本发明涉及光笔式坐标测量机技术领域中，为解决光笔系统光靶标位置标定方法操作复杂、精度低的问题，实现光靶标位置精确标定的方法，操作简单可自动化进行，标定精度高，本发明提出的基于三坐标测量机移动光笔的光靶标位置标定方法，借助一台正交式三坐标测量机、一台标定好的工业相机、待标定的光笔以及一台主控计算机实现，将光笔固定在三坐标测量机的测量臂上，调整相机正对三坐标测量空间并保持不动，通过计算机编程控制三坐标测量机探针进行三维阵列式位移，在移动到的每个位置处，记录当前三坐标测量机探针的坐标信息，并结合透视投影成像原理，即可标定计算出光靶标的相对位置关系。本发明主要应用于坐标测量场合。
1.一种基于三坐标测量机移动光笔的光靶标位置标定方法，其特征是，借助一台正交式三坐标测量机、一台标定好的工业相机、待标定的光笔以及一台主控计算机实现，将光笔固定在三坐标测量机的测量臂上，调整相机正对三坐标测量空间并保持不动，通过计算机编程控制三坐标测量机探针进行三维阵列式位移，即带动光笔进行空间移动，在移动到的每个位置处，记录当前三坐标测量机探针的坐标信息，并进行光笔光靶标图像采集，根据三坐标机测量臂移动位置和各个位置处光笔上各个光靶标在像面的的成像点坐标，并结合透视投影成像原理，即可标定计算出光靶标的相对位置关系，将光笔固定在三坐标测量机测量臂上，摆放相机使三坐标测量机工作空间位于相机中心视场附近，通过计算机编程实现测量臂带动光笔进行三维阵列式位移，记录每个位置的处三坐标测量机探针的坐标，并对光笔进行图像采集，光笔上光靶标数目记为NP，三坐标测量机移动的位置点数记为NM，至少3个位置，光靶标在图像上的投影坐标记为(uij,vij)，三坐标测量机移动的位置坐标为(xMj,yMj,zMj)，其中i＝1,2...NP,j＝1,2...NM，则均以第一个位置(xM1,yM1,zM1)做原点的每支新光笔坐标系中，各光靶标的位置坐标即为(xPj,yPj,zPj)＝(xMj,yMj,zMj)-(xM1,yM1,zM1)，设各支新光笔的光靶标在相机坐标系下的坐标为(xCij,yCij,zCij)，各支新光笔坐标系与相机坐标系之间的位置姿态关系参数为(α,β,γ,txi,tyi,tzi)，代表的含义是：首先将相机坐标原点按当前坐标系平移(txi,tyi,tzi)然后以右手螺旋方向为正旋转相机坐标系，先绕x轴旋转α，再绕y轴旋转β，最后绕z轴旋转γ，则此时相机坐标系与光笔坐标系重合，依上述规则有：设相机焦距为f，由光束平差法，可得目标函数：
将已知参数代入目标函数进行最小二乘求解，即得到各支新光笔与相机坐标系的位姿关系(α,β,γ,txi,tyi,tzi)，(txi,tyi,tzi)即代表了原光笔各光靶标在相机坐标系下的位置，将其统一变换到光笔坐标系下，即完成了光笔光靶标位置关系的标定。
基于三坐标测量机移动光笔的光靶标位置标定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光笔式坐标测量机技术领域中，一种结合三坐标测量机实现的光靶标位置标定的新方法。具体涉及基于三坐标测量机移动光笔的光靶标位置标定方法。
背景技术
[0002] 光笔式坐标测量机是一种便携式测量仪器，具有精度高、测量范围广、便携易操作等优良特性，与此同时，还具有出色的隐藏点测量能力，是现代工业制造领域常用的在线测量设备。光笔中光靶标相对位置的参数直接参光笔测量模型求解，其标定精度直接决定了光笔系统测量精度的高低，所以提高光靶标位置标定精度对光笔系统具有重大意义。当前光笔光靶标标定主要有以下几种方法：①对于所有光靶标位于同一个平面的光笔，常采用影像仪进行标定；②对于光靶标分布在多个平面的光笔，一般采用三坐标测量机和影像仪结合的方法，通过三坐标测量机标定出平面间的距离，然后由影像仪标定出各平面内光靶标的二维位置关系，最后转换至同一坐标系内。上述标定方法不仅操作复杂，而且精度低，标定结果重复性差，制约了光笔系统测量精度的提升。
发明内容
[0003] 为了克服现有技术的不足，解决光笔系统光靶标位置标定方法操作复杂、精度低的问题，本发明提出一种结合三坐标测量机、基于机器视觉测量理论，实现光靶标位置精确标定的方法，操作简单可自动化进行，标定精度高，为此，本发明提出的基于三坐标测量机移动光笔的光靶标位置标定方法技术方案是，借助一台正交式三坐标测量机、一台标定好的工业相机、待标定的光笔以及一台主控计算机实现，将光笔固定在三坐标测量机的测量臂上，调整相机正对三坐标测量空间并保持不动，通过计算机编程控制三坐标测量机探针进行三维阵列式位移，即带动光笔进行空间移动，在移动到的每个位置处，记录当前三坐标测量机探针的坐标信息，并进行光笔光靶标图像采集，根据三坐标机测量臂移动位置和各个位置处光笔上各个光靶标在像面的的成像点坐标，并结合透视投影成像原理，即可标定计算出光靶标的相对位置关系。
[0004] 一个实例中，将光笔固定在三坐标测量机测量臂上，摆放相机使三坐标测量机工作空间位于相机中心视场附近。通过计算机编程实现测量臂带动光笔进行三维阵列式位移，记录每个位置的处三坐标测量机探针的坐标，并对光笔进行图像采集，光笔上光靶标数目记为NP，三坐标测量机移动的位置点数记为NM，至少3个位置，光靶标在图像上的投影坐标记为(uij,vij)，三坐标测量机移动的位置坐标为(xMj,yMj,zMj)，其中i＝1,2...NP,j＝1,2...NM，则均以第一个位置(xM1,yM1,zM1)做原点的每支新光笔坐标系中，各光靶标的位置坐标即为(xPj,yPj,zPj)＝(xMj,yMj,zMj)-(xM1,yM1,zM1)，设各支新光笔的光靶标在相机坐标系下的坐标为(xCij,yCij,zCij)，各支新光笔坐标系与相机坐标系之间的位置姿态关系参数为(α,β,γ,txi,tyi,tzi)，代表的含义是：首先将相机坐标原点按当前坐标系平移(txi,tyi,tzi)然后以右手螺旋方向为正旋转相机坐标系，先绕x轴旋转α，再绕y轴旋转β，最后绕z轴旋转γ，则此时相机坐标系与光笔坐标系重合，依上述规则有：
[0005]
[0006] 设相机焦距为f，由光束平差法，可得目标函数：
[0007]
[0008] 将已知参数代入目标函数进行最小二乘求解，即得到各支新光笔与相机坐标系的位姿关系(α,β,γ,txi,tyi,tzi)，(txi,tyi,tzi)即代表了原光笔各光靶标在相机坐标系下的位置，将其统一变换到光笔坐标系下，即完成了光笔光靶标位置关系的标定。
[0009] 本发明的特点及有益效果是：
[0010] 本发明一方面简化了光笔光靶标位置标定工作，可实现自动化标定；另一方面利用了三坐标测量机的高精度优势，结合机器视觉原理实现光笔光靶标的非接触式高精度标定。附图说明：
[0011] 图1是本发明标定方法原理图。
[0012] 图中1.三坐标测量机，2.光笔，3.相机，4.计算机。
具体实施方式
[0013] 本发明提出的光靶标位置标定技术方案是：需要一台正交式三坐标测量机，一台标定好的工业相机、待标定的光笔以及一台主控计算机，将光笔固定在三坐标测量机的测量臂上，调整相机正对三坐标测量空间并保持不动。通过计算机编程控制三坐标测量机探针进行三维阵列式位移，即带动光笔进行空间移动，在移动到的每个位置处，记录当前三坐标测量机探针的坐标信息，并进行光笔光靶标图像采集。将原光笔上每个光靶标移动位置组成的阵列看做是一支新光笔，则这支新光笔上各光靶标间的空间相对位置关系，可由各个位置处三坐标测量机的探针坐标推算出来，与此同时，还能从图像中获得各支新光笔上每个光靶标在像面上投影点坐标。以原光笔各光靶标的第一个位置为各支新光笔坐标原点，建立新光笔坐标系，这样根据各支新光笔光靶标的空间坐标信息和光靶标在像面的成像坐标，便可计算出各支新光笔原点在相机坐标系下的位置，则各个位置的相对距离即为要标定的原光笔各个光靶标间的位置关系。
[0014] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0015] 如图1，将光笔固定在三坐标测量机测量臂上，摆放相机使三坐标测量机工作空间位于相机中心视场附近。通过计算机编程实现测量臂带动光笔进行三维阵列式位移，记录每个位置的处三坐标测量机探针的坐标，并对光笔进行图像采集。光笔上光靶标数目记为NP，三坐标测量机移动的位置点数记为NM，至少3个位置，光靶标在图像上的投影坐标记为(uij,vij)，三坐标测量机移动的位置坐标为(xMj,yMj,zMj)，其中i＝1,2...NP,j＝1,2...NM，则均以第一个位置(xM1,yM1,zM1)做原点的每支新光笔坐标系中，各光靶标的位置坐标即为(xPj,yPj,zPj)＝(xMj,yMj,zMj)-(xM1,yM1,zM1)，设各支新光笔的光靶标在相机坐标系下的坐标为(xCij,yCij,zCij)，各支新光笔坐标系与相机坐标系之间的位置姿态关系参数为(α,β,γ,txi,tyi,tzi)，代表的含义是：首先将相机坐标原点按当前坐标系平移(txi,tyi,tzi)然后以右手螺旋方向为正旋转相机坐标系，先绕x轴旋转α，再绕y轴旋转β，最后绕z轴旋转γ，则此时相机坐标系与光笔坐标系重合，(因为光笔保持固定，所以各支新光笔相对于相机的姿态参数是一样的)，依上述规则有：
[0016]
[0017] 设相机焦距为f，由光束平差法，可得目标函数：
[0018]
[0019] 将已知参数代入目标函数进行最小二乘求解，即可得到各支新光笔与相机坐标系的位姿关系(α,β,γ,txi,tyi,tzi)，(txi,tyi,tzi)即代表了原光笔各光靶标在相机坐标系下的位置，将其统一变换到光笔坐标系下，即完成了光笔光靶标位置关系的标定。
