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CN109000572A - 一种圆柱直径检测方法 - Google Patents

一种圆柱直径检测方法 Download PDF

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CN109000572A CN201811080871.3A CN201811080871A CN109000572A CN 109000572 A CN109000572 A CN 109000572A CN 201811080871 A CN201811080871 A CN 201811080871A CN 109000572 A CN109000572 A CN 109000572A
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王德麾
李海博
赵志建
裴宏亮
王可
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/08—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种圆柱直径检测方法，包括以下步骤：S1.对激光发射器和摄像机组成的线结构光系统进行标定；S2.通过激光器向圆柱体投射两条相交的激光线，在圆柱体上留下两条相交的曲线，利用摄像机采集两条曲线对应的视觉图像；S3.计算两条曲线在圆柱面上相交时，圆柱面在相交点的法向量；S4.计算圆柱的直径。本发明提供了一种圆柱直径检测方法，只需要一个相机和任意方向两条相交的线结构光就可检测出圆柱体的直径，具有操作简单，成本低，精度高的优势。

Description

一种圆柱直径检测方法
技术领域
本发明涉及圆柱直径检测，特别是涉及一种基于主动式光学测量的圆柱直径检测方法。
背景技术
日常生活中的线圈，轴，水杯等物品都可以近似为圆柱体。在加工生产中，对圆柱体零件直径的自动检测是非常重要的环节，是个性化智能制造、的重要组成部分。为保证圆柱体零件的精密性，常需要对圆柱体直径进行检测，目前的圆柱体直径测量方法主要分为接触式测量和非接触式测量。
目前接触式测量的主要方式是技术人员使用专业的测量仪器进行测量，如游标卡尺，千分尺等，接触式测量需要人来完成量测工作，效率低，严重影响了生产加工的效率。此外，某些加工生产中，不允许接触工件，因此不能广泛的应用于生产加工中。目前非接触式测量的主要方式包括，激光三角法、电涡流法、超声测量法、机器视觉测量等，但是对测量仪器本成本高，对测量环境有严格的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种圆柱直径检测方法，只需要一个相机和任意方向两条相交的线结构光就可检测出圆柱体的直径，具有操作简单，成本低，精度高的优势。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种圆柱直径检测方法，包括以下步骤：
S1.对激光发射器和摄像机组成的线结构光系统进行标定；
S2.通过激光器向圆柱体投射两条相交的激光线，在圆柱体上留下两条相交的曲线，利用摄像机采集两条曲线对应的视觉图像；
S3.计算两条曲线在圆柱面上相交时，圆柱面在相交点的法向量
S301.测量得到第一条曲线上一系列点的三维坐标：根据机器视觉技术，空间任意圆柱面与空间任意平面相交的一段曲线上一系列点的三维坐标为：
o1＝(Xw1,Yw1,Zw1),o2＝(Xw2,Yw2,Zw2),...,on＝(Xwn,Ywn,Zwn)；
S302.根据测量的到的三维坐标，利用最小二乘法拟合平面，即空间中与圆柱面相交形成该曲线的平面，其平面方程为Z＝AX+BY+CZ+D，法向量
S303.在空间任取两点O＝(X0,Yo,Zo)，W＝(Xw,Yw,Zw)满足平面方程 Z＝A X+B Y+C-；
设O为原点，以OW为X轴，与之垂直为Y轴，法向量为Z轴建立一个新的三维坐标系XYZ，其与世界坐标系XwYwZw之间满足如下关系：
式中，R为3×3的旋转矩阵，T为3×1的平移矩阵；
S304.在平面Z中再以O为原点，OW为x轴，Y轴为y轴建立坐标系xoy,o1,o2,...,on点在xoy中的坐标为o1＝(x1,y1)，o2＝(x2,y2)，o3＝(x3,y3),...,on＝(xn,yn)，由几何关系得到
X1＝x1,X2＝x2,...,Xn＝xn，且o1,o2,...,on在平面Z中的曲线为椭圆，拟合得到如下方程：
ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0；
S305.若曲线上一点om＝(xt,yt)，满足ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0，求出在平面Z中om点的切向量(xq,yq)；
S306.将om点切向量在XYZ坐标系中表示为(xq,yq,0)，通过R和T求得om在XwYwZw坐标系下的切向量
S307.按照步骤S3测量得到第二条曲线上一系列点的三维坐标，并按照步骤S4～S8则求得其平面S的法向量曲线上任意一点on的在XwYwZw坐标系下的切向量当om与on重合，即两条曲线在圆柱面上相交时，求得圆柱面在相交点的法向量
S4.由几何关系得到：圆柱的中心向量以为法向量的任意长度长建立一个平面，则o1,o2,...,on在该平面上的投影点拟合得到一个圆的方程，进而求得该圆的半径r，该半径即为圆柱体的半径R，圆柱直径D＝2R。
进一步地，所述步骤S1中的标定内容包括摄像机内参和光平面相对摄像机的位置。
进一步地，所述摄像机内参包括相机焦距、主点和畸变系数。
本发明的有益效果是：本发明只需要一个相机和任意方向两条相交的线结构光就可检测出圆柱体的直径，具有操作简单，成本低，精度高的优势。
附图说明
图1为线结构光测量示意图；
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本发明中，基于结构光方法进行圆柱直径检测，结构光方法是一种主动式光学测量技术，基本原理是由结构光投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器(如摄像机)获得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标；线结构光系统由激光发射器和摄像机组成，测量方式如图1所示；本发明基于结构光方法进行圆柱直径检测的过程如下。
如图2所示，一种圆柱直径检测方法，包括以下步骤：
S1.对激光发射器和摄像机组成的线结构光系统进行标定；
S2.通过激光器向圆柱体投射两条相交的激光线，在圆柱体上留下两条相交的曲线，利用摄像机采集两条曲线对应的视觉图像；
S3.计算两条曲线在圆柱面上相交时，圆柱面在相交点的法向量
S301.测量得到第一条曲线上一系列点的三维坐标：根据机器视觉技术，空间任意圆柱面与空间任意平面相交的一段曲线上一系列点的三维坐标为：
o1＝(Xw1,Yw1,Zw1),o2＝(Xw2,Yw2,Zw2),...,on＝(Xwn,Ywn,Zwn)；
S302.根据测量的到的三维坐标，利用最小二乘法等方法拟合平面，即空间中与圆柱面相交形成该曲线的平面，其平面方程为Z＝AX+BY+CZ+D，法向量
S303.在空间任取两点O＝(X0,Yo,Zo)，W＝(Xw,Yw,Zw)满足平面方程 Z＝A X+B Y+C-；
设O为原点，以OW为X轴，与之垂直为Y轴，法向量为Z轴建立一个新的三维坐标系XYZ，其与世界坐标系XwYwZw之间满足如下关系：
式中，R为3×3的旋转矩阵，T为3×1的平移矩阵；
S304.在平面Z中再以O为原点，OW为x轴，Y轴为y轴建立坐标系xoy,o1,o2,...,on点在xoy中的坐标为o1＝(x1,y1)，o2＝(x2,y2)，o3＝(x3,y3),...,on＝(xn,yn)，由几何关系得到
X1＝x1,X2＝x2,...,Xn＝xn，且o1,o2,...,on在平面Z中的曲线为椭圆，拟合得到如下方程：
ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0；
S305.若曲线上一点om＝(xt,yt)，满足ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0，求出在平面Z中om点的切向量(xq,yq)；
S306.将om点切向量在XYZ坐标系中表示为(xq,yq,0)，通过R和T求得om在XwYwZw坐标系下的切向量
S307.按照步骤S3测量得到第二条曲线上一系列点的三维坐标，并按照步骤S4～S8则求得其平面S的法向量曲线上任意一点on的在XwYwZw坐标系下的切向量当om与on重合，即两条曲线在圆柱面上相交时，求得圆柱面在相交点的法向量
S4.由几何关系得到：圆柱的中心向量以为法向量的任意长度长建立一个平面，则o1,o2,...,on在该平面上的投影点拟合得到一个圆的方程，进而求得该圆的半径r，该半径即为圆柱体的半径R，圆柱直径D＝2R。
在本申请的实施例中，所述步骤S1中的标定内容包括摄像机内参和线结构光传感器结构参数(光平面方程)；该实施例中的标定主要指结构参数的标定，即光平面相对摄像机的位置；该实施例中，所述摄像机内参包括相机焦距、主点和畸变系数。
综上，本发明只需要一个相机和任意方向两条相交的线结构光就可检测出圆柱体的直径，具有操作简单，成本低，精度高的优势。
需要说明的是，本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种圆柱直径检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.对激光发射器和摄像机组成的线结构光系统进行标定；
S2.通过激光器向圆柱体投射两条相交的激光线，在圆柱体上留下两条相交的曲线，利用摄像机采集两条曲线对应的视觉图像；
S3.计算两条曲线在圆柱面上相交时，圆柱面在相交点的法向量
S301.测量得到第一条曲线上一系列点的三维坐标：根据机器视觉技术，空间任意圆柱面与空间任意平面相交的一段曲线上一系列点的三维坐标为：
o1＝(Xw1,Yw1,Zw1),o2＝(Xw2,Yw2,Zw2),...,on＝(Xwn,Ywn,Zwn)；
S302.根据测量的到的三维坐标，利用最小二乘法拟合平面，即空间中与圆柱面相交形成该曲线的平面，其平面方程为Z＝AX+BY+CZ+D，法向量
S303. 在空间任取两点O＝(X0,Yo,Zo),W＝(Xw,Yw,Zw)满足平面方程
设O为原点，以OW为X轴，与之垂直为Y轴，法向量为Z轴建立一个新的三维坐标系XYZ，其与世界坐标系XwYwZw之间满足如下关系：
式中，R为3×3的旋转矩阵，T为3×1的平移矩阵；
S304.在平面Z中再以O为原点，OW为x轴，Y轴为y轴建立坐标系xoy,o1,o2,...,on点在xoy中的坐标为o1＝(x1,y1)，o2＝(x2,y2)，o3＝(x3,y3),...,on＝(xn,yn)，由几何关系得到X1＝x1,X2＝x2,...,Xn＝xn，且o1,o2,...,on在平面Z中的曲线为椭圆，拟合得到如下方程：
ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0；
S305.若曲线上一点om＝(xt,yt)，满足ax2+bxy+cy2+dx+ey+f＝0，求出在平面Z中om点的切向量(xq,yq)；
S306.将om点切向量在XYZ坐标系中表示为(xq,yq,0)，通过R和T求得om在XwYwZw坐标系下的切向量
S307.按照步骤S3测量得到第二条曲线上一系列点的三维坐标，并按照步骤S4～S8则求得其平面S的法向量曲线上任意一点on的在XwYwZw坐标系下的切向量当om与on重合，即两条曲线在圆柱面上相交时，求得圆柱面在相交点的法向量
S4.由几何关系得到：圆柱的中心向量以为法向量的任意长度长建立一个平面，则o1,o2,...,on在该平面上的投影点拟合得到一个圆的方程，进而求得该圆的半径r，该半径即为圆柱体的半径R，圆柱直径D＝2R。
2.根据权利要求1所述的一种圆柱直径检测方法，其特征在于：所述步骤S1中的标定内容包括摄像机内参和光平面相对摄像机的位置。
3.根据权利要求2所述的一种圆柱直径检测方法，其特征在于：所述摄像机内参包括相机焦距、主点和畸变系数。
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