专利名称：螺旋桨桨叶螺距的自动测量新方法
技术领域：
本发明属于螺旋桨测量相关领域，特别涉及一种基于图像的螺旋桨桨叶螺距非接 触式自动化测量新方法。
背景技术：
螺旋桨为船舶航行提供推力，是船舶推进系统的关键零件。螺旋桨的质量直接影 响着船舶推进效率。为了确保螺旋桨的制造质量，国家技术监督局发布了有关金属螺旋桨 技术要求的国家标准，对包括螺旋桨桨叶螺距等许多技术指标进行了规范。因此在螺旋桨 制造过程中为了控制螺旋桨的质量，需要对螺旋桨桨叶螺距参数进行反复测量。通过螺旋 桨桨叶螺距参数的测量，可以为满足螺旋桨桨叶螺距技术要求而进行桨叶加工量的准确调 整提供依据。因此对螺旋桨桨叶的螺距参数实现方便快速的自动化测量，对于控制螺旋桨 制造质量具有重要意义。目前，螺旋桨桨叶螺距测量的自动化水平不高，螺距测量一般是通过坐标测量机 测量出叶片各点坐标来进行计算得到的。其中，极柱坐标测量机和三坐标测量机是螺旋桨 常用的坐标测量机设备，这些测量机体积巨大，一般是通过测杆和测头直接接触螺旋桨桨 叶的方式来获得叶片测量点的坐标，由于螺旋桨包含多个桨叶，因此在螺旋桨制造过程中 需要对每个桨叶不同的测量截面都进行逐点坐标测量，测量过程费时费力，严重影响了测 量的效率，不能实现自动测量。另外现有坐标测量机测量时测头需要接触桨叶的金属表面， 长期使用造成的磨损也会引起测量误差。因此上述因素影响现有坐标测量机进行螺旋桨桨 叶的准确测量，同时随着现代生产过程自动化水平的提高，应用测量机对螺距进行测量的 方法已经不能适应螺旋桨现代化生产的需要，一种快速、精确的自动化的螺旋桨螺距测量 方法是有着重要意义。本发明是有关螺旋桨桨叶螺距自动化测量的新方法。本发明提出的螺距测量新方 法是利用图像进行螺旋桨桨叶的非接触式和数字化自动测量。利用本发明提出的测量方法 可以方便、快捷地进行螺旋桨桨叶螺距的测量。由于本发明提出的是非接触数字化测量方 法，与现有螺旋桨坐标测量机的原理不同，因此可以解决现有螺旋桨坐标测量机的不足。以 本发明提出的螺旋桨桨叶测量新方法为基础，可以进行螺旋桨桨叶螺距的自动测量，还可 以进行螺旋桨桨叶叶厚、叶宽、重量等多种参数的测量。因此本发明将为确保螺旋桨制造质 量提供了新的有效的检测手段。

发明内容
本发明的目的在于以图像为基础进行螺旋桨桨叶螺距的非接触式全自动化测量。 该方法进行螺旋桨桨叶螺距测量时，不需要直接接触桨叶的金属表面，因而属于非接触式 全自动化测量。为了达到上述目标，本发明采用的技术方案是利用数字投影仪将计算机自动生 成的投影点阵投射在待测螺旋桨表面，利用CCD摄像机获得螺旋桨桨叶的图像，对桨叶图像进行数字化处理，得到所有投影点的二维图像坐标系像素坐标，利用经过标定的摄像机模型进行桨叶所有投影点二维像素坐标向三维现实世界坐标系的映射，根据双目视觉理论 计算得到所有投影点在三维现实世界坐标系的三维坐标，构建桨叶的三维坐标模型，并利 用计算机计算螺旋桨桨叶的螺距。本发明包括投影点阵的计算机生成及桨叶图像的采集、所有投影点二维图像坐标 系像素坐标获取、所有投影点三维现实世界坐标系坐标计算、螺旋桨桨叶三维坐标模型的 构建以及桨叶螺距的计算等几个步骤。本发明包括的步骤如下1)投影点阵的计算机生成及桨叶图像的采集根据叶片形状通过计算机编程生成点阵，利用投影仪将点阵投射在待测螺旋桨桨 叶表面，利用2个CCD摄像机建立双目视觉图像采集系统，必要时采用适当照明，分别采集 包含投影点的桨叶叶面和叶背图像各2幅。2)投影点二维图像坐标系像素坐标获取针对采集到的桨叶叶面和叶背的图像，进行图像的数字化处理，以此获取所有投 影点的二维图像坐标系像素坐标。3)投影点三维现实世界坐标系坐标计算根据摄像机成像模型、摄像机坐标系和三维现实世界坐标系之间的变换关系，建 立反映螺旋桨桨叶表面所有投影点像素坐标与三维现实世界坐标关系的投影矩阵，通过投 影矩阵的标定建立以像素坐标为基础的所有投影点三维现实世界坐标系坐标的计算模型。 利用双目视觉原理计算得到所有投影点的三维现实世界坐标系坐标。4)螺旋桨桨叶三维坐标模型的构建以桨叶叶面和叶背表面投影点的三维现实世界坐标系坐标为基础，对叶背表面投 影点的三维坐标进行变换，使其与螺旋桨桨叶叶面表面投影点的三维坐标形成一一对应的 相对位置关系，构建螺旋桨桨叶的三维坐标模型。5)投影点螺距计算以构建的螺旋桨桨叶三维坐标模型为基础，计算桨毂圆心点和当前投影点连线与 桨毂圆心点和当前投影点相邻点之间连线的夹角以及相邻点和当前投影点之间的相对高 度差，根据螺旋桨桨叶螺距计算公式利用计算机计算投影点的螺距。本发明的优点本发明是以图像为基础进行螺旋桨桨叶螺距的非接触式自动化测 量，因此本发明具有非接触式和数字化测量的优点。本发明不需要直接接触桨叶的金属表 面，不存在测头磨损等缺陷。该方法可以方便地实现螺旋桨桨叶螺距的自动测量，因此，本 发明可以为缩短螺旋桨加工周期、降低生产成本提供有效的测量手段。


附图1是螺旋桨桨叶螺距自动测量新方法的步骤；附图2是螺旋桨桨叶螺距测量系统结构示意图；
附图3是摄像机成像模型示意图； 附图4是螺旋桨桨叶螺距计算示意图。
具体实施例方式以下结合附图，说明本发明提出的基于图像方法的螺旋桨桨叶螺距自动测量的新 方法，其技术原理及具体实施方法如下
图1是螺旋桨桨叶螺距自动测量方法的主要步骤，该方法以图像的方法进行测 量，首先通过计算机编程生成投影点阵投射在螺旋桨表面并采集图像，然后获取桨叶叶面 和叶背表面所有投影点的二维图像坐标系像素坐标，并根据双目视觉理论计算所有投影点 三维现实世界坐标系坐标，以此为基础构建螺旋桨桨叶的三维坐标模型并计算桨叶重量。 本发明按照该步骤就可以实现螺旋桨桨叶螺距的自动测量。图2是螺旋桨桨叶螺距自动测量的系统结构示意图。通过数字投影仪将计算机自 动生成的点阵投射在螺旋桨桨叶表面，利用两台摄像机L和R采集图像。在摄像机坐标系统 中，摄像机L和R的X轴重合，Y轴和Z轴分别相互平行，Z轴方向为摄像机光轴方向，L和 R坐标系中坐标轴方向一致，并且XOY面平行于图像平面，同时将摄像机L和R的原点(光 心)偏移量固定。这就保证了两个摄像机坐标系统中螺旋桨叶片投影点的Z轴方向坐标的 一致性以及测量系统的确定性。图3为摄像机成像模型示意图，该模型中包含三维现实世界坐标系OwXwYwZw、摄像 机坐标系o。x。Y。z。、图像坐标系OtlUV (单位为像素)、图像物理坐标系O1XY (单位为毫米)。桨 叶的成像过程就是以上四个坐标系之间的转换过程。本发明中，依据双目成像理论计算所 有投影点的深度信息，实现二维图像坐标系坐标到三维现实世界坐标系坐标的计算。记(U，V)为二维图像坐标系像素坐标；(X，Y)为图像物理坐标系坐标；(X。，Yc, Zc) 为二维图像坐标系像素坐标；(xw，Yw，Zw)为现实世界坐标系三维坐标，各坐标系之间的计算 关系如下1) 二维图像坐标系像素坐标与图像物理坐标系坐标计算关系
其中，(U0, V0)为图像物理坐标系XO1Y的坐标圆点，dx、dy分别为像面上每个像素 沿X轴和Y轴方向的物理尺寸。2)记投影点在左右图像中的物理坐标系坐标分别为(Xl，YL)和(XK，YK)，根据双目 摄像机成像理论，摄像机坐标系坐标与图像物理坐标系坐标的关系如下f/Zc = Xl /Xcf/Zc = Xe/ (Xc-b)f/Zc = Yh/Yc = YK/YC由此，可以计算得到该投影点的深度信息Zc = fb/1 Xl-Xe I(2)其中，f为本发明测量系统中所用摄像机的焦距，b为左右摄像机光心的距离。3)三维现实世界坐标系坐标与摄像机坐标系坐标计算关系 其中，R是3*3的旋转矩阵，T是3*1的平移矩阵，0 = (0，0，0)τ。因此，图像坐标系二维像素坐标与现实世界坐标系三维坐标之间的计算关系如下 本发明中，首先设定摄像机标定模板，以摄像机的成像模型为基础，根据标定点的 像素坐标和三维现实世界坐标系坐标的对应关系，求解摄像机的内外参数(即旋转矩阵R 和平移矩阵T)并计算镜头的畸变系数。然后应用图像坐标系二维像素坐标与现实世界坐 标系三维坐标之间的计算关系，计算所有投影点的三维现实世界坐标系坐标。图4是螺旋桨桨叶螺距计算原理图，以如图4中的实例来说明，在本发明的测量方 法中，螺旋桨桨叶螺距计算的方法描述如下首先以图像为基础计算得到螺旋桨桨毂圆心 点0(Χο，10，Z0)和桨叶投影点PU1, I1, Z1)的三维现实世界坐标系坐标，选择相邻点T(χ2， I2, Z2)为螺距计算的参考点，然后计算OP和OT之间的夹角以及参考点T和投影点P之间 的相对高度差，并最终计算螺旋桨桨叶投影点的螺距值。如下式所示Ρ=\^-[ζ2-ζΛ\
a其中，Ztl是参考点ζ方向坐标值，21是测量点ζ方向坐标值，α是投影点和参考点 之间的夹角。
权利要求
螺旋桨桨叶螺距的自动测量新方法，其特征是以图像为基础进行螺旋桨桨叶螺距的非接触式测量，包括以下步骤投影点阵的计算机生成及桨叶图像的采集；所有投影点二维图像坐标系像素坐标获取；所有投影点三维现实世界坐标系坐标计算；螺旋桨桨叶数字化模型的构建；螺旋桨桨叶螺距的计算。
2.根据权利要求1所述的螺旋桨桨叶螺距的自动测量新方法，其特征在于所述的螺 旋桨桨叶所有投影点的二维图像坐标系像素坐标的计算，通过计算机生成投影点阵投射在 螺旋桨桨叶表面，利用CCD摄像机采集待测螺旋桨桨叶的图像，应用计算机数字图像处理 算法提取螺旋桨桨叶所有投影点的二维图像坐标系像素坐标。
3.根据权利要求1所述的螺旋桨桨叶螺距的自动测量新方法，其特征在于所述的螺 旋桨桨叶所有投影点的三维现实世界坐标系坐标计算的过程中，包括采集螺旋桨桨叶图像 的CXD摄像机的标定、摄像机畸变模型的矫正、三维现实世界坐标系坐标的计算。
4.根据权利要求1所述的螺旋桨桨叶螺距的自动测量新方法，其特征在于所述的螺 旋桨桨叶螺距的计算是以计算得到的螺旋桨桨叶所有投影点的三维现实世界坐标系坐标 为基础，通过计算机实现螺旋桨桨叶螺距的计算。
全文摘要
一种螺旋桨桨叶螺距的自动测量新方法，该方法以图像为基础进行螺旋桨桨叶螺距的非接触式自动测量。它首先利用计算机、投影仪、摄像机等设备采集螺旋桨桨叶的图像，然后以数字图像处理技术为基础获取桨叶所有投影点的二维图像坐标系坐标，之后应用摄像机标定模型计算桨叶所有投影点的三维现实世界坐标系坐标，最后通过计算机计算螺旋桨桨叶的螺距。
文档编号G01B11/14GK101865661SQ201010106009
公开日2010年10月20日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者张建德, 陆金桂, 陈凤馨 申请人:陆金桂