采点过程中通过旋转光笔使得发光面总是朝向摄像机，对采样点分别拟合平面，求取相邻三个平面的交点坐标即为标定物的角点在摄像机坐标系下坐标；最后根据对应的角点在摄像机坐标系下坐标和三坐标测量机坐标系下坐标应用相应优化算法求解出两个坐标系之间的转换关系。

3.如权利要求2所述的零件位姿识别视觉系统标定方法，其特征是，具体标定步骤为：

(1)首先利用三坐标测量机对每个摄像机的内部参数进行标定，相机内部参数包括焦距f,主点坐标(c_x,c_y),径向和切向畸变系数(k₁,k₂,p₁,p₂),成像单元在x方向的尺寸d_x。在三坐标测量机的测头上方固定一个特征圆形发光亮点，在相机的视野范围内三坐标测量机控制特征点移动多个空间位置，获取相应的位置坐标作为三维基准，三维坐标和图像提取特征点中心坐标一起代入公式(1)，应用优化算法对相机的内部参数进行标定；

(2)依次分别标定摄像机1到摄像机5和三坐标测量机的坐标系转换关系，以标定摄像机1和三坐标测量机坐标系转换关系为例，在摄像机1的视野和三坐标测量机平台公共范围内的不同位置摆放不同姿态的长方体块，对每个位置每种姿态的长方体块五个表面，除了和三坐标测量机平台接触的表面，分别用三坐标测量机和光笔对其进行扫描采点，对每个表面内的三维点坐标进行平面拟合，然后求出两组长方体块的角点坐标，代入优化目标函数F₁见式(6)，最后利用优化算法求解出相应的转换平移矩阵；

(3)根据步骤(2)求解的相机坐标系和三坐标测量机坐标系之间的转换关系，按照式(8)求解出不同摄像机坐标系之间的转换关系：

F0(α,β,γ,tx,ty,tz,f,dx,k1,k2,cx,cy,p1,p2)=Σi=1nfai2+Σi=1nfbi2]]>

(1)

f_ai＝(r₁x_w+r₂y_w+r₃z_w+t_x)f-(r₇x_w+r₈y_w+r₉z_w+t_z)(x_r+δ_x)

f_bi＝(r₄x_w+r₅y_w+r₆z_w+t_y)f-(r₇x_w+r₈y_w+r₉z_w+t_z)(y_r+δ_y)(2)

δx=xrk1(xr2+yr2)+xrk2(xr2+yr2)2+p1(3xr2+yr2)+2p2xryr]]>

δy=yrk1(xr2+yr2)+yrk2(xr2+yr2)2+p2(xr2+3yr2)+2p1xryr]]>

(3)

世界坐标系为o_w-x_wy_wz_w，摄像机坐标系为o_c-x_cy_cz_c，f_ai的第一部分是由标定点的空间坐标经R、T变换算出的x_c乘以f，第二部分是由实际像面坐标(x_r,y_r)经过畸变补偿得到(x_r+δ_x)乘以标定点空间坐标经过R、T变换算出的z_c，δ_x为像面坐标x方向的畸变补偿量，根据理想小孔成像原理两者应该相等。f_bi的第一部分是由标定点的空间坐标经R、T变换算出的y_c乘以f，第二部分是由实际像面坐标(x_r0,y_r0)经过畸变补偿得到(y_d+δ_y)乘以标定点空间坐标经过R、T变换算出的z_c，δ_y像面坐标y方向畸变补偿量，同理它们也应该相等，然后以其差值的平方和作为目标函数F₀，按目标函数最小的要求确定R、T、f和畸变系数的最佳值(x_r,y_r)为特征点中心的原始成像坐标；旋转矩阵R为：

R=r1r2r3r4r5r6r7r8r9=cosβcosγsinαsinβcosγ-cosαsinγcosαsinβcosγ+sinαsinγcosβsinγsinαsinβsinγ+cosαcosγcosαsinβsinγ-sinαcosγ-sinβsinαcosβcosαcosβ]]>

(4)

摄像机坐标系向世界坐标系旋转变换：首先围绕x_c轴旋转角度为α，其次围绕y_c轴旋转角度是β，最后围绕z_c轴旋转角度为γ；相应的平移向量T＝[t_x,t_y,t_z]^T，世界坐标系o_w-x_wy_wz_w和摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c转换关系式为：

xcyczc=Rxwywzw+T---(5)]]>

F1(α,β,γ,tx,ty,tz)=Σi=1nfai2+Σi=1nfbi2---(6)]]>

F2(α,β,γ,tx,ty,tz)=Σi=1nfai2+Σi=1nfbi2---(7).]]>

xc1yc1zc1=R3xc2yc2zc2+T3=R1R2-1[xc2yc2zc2-T2]+T1xc1yc1zc1=R1xwywzw+T1,xc2yc2zc2=R2xwywzw+T2---(8)]]>

在式(8)中(x_c1,y_c1,z_c1)和(x_c2,y_c2,z_c2)分别表示公共点在两个不同摄像机坐标系下的坐标，R₁，T₁和R₂，T₂分别表示世界坐标系向两个不同摄像机坐标系转换的旋转平移矩阵；R₃，T₃表示两个摄像机坐标系之间变换的旋转平移矩阵。