专利名称：螺旋桨桨叶螺距测量的新方法
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测量的新方法。
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。因此方便准确地测量螺旋桨桨叶的螺距参数，对于控制螺旋桨制造质量具有 重要意义。目前，螺旋桨桨叶螺距一般通过坐标测量机测量出叶片各点坐标来进行计算得到 的。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。这些坐标测量机是 通过测杆和测量头以直接接触螺旋桨桨叶的方式来获得叶片测量点的几何坐标，因此测量 时需要逐一确定测量的位置。目前，有的坐标测量机还需要人工记录测量数据。由于每个 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。在螺旋桨制造过程中利用现有的坐标测量机进行螺旋桨桨叶测量存在费时费 力问题。在测量过程中，现有坐标测量机由于需要逐一确定每个截面和测量点位置，由此引 起的繁重工作量常常造成人为的测量错误。另外现有坐标测量机测量时测量头需要接触桨 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。另外，现有坐标测量机利用旋转轴系、悬臂梁式横臂和滑动 架来支撑和移动测杆测量头进行螺旋桨不同截面的测量，这种由于自重等因素引起的横臂 等结构非线性变形，也影响测量精度的进一步提高。现有坐标测量机采用的接触式方式进 行螺旋桨桨叶螺距的测量，工作量巨大花费时间长。另外现有坐标测量机接触式测量方式， 还难以为螺旋桨加工过程进行在线测量提供手段。因而，现有技术还有待进一步的改进和 提尚。本发明是有关螺旋桨桨叶螺距测量的新方法。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化测量，还将为确保 螺旋桨制造质量提供新的有效的检测手段。

发明内容
本发明针对现有螺旋桨桨叶螺距测量方法的不足，提出了一种基于图像的螺旋桨桨叶螺距测量新方法，该方法利用图像处理技术及双目视觉成像原理进行螺旋桨桨叶螺距 准确、便捷的非接触式测量。为了达到上述目标，本发明采用的技术方案是利用CCD摄像机构建双目视觉图 像采集系统，获得螺旋桨桨叶的清晰图像，对桨叶图像进行数字化处理，得到桨叶待测点的 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待测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待测点在三维现实世界坐标系的三 维坐标，构建桨叶的三维数字化模型，并利用计算机计算螺旋桨桨叶待测点的螺距。本发明包括螺旋桨桨叶图像的采集、待测点和桨毂圆心点二维图像坐标系像素坐 标获取、待测点和桨毂圆心点三维现实世界坐标系坐标计算、螺旋桨待测点螺距的计算等 几个步骤。本发明包括的步骤如下1)螺旋桨桨叶图像的采集 利用2个CXD摄像机建立双目视觉图像采集系统，必要时采用适当的照明，采集包 含待测点的螺旋桨叶片的2幅图像。2)螺旋桨桨毂圆心点二维图像坐标系像素坐标获取对两幅图像进行图像的数字化处理，并检测螺旋桨桨毂的圆心点，最后获取待测 点和桨毂圆心点的二维图像坐标系像素坐标。3)待测点和桨毂圆心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待测点和桨毂圆心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待测点和桨毂圆心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待测点和桨毂圆心点的三维现实世界坐标 系坐标。4)待测点螺距计算以计算得到的待测点和桨毂圆心点三维现实世界坐标系坐标为基础，确定螺距计 算参考点的三维现实世界坐标系坐标，以此为基础计算桨毂圆心点和待测点与参考点之间 连线的夹角以及桨毂圆心点和待测点之间的相对高度差，计算螺旋桨桨叶待测点的螺距。本发明的优点本发明是以图像为基础进行螺旋桨桨叶待测点螺距的测量，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 在磨损等缺陷。该测量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图；附图3是摄像机成像几何模型示意图；附图4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是螺旋桨桨叶螺距测量新方法的主要步骤，该方法以图像的方法进行测量，首先采集螺旋桨桨叶的图像，然后获取桨叶待测点和桨毂圆心点的二维图像坐标系像素坐 标，并根据双目视觉理论计算待测点和桨毂圆心点的三维现实世界坐标系坐标，以此为基 础计算螺旋桨桨叶的螺距。本发明按照该步骤就可以实现螺旋桨桨叶螺距的测量。图2是螺旋桨桨叶螺距测量的系统结构示意图。螺旋桨桨叶图像通过两台摄像机 L和R采集。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 桨叶片待测点的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 'Ul \Hdx 0 CZ0IfX" 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 = f b/ I Xl-Xk (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示意图，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(X(I，y0, z0)和桨叶待测 点P(Xl，yi，Zl)的三维现实世界坐标系坐标，以此为基础可以确定参考点T的三维现实世界 坐标系坐标，然后计算0P和0T之间的夹角以及参考点T和待测点P之间的相对高度差，并 最终计算螺旋桨桨叶测量点的螺距值。其中待测点所在截面半径r可以通过P点x和y方 向坐标的算术平方根计算得到。待测点螺距的计算如下式所示 其中，Z(1是参考点z方向坐标值，21是测量点z方向坐标值，a是测量点和参考点 之间的夹角。
权利要求
螺旋桨桨叶螺距测量的新方法，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，它包括以下步骤螺旋桨桨叶图像的采集；螺旋桨桨叶待测点二维图像坐标系像素坐标计算；螺旋桨桨叶待测点三维现实世界坐标系坐标计算；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测量的新方法，其特征在于所述的螺旋桨 桨叶待测点二维图像坐标系像素坐标计算的过程中，需要利用计算机数字图像处理算法提 取螺旋桨桨叶待测点的二维图像坐标系像素坐标，主要包括螺旋桨图像的预处理、图像分 害ι]、待测点的分析识别以及待测点二维图像坐标系像素坐标的提取。
3.根据权利要求1所述的螺旋桨桨叶螺距测量的新方法，其特征在于所述的螺旋桨 桨叶待测点和桨毂圆心点的三维现实世界坐标系坐标计算的过程中，包括采集图像的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测量的新方法，其特征在于所述的螺旋桨 桨叶待测点螺距值的计算是以待测点和桨毂圆心点的三维现实世界坐标系坐标为基础，通 过计算机实现桨叶螺距的测量。
全文摘要
一种螺旋桨桨叶螺距的测量新方法，该方法以图像为基础进行螺旋桨桨叶螺距的非接触式测量。它首先利用计算机、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待测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待测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G01B11/14GK101865662SQ20101010601
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, 韩海冰 申请人:陆金桂