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結構光三維雙視覺標定點發生方法及裝置的制作方法

時間:2023-11-02    作者: 管理員

專利名稱:結構光三維雙視覺標定點發生方法及裝置的制作方法
技術領域
本發明涉及一種用于檢測的結構光三維雙視覺標定點發生的方法及裝置。
視覺檢測廣泛地應用于工件的完整性、表面平整度的測量;微電子器件(IC芯片、PC板、BGA)等的自動檢測;軟質、易脆零部件的檢測;各種模具三維形狀的檢測;機器人的視覺導引等。在諸多的視覺檢測方法中,結構光三維視覺以其大量程、大視場、測量速度快、光條圖像易于提取及較高精度等特點在工業環境中得到了愈來愈廣泛的應用。最具有吸引力地是由視覺傳感器陣列組成的大型物體(如航空構件等)空間三維尺寸多傳感器視覺檢測系統。這種系統柔性好,測量為非接觸式,動態響應快,能滿足大量生產“節拍”短的要求,而且整個測量過程高度自動化。
對于由視覺傳感器陣列組成的多傳感器視覺檢測系統,其關鍵問題是需建立傳感器坐標系與檢測系統的整體坐標系的關系,即全局標定。而全局標定的關鍵技術之一是標定點的發生。
目前比較實用的用于結構光三維多視覺結構參數標定的標定點發生方法主要是拉絲法。該方法是在測量區域拉起若干條細絲,每個視覺傳感器的光平面均與細絲產生一交點,該交點即為標定點。每個標定點的坐標及其之間的相互坐標關系由兩臺電子經緯儀獲取。但是,此種方法存在著如下缺點①不能實現標定點圖像位置的高精度提取。同時兩臺電子經緯儀獲取標定點物坐標的精度較低,一般在0.05mm左右。
②在兩個視覺傳感器相對放置的情況下,由于“盲區”問題,不能直接產生標定點,而是通過兩臺電子經緯儀的移動來實現,因此造成了測量誤差。
③需要多次坐標系的轉換,在坐標系的轉換過程中必然損失掉一些測量精度。
因此,由于上述問題的存在,目前結構光三維多視覺檢測精度在0.5-1mm左右,標定點的精度較低。
本發明的目的是,提供一種操作方便,精度高的用于結構光三維雙視覺全局標定的標定點發生方法及其裝置。
本發明的技術解決方案是,以高精度三維移動臺為底座,由控制器控制能夠在空間X、Y、Z三個方向上移動,其載物安裝面上固定一個雙向光電瞄準裝置,瞄準裝置由兩個圓錐形的瞄準孔和兩個光電三極管以及放大電路、壓蓋、壓墊及螺釘組成,光電三極管固定于壓蓋內的瞄準孔中,且與壓墊上的放大電路相接,壓蓋與壓墊由螺釘組合在一起。其標定點的發生方法是(1)將雙向光電瞄準裝置固定于三維移動臺上,接通移動臺電源,然后再接通右(或左)側視覺檢測系統的激光器及CCD攝像機的電源,發射線結構光;(2)控制移動臺移動,使雙向光電瞄準裝置右(或左)側瞄準孔位于對應右(或左)側視覺檢測系統的樣本采集范圍的起點處,并使雙向光電瞄準裝置的右(或左)側瞄準孔位于結構光的光條區域內;(3)然后沿移動臺Y向微調移動臺,使雙向光電瞄準裝置右(或左)側光電三極管的輸出電壓最大,此時,光條中心與右瞄準孔中心重合,可由移動臺獲取其當前空間三維物坐標;然后關閉激光器,采集圖像,精確提取孔心的像坐標,這樣便獲得一個標定點數據對(空間物坐標和像坐標);(4)控制移動臺沿移動臺Z向移動預定的步長,重復步驟(3),提取瞄準孔孔心的像坐標,并讀取三維移動臺的坐標作為瞄準孔孔心的三維物坐標,這樣便獲得又一個標定點數據對;(5)重復步驟(4),直至在預定的Z向采集范圍內采集到足夠的標定點數據。
(6)控制移動臺沿移動臺X向移動預定的步長,重復步驟(3),提取瞄準孔孔心的像坐標,并讀取三維移動臺的坐標作為瞄準孔孔心的三維物坐標,這樣便獲得又一個標定點數據對;(7)重復步驟(6),直至在預定的X向采集范圍內采集到足夠的標定點數據。
(8)重復步驟(4)、(5)、(6)、(7),直到在整個標定點采集平面范圍內采集到足夠的標定點數據。
本發明的優點是,采用一雙向光電瞄準裝置,配合一高精度的三維移動臺,并采用有效的雙向光電瞄準裝置安裝誤差修正方法,獲取了用于結構光三維雙視覺全局標定的標定點;本發明的裝置由兩個圓錐形的瞄準孔和兩個光電三極管以及放大電路、相應的壓蓋、壓墊及螺釘組成雙向光電瞄準裝置。該瞄準裝置上的兩個瞄準孔之間的位置關系在設計時已經預先設定,并且由高精密的機械加工來保證。假設光平面從兩側分別以α(α為入射光與瞄準孔軸心的夾角)角入射于瞄準孔,且設光平面截面為高斯分布,其寬度約等于瞄準孔的直徑。當雙向光電瞄準裝置中硅光電三極管的輸出電壓最大時,光平面中心與瞄準孔中心精確重合。調整光平面盡量以α=0入射于瞄準孔。瞄準孔采用圓錐形,可以減少孔壁的擋光,并使得孔瞄準邊緣變的更加尖銳,從而能夠精確提取瞄準孔的孔中心圖像坐標。精度為5μm的三維移動臺,在空間X、Y、Z三個方向上的移動范圍均為300mm。它由一個控制器控制,可以以最小步長5μm在空間三個方向上移動。由于在采集完右側視覺檢測系統的標定點,再進行采集左側視覺檢測系統的標定點時,移動臺的原點并沒有重新設置,即在標定點采集過程中,只在初始時設定一個坐標原點,建立坐標系,而后移動臺所有移動后得到的三維物坐標均是在這唯一的坐標系下的物坐標,因此,操作簡便,檢測誤差小,精度高。本發明的構思巧妙,操作方便,其實現裝置的結構設計簡單合理,標定點的圖像坐標精度為0.15個像素,標定點的全局物坐標精度為0.015mm。


圖1為現有技術示意圖;圖2為本發明發生裝置示意圖;圖3為本發明雙向光電瞄準裝置示意圖;圖4為本發明三維移動臺示意圖;圖5為本發明理想安裝俯視示意圖;圖6為本發明安裝偏角俯視示意圖;圖7為本發明安裝偏角(θ)獲取方法示意圖。
圖3為雙向光電瞄準裝置的結構圖。圖中,17為左側圓錐形瞄準孔,用于對準并接收左側結構光條。19為左側光電三極管,用于在光照下產生光電流。21為左側壓蓋,23為左側壓墊。25為左側螺釘,27為左側放大電路,把光電流轉換成電壓輸出;18為右側圓錐形瞄準孔,用于對準并接收右側結構光條;20為右側光電三極管,用于在光照下產生光電流;24為右側壓墊,22為右側壓蓋。26為右側螺釘,28為右側放大電路,把光電流轉換成電壓輸出。
圖4是用來與雙向光電瞄準裝置配合,提供標定點的空間物坐標的三維移動臺,其中29為X軸導軌。30為Y軸導軌。31為Z軸導軌。
圖2是整個結構光三維雙視覺標定點發生裝置的結構框圖。三維空間坐標系的定義如圖中所示。其中9、10為激光投射器。11、12為CCD攝像機,實現場景圖像的獲取。13為雙向光電瞄準裝置。14為三維移動臺。15為圖像采集卡。16為計算機,控制及數據處理。
標定點的發生方法如下(1)將雙向光電瞄準裝置13固定于三維移動臺14上,接通移動臺電源,然后再接通右側視覺檢測系統的激光器10及CCD攝像機12的電源,發射線結構光;(2)控制移動臺14移動,使雙向光電瞄準裝置13右側瞄準孔18位于對應右側視覺檢測系統的樣本采集范圍的起點處,并使雙向光電瞄準裝置13的右側瞄準孔18位于結構光的光條區域內;(3)然后沿移動臺Y向微調移動臺,使雙向光電瞄準裝置13右側光電三極管20的輸出電壓最大,此時,光條中心與右瞄準孔18的中心重合,可由移動臺獲取其當前空間三維物坐標。然后關閉激光器10,采集圖像,精確提取孔心的像坐標,這樣便獲得一個標定點數據對(空間物坐標和像坐標);(4)控制移動臺沿移動臺Z向移動預定的步長,重復步驟(3),提取瞄準孔孔心的像坐標,并讀取三維移動臺的坐標作為瞄準孔孔心的三維物坐標,這樣便獲得又一個標定點數據對;(5)重復步驟(4),直至在預定的Z向采集范圍內采集到足夠的標定點數據;(6)控制三維移動臺沿X向移動預定的步長,重復步驟(4)、(5);(7)重復步驟(6),直至在右側預定的采集范圍內采集到足夠的標定點數據,所獲數據均輸入計算機16,關掉右側的激光器10和CCD攝像機12的電源;這樣就獲得了對應于右側視覺傳感器的全部標定點數據。
(8)打開左側的激光器9和CCD攝像機11的電源,發射線結構光;(9)控制移動臺14移動,使雙向光電瞄準裝置13位于對應左側視覺檢測系統的樣本采集范圍的起點處,使雙向光電瞄準裝置13的左側瞄準孔17位于結構光的光條區域內;(10)然后沿移動臺Y向微調移動臺14的位置,使雙向光電瞄準裝置13左側光電三極管19的輸出電壓最大,此時,光條中心與左側瞄準孔17中心重合,可由移動臺獲取其當前物坐標。然后關閉激光器9,采集圖像,精確提取孔心的像坐標,這樣即可獲得一個標定點數據對(空間物坐標和像坐標);(11)控制移動臺沿移動臺Z向移動預定的步長,重復步驟(10);(12)重復步驟(11),直至在預定的Z向采集范圍內采集到足夠的標定點數據;(13)控制三維移動臺沿X向移動預定的步長,重復步驟(10)(11)、(12);
(14)重復步(13)驟,直至在左側預定的采集范圍內采集到足夠的標定點數據。關掉左側的激光器9和CCD攝像機11的電源;所獲數據均輸入計算機16。
(15)將移動臺復位,回到初始原點處。
至此,獲得了對應于左右兩側雙視覺傳感器的全部標定點數據。
在獲取左側視覺檢測系統的標定點時,三維移動臺給出的物坐標實際上是右側瞄準孔中心的三維物坐標。由于左右兩個的兩個瞄準孔的孔心同處于雙向光電瞄準裝置的中心對稱豎直平面內,并且它們之間的位置尺寸關系在設計時已經給定并由精密的機械加工保證,因此左側瞄準孔的孔心三維物坐標需要通過下述進一步的換算才能獲得,也即全局坐標的統一。
在理想情況下,雙向光電瞄準裝置的軸線與由移動臺的Z向移動軸所決定的物坐標系的Z向軸線平行,如圖5所示,其中32為三維移動臺的載物安裝面。33為雙向光電瞄準裝置。則雙向光電瞄準裝置兩側瞄準孔之間的空間相對位置關系如下所示 而在非理想情況下,安裝后雙向光電瞄準裝置的軸線與由移動臺的Z向移動軸所決定的物坐標系的Z向軸線存在夾角θ,見圖6,其中32為三維移動臺的載物安裝面。33為雙向光電瞄準裝置。
圖6中,P1,P3分別為兩個瞄準孔孔心點。則雙向光電瞄準裝置兩側瞄準孔孔心之間的空間相對位置關系如下所示 式(1)、(2)中,(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2)分別為采集左側標定點時,右側瞄準孔孔心和左側瞄準孔孔心的三維物坐標。h為兩側瞄準孔孔心在移動臺X向的空間高度差。
雙向光電瞄準裝置安裝偏角(θ)獲取方法如圖7所示,其中32為三維移動臺的載物安裝面。33為雙向光電瞄準裝置。34為標記點。具體方法如下(1)放置于一CCD攝像機,其光軸垂直于YOZ平面。采集一幅圖像,這樣可測得雙向光電瞄準裝置的軸向;(2)在雙向光電瞄準裝置表面上貼一標記點,由CCD攝像機獲取標記點的位置,記為位置A;(3)使三維移動臺沿Z軸移動一定的距離,再由CCD攝像機獲取標記點的位置,記為位置B;(4)A、B連線即為三維移動臺Z軸方向,至此安裝偏角即可獲得。
由于安裝偏角θ、h和L均為已知量,按照(2)式計算左側瞄準孔孔心的三維物坐標(X2,Y2,Z2),這樣就很容易地實現了全局坐標的統一,并且標定點的精度很高。
權利要求
1.一種用于檢測的結構光三維雙視覺標定點發生方法,其特征是(1)將雙向光電瞄準裝置固定于三維移動臺上,接通移動臺電源,然后再接通右(或左)側視覺檢測系統的激光器及CCD攝像機的電源,發射線結構光;(2)控制移動臺移動,使雙向光電瞄準裝置右(或左)側瞄準孔位于對應右(或左)側檢測系統的樣本采集范圍的起點處,并使雙向光電瞄準裝置的右(或左)側瞄準孔位于結構光的光條區域內;(3)然后沿Y向微調移動臺,使雙向光電瞄準裝置右(或左)側光電三極管的輸出電壓最大,此時,光條中心與右瞄準孔中心重合,可由移動臺獲取其當前空間三維物坐標;然后關閉激光器,采集圖像,精確提取孔心的像坐標,這樣便獲得一個標定點數據對(空間物坐標和像坐標);(4)控制移動臺沿移動臺Z向移動預定的步長,重復步驟(3),提取瞄準孔孔心的像坐標,并讀取三維移動臺的坐標作為瞄準孔孔心的三維物坐標,這樣便獲得又一個標定點數據對;(5)重復步驟(4),直至在預定的Z向采集范圍內采集到足夠的標定點數據。(6)控制移動臺沿移動臺X向移動預定的步長,重復步驟(3),提取瞄準孔孔心的像坐標,并讀取三維移動臺的坐標作為瞄準孔孔心的三維物坐標,這樣便獲得又一個標定點數據對;(7)重復步驟(6),直至在預定的X向采集范圍內采集到足夠的標定點數據;(8)重復步驟(4)、(5)、(6)、(7),直到在整個標定點采集平面范圍內采集到足夠的標定點數據。
2.根據權利要求1所述的結構光三維雙視覺標定點發生方法,其特征是,獲取光電瞄準裝置安裝偏角(θ)的方法是(1)放置一CCD攝像機,使其光軸垂直于YOZ平面,采集一幅圖像,這樣可測得雙向光電瞄準裝置的軸向;(2)在雙向光電瞄準裝置表面上貼一標記點,由CCD攝像機獲取標記點的位置,記為位置A;(3)使三維移動臺沿Z軸移動一定的距離,再由CCD攝像機獲取標記點的位置,記為位置B;(4)A、B連線即為三維移動臺Z軸方向,至此安裝偏角即可獲得。
3.一種結構光三維雙視覺標定點發生裝置,其特征是,以高精度三維移動臺為底座,由控制器控制能夠在空間X、Y、Z三個方向上移動,其上方的載物安裝面上固定一個雙向光電瞄準裝置,瞄準裝置由兩個圓錐形的瞄準孔和兩個光電三極管以及放大電路、壓蓋、壓墊及螺釘組成,光電三極管固定于壓蓋內的瞄準孔中且與壓墊上的放大電路相接,壓蓋與壓墊由螺釘組合在一起。
全文摘要
本發明涉及一種用于檢測的結構光三維雙視覺標定點發生方法及裝置。裝置由一雙向光電瞄準裝置和一三維移動臺組成,移動移動臺,使雙向光電瞄準裝置兩側瞄準孔孔心分別在其樣本采集范圍內,與對應側激光投射器的結構光光條中心重合,由移動臺獲取孔心物坐標,CCD攝像機獲取孔心像坐標;用CCD攝像機獲取雙向光電瞄準裝置的軸向和三維移動臺Z向軸。這樣便獲得雙向光電瞄準裝置的安裝偏角。像坐標精度為0.015像素,物坐標精度為0.005mm。
文檔編號G01N21/01GK1384351SQ0111565
公開日2002年12月11日 申請日期2001年4月30日 優先權日2001年4月30日
發明者張廣軍, 李鑫, 魏振忠, 賀俊吉 申請人:北京航空航天大學

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