一种大范围单目跟踪扫描设备
技术领域
本发明涉及视觉测量设备
技术领域
,尤其涉及一种大范围单目跟踪扫描设备。背景技术
物体的位置与姿态检测在质量检测、工件内外部尺寸测量以及智能制造方面具有重要应用,通常是采用单目视觉设备来进行非接触式的测量,相比双目视觉测量,单目视觉测量设备不容易受到视场范围的限制,测量范围广,测量距离长,已得到越来越多的应用。通常工件与单目视觉设备之间的相对位置固定,受到视角限制,工件内部轮廓或者尺寸无法直观的进行检测。
3D球形扫描仪,无需固定设置,测量性能可靠,而且体积小巧便于伸入大型工件的内部进行精确的扫描。如将两者有机结合,应用在大型工件的内外部轮廓扫描、测量等方面,必能改善单目视觉设备单独工作不能直观获取工件内部形状的不足。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种有机结合球形扫描仪与单目视觉设备,在大尺度范围测量精确获取大型工件的内外表面图像的大范围单目跟踪扫描设备。
本发明的技术方案是这样实现的:本发明提供了一种大范围单目跟踪扫描设备,用于对工件的内外部结构进行扫描测量;包括球形扫描仪和单目视觉设备;
球形扫描仪,具有扫描头、中空的框体和若干靶球,扫描头位于框体的中部,框体各边的端点处分别设置有一靶球,靶球上设置有若干标志点;球形扫描仪可相对于工件移动,并扫描工件相对于单目视觉设备不可见的内、外表面轮廓;
单目视觉设备,朝着工件所在的位置摆放,单目视觉设备的工作部一方面获取工件可见表面的轮廓,另一方面单目视觉设备定期地对球形扫描仪的当前位置进行搜索并跟踪,使得球形扫描仪位于单目视觉设备的视野范围内,并能够有效地捕捉靶球上的标志点;单目视觉设备还根据其工作部以及球形扫描仪的位置和姿态变化,在以单目视觉设备建立的全局坐标系中标定球形扫描仪的当前位姿;根据球形扫描仪以及单目视觉设备获取的图像拼接成完整的工件轮廓。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述单目视觉设备包括底座、第一扫描跟踪单元、第二扫描跟踪单元、参考单元和处理单元;底座的一端固定设置在地面上,底座的另一端朝着远离地面的方向竖直延伸;第一扫描跟踪单元设置在底座远离地面的一端,第一扫描跟踪单元在其视野范围内搜索球形扫描仪,当球形扫描仪出现在其视野中时保持当前位置不变;第二扫描跟踪单元设置在第一扫描跟踪单元上,第二扫描跟踪单元使得球形扫描仪位于其视野的中心,并能清晰地拍摄到球形扫描仪及其标志点;参考单元固定设置在底座远离地面的一端,并获取第一扫描跟踪单元、第二扫描跟踪单元或者球形扫描仪相对于参考单元的位移或者姿态变化,球形扫描仪与参考单元均与处理单元信号连接;处理单元根据上述位移或者姿态关系,将球形扫描仪与第一扫描跟踪单元或者第二扫描跟踪单元获取的图像进行拼接,完成工件的扫描测量。
优选的,所述第一扫描跟踪单元包括中空的第一基座、第一活动部、搜索相机和第一电机;第一基座固定设置在底座远离地面的一端,并环绕参考单元设置,第一活动部设置在第一基座远离地面的一端,且第一活动部与第一基座可转动设置;第一活动部远离地面的一端固定设置有搜索相机,搜索相机在其视野范围内搜索球形扫描仪;第一电机固定设置在底座上,第一电机的输出端驱动第一活动部和搜索相机相对于第一基座水平旋转;搜索相机在其视野范围内搜索球形扫描仪后,第一电机停止工作。
优选的,所述第二扫描跟踪单元包括第二活动部、第三活动部、跟踪相机、第二电机和第三电机;第二活动部和第二电机均设置在第一基座远离地面的一端,第二活动部与第一基座转动连接;第二电机与第一基座固定连接,第二电机的输出端驱动第二活动部相对于水平面俯仰旋转;第三活动部固定设置在第二活动部上,第三活动部上设置有跟踪相机和第三电机,第三电机与第三活动部固定连接,跟踪相机分别与第二活动部和第三活动部可滑动连接,第三电机的输出端与跟踪相机连接,并驱动跟踪相机沿着第三电机的输出端轴线方向伸出或者缩回。
优选的,所述参考单元还包括标定板和参考相机;参考相机设置在底座上,且竖直朝外设置;标定板固定设置在第二活动部靠近地面的一端,标定板上设置有阵列设置的盲孔,各盲孔内对应设置有指示灯,各指示灯的发光部均朝向地面设置;标定板上的指示灯以跟踪相机的中心轴在标定板上的投影点为圆心,常亮显示多边形或者圆形图案,由参考相机获取该指示灯构成的图案的图像。
优选的,所述单目视觉设备根据其工作部以及球形扫描仪的位置和姿态变化,在以单目视觉设备建立的全局坐标系中标定球形扫描仪的当前位姿,包括如下步骤:S100使搜索相机开始工作并捕捉球形扫描仪,当获取该时刻球形扫描仪上的标志点时,求解该时刻球形扫描仪所在坐标系与搜索相机所在坐标系的转换关系;S200驱动第二电机或者第三电机调节跟踪相机的俯仰角或者焦距,使得球形扫描仪位于跟踪相机视野中心,且跟踪相机能够清晰地跟踪拍摄球形扫描仪,进一步求解该时刻球形扫描仪所在坐标系与跟踪相机所在坐标系的转换关系;S300获取标定板上的对应的发光的指示灯对应的标志点在跟踪相机所在坐标系的转换关系,根据当前时刻的参考相机获取的标定板的指示灯图案的图像,得到跟踪相机到参考相机之间的转换关系;S400通过当前时刻球形扫描仪所在坐标系与跟踪相机所在坐标系的转换关系修正球形扫描仪所在坐标系与搜索相机所在坐标系的转换关系,供球形扫描仪改变位置后的下一次搜索相机搜索球形扫描仪时使用,重复以上步骤直到球形扫描仪完成工件内、外表面的轮廓扫描。
优选的,所述求解该时刻球形扫描仪所在坐标系与搜索相机所在坐标系的转换关系,是构建基于球形扫描仪(1)的坐标系,令靶球上的标志点在球形扫描仪坐标系内的坐标为;表示靶球上的标志点的数量,上式各列为各标志点在球形扫描仪坐标系内的坐标;通过预先标定获取搜索相机所在坐标系到跟踪相机所在坐标系的转换关系和;当搜索相机初次跟踪到球形扫描仪,获取球形扫描仪的标志点在此时刻的搜索相机的图像坐标系的二维坐标;其中为搜索相机捕捉到的靶球上的标志点的数量,上式各列为标志点在搜索相机图像坐标系的二维坐标;通过二维坐标点集求解该时刻扫描仪坐标系到搜索相机所在坐标系的转换关系和;和为旋转矩阵,和为平移矩阵;
所述求解该时刻球形扫描仪所在坐标系与跟踪相机所在坐标系的转换关系,是通过上一步已获取的转换关系、、和,求出球形扫描仪所在坐标系与跟踪相机所在坐标系的转换关系:;;
所述得到跟踪相机到参考相机之间的转换关系,是预先将标定板上的各指示灯在跟踪相机所在坐标系下的坐标,得到,为标定板上的指示灯数量,上式各列为标定板上的指示灯在跟踪相机所在坐标系下的坐标;设定参考相机所在坐标系为,将当前时刻参考相机获取标定板上的指示灯在参考相机所在图像坐标系下的二维坐标,为标定板上亮起的指示灯数量,上式各列为标定板上亮起的指示灯在参考相机所在图像坐标系的坐标;通过二维坐标点集求解,获得跟踪相机到参考相机的转换关系与。
优选的,所述通过当前时刻球形扫描仪所在坐标系与跟踪相机所在坐标系的转换关系修正球形扫描仪所在坐标系与搜索相机所在坐标系的转换关系,是获取球形扫描仪的标志点在跟踪相机所在图像坐标系的二维坐标,为跟踪相机捕捉到的靶球上的标志点的数量,上式各列为标志点在跟踪相机所在坐标系下的二维坐标;代入已求出的与,根据以下关系式:,,求得的和,即为修正后的搜索相机所在坐标系与跟踪相机所在坐标系的转换关系。
本发明提供的一种大范围单目跟踪扫描设备,相对于现有技术具有以下有益效果:
(1)本发明有机的将球形扫描仪与单目视觉设备进行了结合,在保持工件与单目视觉设备位置不变的前提下,移动球形扫描仪到若干个单目视觉设备不能直观观测的内、外表面,弥补了单目视觉设备单独使用的不足,提高了扫描测量的精度和可靠性;
(2)第一扫描跟踪单元可带动搜索相机水平旋转,进行大范围内的球形扫描仪的搜索,提高搜索的速度;
(3)第二扫描跟踪单元可调节跟踪相机的俯仰角度和焦距,使得球形扫描仪更清晰地呈现在跟踪相机的视野中央,而且调整的角度和焦距可以直观的在标定板上通过特定图案来限定跟踪相机的中心位置,便于参考相机获取跟踪相机的当前位姿;
(4)跟踪相机具有焦距长、景深短、视野范围小的特点,而搜索相机具有焦距短、景深长、视野范围大的特点,将两者进行结合能够快速在大范围内搜索球形扫描仪,并由跟踪相机对正球形扫描仪所在位置,便于快速确立球形扫描仪与单目视觉设备的标定关系;
(5)通过坐标系间的标定和修正,使得工件整体的扫描检测更加精确,鲁棒性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种大范围单目跟踪扫描设备的立体图;
图2为本发明一种大范围单目跟踪扫描设备的单目视觉设备的前视图;
图3为本发明一种大范围单目跟踪扫描设备的单目视觉设备的半剖前视图;
图4为本发明一种大范围单目跟踪扫描设备的单目视觉设备的爆炸状态立体图;
图5为本发明一种大范围单目跟踪扫描设备的标定板的结构示意图;
图6为本发明一种大范围单目跟踪扫描设备的球形扫描仪的立体图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
如图1结合图6所示,图示展示了一种大范围单目跟踪扫描设备,用于对工件的内外部结构进行扫描测量;其包括球形扫描仪1和单目视觉设备2两大部分;
其中,球形扫描仪1,具有扫描头、中空的框体和若干靶球,扫描头位于框体的中部,框体各边的端点处分别设置有一靶球,靶球上设置有若干标志点;球形扫描仪1可相对于工件移动,改变其摆放位置,更好的进行局部轮廓扫描,获取工件相对于单目视觉设备2不可见的内、外表面轮廓;球形扫描仪1的框体为多面体结构,每个多面体的边线的端点位置均设置有靶球,而靶球同样可以设置为多面体结构,靶球的不同的表面上分别设置有一个便于观察的可反光的标志点,标志点在本方案中为圆形或者环形。
单目视觉设备2朝着工件所在的位置摆放,单目视觉设备2的工作部一方面获取工件可见表面的轮廓,另一方面单目视觉设备2定期地对球形扫描仪1的当前位置进行搜索并跟踪,使得球形扫描仪1位于单目视觉设备2的视野范围内,并能够有效地捕捉靶球上的标志点;单目视觉设备2还根据其工作部以及球形扫描仪1的位置和姿态变化,在以单目视觉设备2建立的全局坐标系中标定球形扫描仪1的当前位姿;根据球形扫描仪1以及单目视觉设备2获取的图像拼接成完整的工件轮廓。单目视觉设备2在使用过程中相对于工件的位置不再移动,仅其自带的相机发生姿态和位置调节,以便更好的搜索和对准球形扫描仪1,当球形扫描仪1在全部工件相对于单目视觉设备2不可见的内、外表面轮廓扫描后,结合单目视觉设备2的获取的外部轮廓,共同拼接形成工件完整的图像,完成扫描测量。
如图2—4所示,单目视觉设备2包括底座21、第一扫描跟踪单元22、第二扫描跟踪单元23、参考单元24和处理单元;底座21的一端固定设置在地面上,底座21的另一端朝着远离地面的方向竖直延伸;第一扫描跟踪单元22设置在底座21远离地面的一端,第一扫描跟踪单元22在其视野范围内搜索球形扫描仪1,当球形扫描仪1出现在其视野中时保持当前位置不变;第二扫描跟踪单元23设置在第一扫描跟踪单元22上,第二扫描跟踪单元23使得球形扫描仪1位于其视野的中心,并能清晰地拍摄到球形扫描仪1及其标志点;参考单元24固定设置在底座21远离地面的一端,并获取第一扫描跟踪单元22、第二扫描跟踪单元23或者球形扫描仪1相对于参考单元24的位移或者姿态变化,球形扫描仪1与参考单元24均与处理单元信号连接;处理单元根据上述位移或者姿态关系,将球形扫描仪1与第一扫描跟踪单元22或者第二扫描跟踪单元23获取的图像进行拼接,完成工件的扫描测量。第一扫描跟踪单元22进行视野范围内的快速搜索,以便第一时间搜寻到球形扫描仪1;第一扫描跟踪单元检测到球形扫描仪1后,由第二扫描跟踪单元23进一步调整球形扫描仪1在其图像坐标系的位置,便于多个不同的靶球上的不同位置的反光标志点。
结合图3可知,图示提供了一种第一扫描跟踪单元22的具体结构。第一扫描跟踪单元22包括中空的第一基座221、第一活动部222、搜索相机223和第一电机224;第一基座221固定设置在底座21远离地面的一端,并环绕参考单元24设置,第一活动部222设置在第一基座221远离地面的一端,且第一活动部222与第一基座221可转动设置;第一活动部222远离地面的一端固定设置有搜索相机223,搜索相机223在其视野范围内搜索球形扫描仪1;第一电机224固定设置在底座21上,第一电机224的输出端驱动第一活动部222和搜索相机223相对于第一基座221水平旋转;搜索相机在其视野范围内搜索球形扫描仪1后,第一电机便停止工作,直到改变球形扫描仪1的位置后,搜索相机223再次对其进行搜索。
同样如图3所示,图示提供了一种第二扫描跟踪单元23的具体结构。第二扫描跟踪单元23包括第二活动部231、第三活动部232、跟踪相机233、第二电机234和第三电机235;第二活动部231和第二电机234均设置在第一基座221远离地面的一端,第二活动部231与第一基座221转动连接;第二电机234与第一基座221固定连接,第二电机234的输出端驱动第二活动部231相对于水平面俯仰旋转;第三活动部232固定设置在第二活动部231上,第三活动部232上设置有跟踪相机233和第三电机235,第三电机235与第三活动部232固定连接,跟踪相机233分别与第二活动部231和第三活动部232可滑动连接,第三电机235的输出端与跟踪相机233连接,并驱动跟踪相机233沿着第三电机235的输出端轴线方向伸出或者缩回。第二电机234可以调节跟踪相机233的俯仰角度,第三电机235调节跟踪相机233的焦距,达到精确调节的目的,更好的使球形扫描仪1位于跟踪相机233的视野中央,清晰地获取足够多的标志点及其位置。
参考单元24还包括标定板241和参考相机242;参考相机242设置在底座21上,且竖直朝外设置;标定板241固定设置在第二活动部231靠近地面的一端,标定板241上设置有阵列设置的盲孔,各盲孔内对应设置有指示灯,各指示灯的发光部均朝向地面设置;标定板上的指示灯以跟踪相机的中心轴在标定板上的投影点为圆心,常亮显示多边形或者圆形图案,由参考相机242获取该指示灯构成的图案的图像。参考相机242的位置始终不变,而标定板241则跟随第二活动部231一起俯仰调节。此处的指示灯是设置在盲孔内;通过标定板241上投影区域对应的发光的多边形或者圆形图案,便于参考相机242在其图像坐标系中换算获取发光的区域的中心,跟踪相机233位于该发光区域中心远离地面的法线方向上,便于后续快速的获得参考相机与跟踪相机的位姿关系。每当球形扫描仪1的位置发生改变,参考相机再次获取指示灯对应的发光区域的图案,重复上述步骤。
单目视觉设备2根据其工作部以及球形扫描仪1的位置和姿态变化,在以单目视觉设备2建立的全局坐标系中标定球形扫描仪1的当前位姿,包括如下步骤:S100使搜索相机开始工作并捕捉球形扫描仪1,当获取该时刻球形扫描仪1上的标志点时,求解该时刻球形扫描仪1所在坐标系与搜索相机所在坐标系的转换关系;S200驱动第二电机或者第三电机调节跟踪相机的俯仰角或者焦距,使得球形扫描仪1位于跟踪相机视野中心,且跟踪相机能够清晰地跟踪拍摄球形扫描仪1,进一步求解该时刻球形扫描仪1所在坐标系与跟踪相机所在坐标系的转换关系;S300获取标定板上的对应的发光的指示灯对应的标志点在跟踪相机所在坐标系的转换关系,根据当前时刻的参考相机获取的标定板的指示灯图案的图像,得到跟踪相机到参考相机之间的转换关系;S400通过当前时刻球形扫描仪1所在坐标系与跟踪相机所在坐标系的转换关系修正球形扫描仪1所在坐标系与搜索相机所在坐标系的转换关系,供球形扫描仪1改变位置后的下一次搜索相机搜索球形扫描仪1时使用,重复以上步骤直到球形扫描仪1完成工件内、外表面的轮廓扫描。
上述步骤中,求解该时刻球形扫描仪1所在坐标系与搜索相机所在坐标系的转换关系,具体方案是构建基于球形扫描仪1的坐标系,令靶球上的标志点在球形扫描仪1坐标系内的坐标为;表示靶球上的标志点的数量,上式各列为各标志点在球形扫描仪1坐标系内的坐标;通过预先标定获取搜索相机所在坐标系到跟踪相机所在坐标系的转换关系和;当搜索相机初次跟踪到球形扫描仪1,获取球形扫描仪1的标志点在此时刻的搜索相机的图像坐标系的二维坐标;其中为搜索相机捕捉到的靶球上的标志点的数量,上式各列为标志点在搜索相机图像坐标系的二维坐标;通过二维坐标点集求解该时刻扫描仪坐标系到搜索相机所在坐标系的转换关系和;和为旋转矩阵,和为平移矩阵;
所述求解该时刻球形扫描仪1所在坐标系与跟踪相机所在坐标系的转换关系,是通过上一步已获取的转换关系、、和,求出球形扫描仪1所在坐标系与跟踪相机所在坐标系的转换关系:;;
上述方案中,获取跟踪相机到参考相机之间的转换关系,是预先将标定板上的各指示灯在跟踪相机所在坐标系下的坐标,得到,为标定板上的指示灯数量,上式各列为标定板上的指示灯在跟踪相机所在坐标系下的坐标;设定参考相机所在坐标系为,将当前时刻参考相机获取标定板上的指示灯在参考相机所在图像坐标系下的二维坐标,为标定板上亮起的指示灯数量,上式各列为标定板上亮起的指示灯在参考相机所在图像坐标系的坐标;通过二维坐标点集求解,获得跟踪相机到参考相机的转换关系与。
通过当前时刻球形扫描仪1所在坐标系与跟踪相机所在坐标系的转换关系修正球形扫描仪1所在坐标系与搜索相机所在坐标系的转换关系,是获取球形扫描仪1的标志点在跟踪相机所在图像坐标系的二维坐标,为跟踪相机捕捉到的靶球上的标志点的数量,上式各列为标志点在跟踪相机所在坐标系下的二维坐标;代入已求出的与,根据以下关系式:,,求得的和,即为修正后的搜索相机所在坐标系与跟踪相机所在坐标系的转换关系。
通过二维坐标点集求解,是本领域技术人员的惯用技术手段,在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。