一种筒体嵌套装配对中的视觉测量引导装置、方法及系统

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种筒体嵌套装配对中的视觉测量引导装置、方法及系统。

背景技术

筒柱状结构件被广泛地应用在管道工程、冶金、航空航天制造业等行业。筒柱状结构件两端往往需要复杂的连接、装配或密封等工作，特别是特种装备制造行业，筒柱状结构件分段的同轴对接装配工艺直接关系到整体装备的质量。为满足工厂自动化生产线对对接精度和生产效率的需求，急需开发一种引导筒柱状结构件实现高精度同轴对接的技术方法。

在航空航天制造业的总装环节中，现有的装配方法一般有两种：(1)传统的对接装配模式是将待对接的两个舱段分别放置到对接装配架车的托架上，通过人眼观察，手动调节托架高度和舱段角度，使两个舱段对接面上的螺钉、定位销及定位销孔准确配合。这种装配模式需要多人参与，对接效率取决于操作人员的经验和水平。(2)采用激光跟踪仪(LTS)作为测量手段，采用3自由度定位器(3-DOF positioner)或6自由度对称并联机构Stewart平台对工件位姿进行调整，此类方法在一些小型舱段的对接装配时，每次装配均需要重复舱段放置在并联台上、安装靶球、调姿对接、拆卸靶球以及移动舱段的过程。这显然要比人工装配更为繁琐且消耗操作人员的体力。因此，上述技术不适宜在生产流水线上的连续装配。

发明内容

本发明的目的是提供一种筒体嵌套装配对中的视觉测量引导装置、方法及系统，具有非接触、成本低、速度快、精度以及自动化程度高等优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

第一方面，本发明实施例提供的一种筒体嵌套装配对中的视觉测量引导装置，包括：多个测量单元和一个集成化处理器；

所述测量单元，用于在满足预设条件时获取目标图像；所述目标图像为基准筒体的对接端位置与被测筒体的对接端位置的图像；所述预设条件为多个所述测量单元分布在所述基准筒体的外围，且多个所述测量单元均位于与所述被测筒体垂直的平面上；所述平面为所述基准筒体的对接端的横截面所在的平面；

所述集成化处理器，用于基于三角测量法处理多个所述测量单元获取的目标图像，确定所述基准筒体的对接端与所述被测筒体的对接端之间的偏差，并基于所述偏差输出位姿调节指令；所述位姿调节指令为移动所述被测筒体的指令。

可选地，所述视觉测量引导装置至少包括3个所述测量单元，且每个所述测量单元均包括图像传感器和光源。

可选地，所述测量单元中的图像传感器为相机；所述测量单元中的光源为线光源；在所述基于三角测量法处理多个所述测量单元获取的目标图像，确定所述基准筒体的对接端与所述被测筒体的对接端之间的偏差方面，所述集成化处理器，用于：

在图像坐标系下，基于所述线光源在所述基准筒体和所述被测圆筒上的像素坐标，计算像素级竖向距离和像素级横向距离；所述像素级竖向距离为在所述图像坐标系下的被测圆筒轴向移动距离，所述像素级横向距离为所述被测圆筒与所述基准圆筒之间的径向高度差；

基于所述像素级竖向距离、所述像素级横向距离以及三角测量法，确定在基准坐标系下所述基准圆筒与所述被测圆筒之间的实际竖向距离和实际横向距离；所述基准坐标系是以基准筒体端面的圆心为原点，以所述基准筒体的纵轴为Z轴，以所述基准筒体的水平轴为X轴，以所述基准筒体的竖直轴为Y轴建立的三维坐标系；

以所述基准坐标系的原点为第一圆心坐标，基于所述实际竖向距离和所述实际横向距离，计算所述基准坐标系下的第二圆心坐标；所述第一圆心坐标为所述基准筒体的对接端的横截面的圆心坐标；所述第二圆心坐标为所述被测筒体的对接端的横截面的圆心坐标；

根据所述第一圆心坐标和所述第二圆心坐标，计算圆心偏差；

以所述基准坐标系的Z轴方向为所述基准筒体的轴向向量，根据所述第二圆心坐标，计算所述基准坐标系下所述被测筒体的轴向向量，并基于所述基准筒体的轴向向量和所述被测筒体的轴向向量，计算轴向偏差；

其中，所述基准筒体的对接端与所述被测筒体的对接端之间的偏差包括圆心偏差和轴向偏差。

可选地，所述图像传感器设置有成像透镜；在所述基于所述像素级竖向距离、所述像素级横向距离以及三角测量法，确定在基准坐标系下所述基准圆筒与所述被测圆筒之间的实际竖向距离和实际横向距离方面，所述集成化处理器，用于：

根据公式

根据公式ΔS＝k·Δs计算各个所述测量单元位置处所述基准圆筒与所述被测圆筒之间的实际横向距离；

其中，ΔD表示实际竖向距离，Δd表示像素级横向距离，L表示每个所述测量单元的工作距离，l表示每个所述测量单元的像距，θ表示所述光源发射的光在基准筒体表面的入射角，α为所述相机和成像透镜光轴之间的角度；

ΔS表示实际横向距离，Δs表示像素级竖向距离，k表示在对所述相机标定时确定的图像像素距离与实际距离之间的比例值。

可选地，在所述基于所述偏差输出位姿调节指令方面，所述集成化处理器，用于：

判断是否满足偏差条件；所述偏差条件包括：所述轴向偏差小于向量检测阈值且所述圆心偏差小于圆心检测阈值；

若否，则输出位姿调节指令，并更新所述目标图像。

可选地，所述位姿调节指令包括第一调节指令和第二调节指令；在所述基于所述偏差输出位姿调节指令方面，所述集成化处理器，用于：

判断所述轴向偏差是否小于向量检测阈值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述轴向偏差小于所述向量检测阈值，则判断所述圆心偏差是否小于圆心检测阈值，得到第二判断结果；

若所述第一判断结果表示所述轴向偏差大于或者等于所述向量检测阈值，则输出第一调节指令，并更新所述目标图像；所述第一调节指令用于在所述基准坐标系的X轴方向上，移动所述被测筒体；

若所述第二判断结果表示所述圆心偏差大于或者等于所述圆心检测阈值，则输出第二调节指令，并更新所述目标图像；所述第二调节指令用于在所述基准坐标系的X轴方向上和Y轴方向上，移动所述被测筒体。

可选地，还包括移动组件；

在工作状态下，将所述被测筒体放置在所述移动组件上，所述移动组件，用于：根据接收到的所述位姿调节指令移动所述被测筒体。

第二方面，本发明实施例提供了一种筒体嵌套装配对中的视觉测量引导方法，包括：

在满足预设条件时获取目标图像；所述目标图像为基准筒体的对接端位置与被测筒体的对接端位置的图像；所述预设条件为多个测量单元分布在所述基准筒体的外围，且多个所述测量单元均位于与所述被测筒体垂直的平面上；所述平面为所述基准筒体的对接端的横截面所在的平面；

基于三角测量法处理多个所述测量单元获取的目标图像，确定所述基准筒体的对接端与所述被测筒体的对接端之间的偏差，并基于所述偏差输出位姿调节指令；所述位姿调节指令为移动所述被测筒体的指令。

第三方面，本发明实施例提供了一种筒体嵌套装配对中的视觉测量引导系统，包括：

目标图像获取单元，用于在满足预设条件时获取目标图像；所述目标图像为基准筒体的对接端位置与被测筒体的对接端位置的图像；所述预设条件为多个测量单元分布在所述基准筒体的外围，且多个所述测量单元均位于与所述被测筒体垂直的平面上；所述平面为所述基准筒体的对接端的横截面所在的平面；

位姿调节指令确定单元，用于基于三角测量法处理多个所述测量单元获取的目标图像，确定所述基准筒体的对接端与所述被测筒体的对接端之间的偏差，并基于所述偏差输出位姿调节指令；所述位姿调节指令为移动所述被测筒体的指令。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种筒体嵌套装配对中的视觉测量引导装置、方法及系统，相比于传统的视觉方法，本发明不需要在被测筒体上粘贴标记物，测量单元安装简单且体积小，实现了无接触测量。本发明通过图像处理技术和三角测量法能够准确的输出调节指令，实现基准筒体和被测筒体的高效、精确对中。因此，本发明具有高速度、高精度、自动化程度高等优势，适宜在生产流水线上的连续装配。且本发明作为一种非接触的光学测量技术，该发明操作简单，精度高且非常的经济，因此非常适合各种圆截面筒状物体的对中测量和引导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的筒体嵌套装配对中的视觉测量引导装置结构框图；

图2为本发明实施例提供的基准坐标系的选取以及测量单元布置示意图；

图3为本发明实施例提供的三角测量法的原理图；

图4为本发明实施例提供的移动组件结构示意图；

图5为本发明实施例提供的位姿调整逻辑示意图；

图6为本发明实施例提供的测量单元实物图；

图7为本发明实施例提供的测试结果图；

图8为本发明实施例提供的筒体嵌套装配对中的视觉测量引导方法的流程图；

图9为本发明实施例提供的筒体嵌套装配对中的视觉测量引导系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着科技的不断进步，采用激光或图像等计算机测量方法已成为自动化研究领域的热点之一。随着各应用领域的迅速发展，适用于漫反射表面的三角测量法逐渐成为一种广泛使用的非接触测量手段。三角测量法是一种利用三角原理的非接触式测量方法，被广泛应用于工业生产现场，其主要优点是光路设计简单、精度高、速度快、实时处理能力强、使用灵活、适用面广等。三角测量法的测距原理是利用光源发射出的结构光投射在被测筒体表面，形成光斑，在另一角度放置一个透镜，光斑通过透镜成像到光电探测器上，当被测筒体相对测距仪发生位移时，光电探测器上的光斑成像位置也会发生相对变化，获取光电探测器光斑位置位移量即可得到被测筒体的位移。

本发明基于三角测量法的测距原理，提出了一种全新的测量与引导系统，即一种筒体嵌套装配对中的视觉测量引导装置、方法及系统，具有非接触、成本低、速度快、精度以及自动化程度高等优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

本发明实施例的目的是针对现有的技术缺陷和设备的局限性，以及圆截面筒体嵌套装配对中技术的迫切的需求，提出了一种基于三角测量法的多相机视觉测量引导装置，即一种筒体嵌套装配对中的视觉测量引导装置。该装置是一种非接触式的光学测量装置，可以应用于各种圆筒或者类圆筒状结构的对中测量。

如图1所示，本发明实施例提供的一种筒体嵌套装配对中的视觉测量引导装置，包括：多个测量单元和一个集成化处理器；

所述测量单元，用于在满足预设条件时获取目标图像；所述目标图像为基准筒体的对接端位置与被测筒体的对接端位置的图像；所述预设条件为多个所述测量单元分布在所述基准筒体的外围，且多个所述测量单元均位于与所述被测筒体垂直的平面上；所述平面为所述基准筒体的对接端的横截面所在的平面。

所述集成化处理器，用于基于三角测量法处理多个所述测量单元获取的目标图像，确定所述基准筒体的对接端与所述被测筒体的对接端之间的偏差，并基于所述偏差输出位姿调节指令；所述位姿调节指令为移动所述被测筒体的指令，即通过位姿调节指令使所述被测筒体到达指定位置，实现基准筒体和被测筒体的嵌套装配对中。

作为一种优选的实施方式，本发明实施例提供的所述视觉测量引导装置至少包括3个所述测量单元，且每个所述测量单元均包括图像传感器和光源，并在工作状态下3个测量单元在基准筒体周向上分布。

作为一种优选的实施方式，本发明实施例所述的测量单元中的图像传感器为相机；所述测量单元中的光源为线光源。

如图2所示，所述目标图像包括第一圆(图2中的A)和第二圆(图2中的B)；所述第一圆用于表征所述基准筒体的对接端位置，所述第二圆用于表征所述被测筒体的对接端位置。

在控制测量单元和相机标定方面，所述集成化处理器，用于：

依次打开n个测量单元，使目标图像实时显示在显示屏上。调节相机位姿及光圈并对焦，使基准筒体和被测筒体在视场中清晰成像。对各相机进行标定，得到图像像素距离与真实距离之间的比例关系k。

基于三角测量法处理多个所述测量单元获取的目标图像，确定所述基准筒体的对接端与所述被测筒体的对接端之间的偏差，所述集成化处理器，用于：

在图像坐标系下，基于所述线光源在所述基准筒体和所述被测圆筒上的像素坐标，计算像素级竖向距离和像素级横向距离；所述像素级竖向距离为在所述图像坐标系下的被测圆筒轴向移动距离，所述像素级横向距离为所述被测圆筒与所述基准圆筒之间的径向高度差。

基于所述像素级竖向距离、所述像素级横向距离以及三角测量法，确定在基准坐标系下所述基准圆筒与所述被测圆筒之间的实际竖向距离和实际横向距离；所述基准坐标系是以基准筒体端面的圆心为原点，以所述基准筒体的纵轴为Z轴，以所述基准筒体的水平轴为X轴，以所述基准筒体的竖直轴为Y轴建立的三维坐标系。

以所述基准坐标系的原点为第一圆心坐标，基于所述实际竖向距离和所述实际横向距离，计算所述基准坐标系下的第二圆心坐标；所述第一圆心坐标为所述基准筒体的对接端的横截面的圆心坐标；所述第二圆心坐标为所述被测筒体的对接端的横截面的圆心坐标。

根据所述第一圆心坐标和所述第二圆心坐标，计算圆心偏差。

以所述基准坐标系的Z轴方向为所述基准筒体的轴向向量，根据所述第二圆心坐标，计算所述基准坐标系下所述被测筒体的轴向向量，并基于所述基准筒体的轴向向量和所述被测筒体的轴向向量，计算轴向偏差。

其中，所述基准筒体的对接端与所述被测筒体的对接端之间的偏差包括圆心偏差和轴向偏差。

进一步地，所述图像传感器设置有成像透镜；基于所述像素级竖向距离、所述像素级横向距离以及三角测量法，确定在基准坐标系下所述基准圆筒与所述被测圆筒之间的实际竖向距离和实际横向距离，所述集成化处理器，用于：

根据公式

根据公式ΔS＝k·Δs(2)计算各个所述测量单元位置处所述基准圆筒与所述被测圆筒之间的实际横向距离。

其中，ΔD表示实际竖向距离，Δd表示像素级横向距离，L表示每个所述测量单元的工作距离，l表示每个所述测量单元的像距，θ表示所述光源发射的光在基准筒体表面的入射角，α为所述相机和成像透镜光轴之间的角度。

ΔS表示实际横向距离，Δs表示像素级竖向距离，k表示在对所述相机标定时确定的图像像素距离与实际距离之间的比例值。

进一步地，基于所述实际竖向距离和所述实际横向距离，计算所述基准坐标系下第二圆心坐标，所述集成化处理器，用于：

确定在所述基准坐标系下所述基准筒体的对接端的坐标值，即由测量单元的相对位置可得到基准筒体靠近被测筒体一端圆上的坐标，为：

(R

其中，γ

基于所述实际竖向距离、所述实际横向距离以及确定的所述基准筒体的对接端的坐标值，计算在所述基准坐标系下所述被测筒体的对接端的坐标值，即：

((R

基于计算得到的所述被测筒体的对接端的坐标值，确定第二圆心坐标。

以三个均匀分布的测量单元为例，设定被测筒体的对接端上的坐标为(x

将三个方程联立，同时消去R

将上述三个方程分别表示为：

由式(7)可得关于圆心空间坐标的线性代数方程组，解得圆心坐标为：

从而得到被测筒体的圆心坐标，即第二圆心坐标为(x

当测量单元n大于三个时，可在n个测量单元中选择任意三个测量单元计算出对应的被测筒体的圆心坐标，多次测量后采用最小二乘法拟合出准确的圆心坐标。

进一步地，根据所述第二圆心坐标，计算所述基准坐标系下所述被测筒体的轴向向量，所述集成化处理器，用于：

以三个均匀分布的测量单元为例，设定测得的被测筒体靠近基准筒体端头上坐标，即被测筒体对接端上的坐标为(x

(a,b,c)＝((x

由式(9)计算可得：

基准筒体的中心轴即为过基准筒体表面圆圆心的法线方程，因此轴线方程为：

当测量单元n大于三个时，可在n个测量单元中选择任意三个测量单元计算出对应的被测筒体轴线方程，多次测量后采用最小二乘法拟合出准确的轴线方程。

进一步地，基于所述偏差输出位姿调节指令，所述集成化处理器，用于：

判断是否满足偏差条件；所述偏差条件包括：所述轴向偏差小于向量检测阈值且所述圆心偏差小于圆心检测阈值；若否，则输出位姿调节指令，并更新所述目标图像；若是，则停止工作。

或者，所述位姿调节指令包括第一调节指令和第二调节指令；基于所述偏差输出位姿调节指令，所述集成化处理器，用于：

判断所述轴向偏差是否小于向量检测阈值，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述轴向偏差小于所述向量检测阈值，则判断所述圆心偏差是否小于圆心检测阈值，得到第二判断结果；若所述第一判断结果表示所述轴向偏差大于或者等于所述向量检测阈值，则输出第一调节指令，并更新所述目标图像；所述第一调节指令用于在所述基准坐标系的X轴方向上，移动所述被测筒体。

若所述第二判断结果表示所述圆心偏差大于或者等于所述圆心检测阈值，则输出第二调节指令，并更新所述目标图像；所述第二调节指令用于在所述基准坐标系的X轴方向和Y轴方向上，移动所述被测筒体。若所述第二判断结果表示所述圆心偏差小于所述圆心检测阈值，则停止工作。

作为一种优选的实施方式，本发明实施例提供的筒体嵌套装配对中的视觉测量引导装置还包括如图4所示的移动组件。

在工作状态下，将所述被测筒体放置在所述移动组件上，所述移动组件，用于：根据接收到的所述位姿调节指令移动所述被测筒体。

如图6所示，根据测量的精度要求设定合适的向量检测阈值θ

现在以圆截面筒体为例，来说明一种圆截面筒体嵌套装配对中的视觉测量引导装置的操作过程为：

1、以两个圆截面筒体中的一个圆截面筒体为基准筒体，另一个圆截面筒体为被测筒体。在基准筒体上设置基准坐标系Oxyz，基准筒体的纵轴为Z轴，竖直轴为Y轴，水平轴为X轴。

2、在与基准筒体的对接端的横截面垂直的平面内布置3个测量单元，其实物如图6所示，即将3个测量单元固定在基准筒体外围的钢架上，3个测量单元彼此之间的夹角均为120°，如图2所示。

3、先调整测量单元与基准筒体之间的工作距离，然后调节测量单元中相机的焦距，接着对相机进行标定，具体为：首先打开光源，然后调节相机光圈并对焦使被测筒体和基准筒体在视场内清晰成像，以在光源照射基准筒体的对接端位置与被测筒体的对接端时，能够获取表征基准筒体的对接端位置与被测筒体的对接端位置的图像；接着通过基准筒体表面部分工件的已知尺寸对相机进行标定，以获得图像像素距离与实际距离之间的比例关系。

4、与电机建立通讯联系。

5、把各测量单元得出的基准筒体端部坐标统一在步骤1设置的坐标系下，并计算基准筒体端部对应点的坐标。

6、分别启动各个测量单元，对基准筒体和被测筒体端部的相对对接位置进行测量，测得两个线段的竖向距离Δd和横向距离Δs。利用三角测量法得到被测筒体与基准筒体的真实竖向距离ΔD。根据图像像素距离与实际距离之间的比例关系计算出真实横向距离ΔS。再根据步骤5中的基准筒体端部对应点的坐标和ΔD和ΔS计算被测筒体端部上对应点的坐标。

7、根据测量单元测得的被测筒体端面n个点坐标分别计算出被测筒体的轴线方程和圆心，并根据轴线方程和圆心计算偏差；接着根据这个偏差调节对应的电机，电机驱动两个托架不断调整被测筒体的位姿，使被测筒体的轴线以及圆心与基准筒体一致，完成一次测量和对中引导。

8、重复步骤6-7，当测量所得的基准筒体和被测筒体的同轴度小于装配误差时，完成视觉对中引导。测量结束。电机驱动被测筒体前进，完成两个基准筒体和被测筒体对接，对接结果如图7所示。

实施例二

如图8所示，本发明实施例提供的一种筒体嵌套装配对中的视觉测量引导方法，包括：

步骤100：在满足预设条件时获取目标图像；所述目标图像为基准筒体的对接端位置与被测筒体的对接端位置的图像；所述预设条件为多个测量单元分布在所述基准筒体的外围，且多个所述测量单元均位于与所述被测筒体垂直的平面上；所述平面为所述基准筒体的对接端的横截面所在的平面。

步骤200：基于三角测量法处理多个所述测量单元获取的目标图像，确定所述基准筒体的对接端与所述被测筒体的对接端之间的偏差，并基于所述偏差输出位姿调节指令；所述位姿调节指令为移动所述被测筒体的指令。

实施例三

如图9所示，本发明实施例提供的一种筒体嵌套装配对中的视觉测量引导系统，包括：

目标图像获取单元300，用于在满足预设条件时获取目标图像；所述目标图像为基准筒体的对接端位置与被测筒体的对接端位置的图像；所述预设条件为多个测量单元分布在所述基准筒体的外围，且多个所述测量单元均位于与所述被测筒体垂直的平面上；所述平面为所述基准筒体的对接端的横截面所在的平面。

位姿调节指令确定单元400，用于基于三角测量法处理多个所述测量单元获取的目标图像，确定所述基准筒体的对接端与所述被测筒体的对接端之间的偏差，并基于所述偏差输出位姿调节指令；所述位姿调节指令为移动所述被测筒体的指令。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法、系统而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。