专利名称：大空间视觉跟踪6d测量系统及测量方法
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勻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0_Xt，Yt, Zt，靶标球表面上孔的中心位置在测头坐标系下的坐标设为(xti，yti, zti)； 测量时所使用的球探头中心在0-Xt，Yt, Zt坐标系下的坐标为(Xtp，Ytp，Ztp)；所述球探头中心、靶标球表面上孔的中心位置在0-Xt，Yt, Zt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0「X。，Yc, Zc的原点为原点建立云台坐标系 O1-Xr, Yr, &，所述云台坐标系0「Xp Yr, Zr的\坐标轴与云台水平回转面中的零位重合，Xr 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OfX。，Yc, Zc 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
(a)； (4)建立摄像机坐标系与测头坐标系之间的关系当摄像机对靶标球成像时，设靶标球表面上孔的中心位置在图像中的坐标为(Ui, Vi)，其对应的孔中心在测头坐标系下的坐标为(xti，yti，zti)，建立如下方程
权利要求
1.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。
2.根据权利要求1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。
3.根据权利要求1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。
4.根据权利要求1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勻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。
5.根据权利要求1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。
6.根据权利要求1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。
7.根据权利要求1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。
8.基于权利要求1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0-Xt，Yt, Zt，靶标球表面上孔的中心位置在测头坐标系下的坐标设为(xti，yti, zti)；测量时所使用的球探头中心在0-Xt，Yt，Zt坐标系下的坐标为(Xtp，Ytp，Ztp)；所述球探头中心、靶标球表面上孔的中心位置在0-Xt，Yt, Zt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-Xe,Yc, Zc的原点为原点建立云台坐标系 O1-Xr, Yr, &，所述云台坐标系0「\，Yr, Zr的\坐标轴与云台水平回转面中的零位重合，Xr 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-Xe,Yc, Zc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(a)；(4)建立摄像机坐标系与测头坐标系之间的关系当摄像机对靶标球成像时，设靶标球表面上孔的中心位置在图像中的坐标为(Ui, Vi)，其对应的孔中心在测头坐标系下的坐标为& ，7 ，2 )，建立如下方程COS βsin a sin βcos a sin β-1X"Yr=0cos αsin orζ-sin/ sin a cos βcos a cosβ
9.根据权利要求8所述的基于大空间视觉跟踪6D测量系统的测量方法，其特征在于所述步骤(J)中，测头的姿态角Ψ，θ，φ按(f)式求得
10.根据权利要求8所述的基于大空间视觉跟踪6D测量系统的测量方法，其特征在于 所述靶标球可以独立固定在待测物体上，随物体一起运动，用摄像机跟踪待测物体的姿态和位置六个自由度，测量方法包括以下步骤(1)根据权利要求8的步骤(1)-(5)，求得测头坐标系和摄像机坐标系之间旋转矩阵参数rn，r12,……，r33，测头坐标系原点和摄像机坐标系原点之间的平移矩阵参数tx，ty，tz ；(2)求解待测物体的三个姿态角待测物体的姿态角就是测头坐标系0-Xt，Yt,Zt相对于云台坐标系0「1，Yr, Zr的三个旋转角Ψ，θ，φ表示，用公式(e)和⑴求得；(3)求解待测物体的位置由于靶标球固定在待测物体上，待测物体的位置可以用靶标球球心，即测头坐标系原点相对与云台坐标系的三个坐标(I，Yr, Zr)表示
全文摘要
本发明公开了一种大空间视觉跟踪6D测量系统及测量方法，该系统主要由自变焦视觉跟踪摄像机和彩色伪随机编码六自由度测头组成，利用靶标球上带有彩色伪随机编码表示的孔中心在摄像机成像面上的位置变化来确定测头的姿态和空间位置坐标，实现大尺寸空间六自由度的测量。该系统可以同关节臂坐标测量机组合起来使用，实现局部高精度的测量和定位；也可与电钻等装配设备结合使用，实现大型设备的精确装配。
文档编号G01C1/00GK102288106SQ201010206589
公开日2011年12月21日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者卢荣胜, 史艳琼, 徐岩, 陈琳 申请人:合肥工业大学