本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)測量，尤其涉及一種轉(zhuǎn)軸參數(shù)標(biāo)定方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、旋轉(zhuǎn)測量技術(shù)已在軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，而旋轉(zhuǎn)測量過程中都需要標(biāo)定旋轉(zhuǎn)軸參數(shù)。結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)一次只能測得物體的一個側(cè)面，為了獲得物體完整的空間幾何和表面紋理信息，通常需要從物體的不同角度進行測量，從而產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)掃描方式。對于旋轉(zhuǎn)類零件的測量，利用附加的高精度旋轉(zhuǎn)平臺來旋轉(zhuǎn)零件，便可以獲取完整的表面信息。不同角度測量時的坐標(biāo)系不同，需要將各角度測得的數(shù)據(jù)進行必要的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一坐標(biāo)系中實現(xiàn)最終的三維點云拼接。

2、例如可以通過激光線輪廓儀搭配轉(zhuǎn)臺的方式逐角度掃描物體輪廓，然后再將各輪廓拼接從而得到物體的完整表面信息，這個過程需要對轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸參數(shù)進行標(biāo)定。現(xiàn)有技術(shù)方案一般通過在轉(zhuǎn)臺上固定標(biāo)定板，通過線輪廓儀中的面陣相機獲取轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動過程中的標(biāo)定板圖像，然后根據(jù)面陣相機參數(shù)識別標(biāo)定板的位置和姿態(tài)參數(shù)，根據(jù)標(biāo)定板參數(shù)的變化，計算出轉(zhuǎn)軸的參數(shù)信息。

3、雖然通過標(biāo)定板進行轉(zhuǎn)軸參數(shù)標(biāo)定的方式易于理解和使用，但需要獲取到面陣相機的原始二維圖像以及輪廓儀的內(nèi)部參數(shù)，才能進行轉(zhuǎn)軸參數(shù)標(biāo)定并將轉(zhuǎn)軸相對于面陣相機的參數(shù)轉(zhuǎn)換到線輪廓儀坐標(biāo)系下，應(yīng)用易受到限制，比如輪廓儀提供商并不提供相關(guān)二維圖像接口及輪廓儀內(nèi)部參數(shù)信息，并且鑒于小景深的輪廓儀中面陣相機的行高較小，獲取不到完整的標(biāo)定板圖像的原因，小景深的輪廓儀難以使用標(biāo)定板進行轉(zhuǎn)軸標(biāo)定。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明的目的在于提供一種轉(zhuǎn)軸參數(shù)標(biāo)定方法及系統(tǒng)，通過獲取的標(biāo)準(zhǔn)球輪廓信息和轉(zhuǎn)臺角度信息對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸參數(shù)進行標(biāo)定，并通過重建的標(biāo)準(zhǔn)球和標(biāo)準(zhǔn)圓柱的表面形貌擬合得到尺寸信息，進行轉(zhuǎn)軸參數(shù)優(yōu)化。

2、為了實現(xiàn)上述目的，一種轉(zhuǎn)軸參數(shù)標(biāo)定方法，包括以下步驟：

3、獲取標(biāo)準(zhǔn)球隨轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動期間的多個截面輪廓數(shù)據(jù)和對應(yīng)的轉(zhuǎn)臺角度數(shù)據(jù)；

4、根據(jù)截面輪廓數(shù)據(jù)計算截面中心坐標(biāo)及截面輪廓半徑，并計算標(biāo)準(zhǔn)球中心到截面距離；

5、對截面輪廓半徑及轉(zhuǎn)臺角度建模，并通過模型參數(shù)的擬合結(jié)果對標(biāo)準(zhǔn)球中心到截面距離進行修正，得到標(biāo)準(zhǔn)球中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)集；

6、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)集進行空間平面圓擬合，計算所擬合的空間平面圓的圓心作為轉(zhuǎn)軸錨點；

7、獲取標(biāo)準(zhǔn)球在不同角度下的截面輪廓數(shù)據(jù)進行表面形貌重建，根據(jù)所述轉(zhuǎn)臺角度數(shù)據(jù)，以轉(zhuǎn)軸錨點為基準(zhǔn)，將不同角度的截面輪廓數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中，得到標(biāo)準(zhǔn)球的表面形貌信息；

8、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球的表面形貌信息進行擬合，根據(jù)得到的擬合值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差進行轉(zhuǎn)軸參數(shù)非線性優(yōu)化，將優(yōu)化后的轉(zhuǎn)軸參數(shù)作為標(biāo)定參數(shù)。

9、進一步優(yōu)選的，所述根據(jù)截面輪廓數(shù)據(jù)計算截面中心還包括：

10、將多個截面輪廓數(shù)據(jù)形成第一數(shù)據(jù)集a；

11、將每個截面輪廓數(shù)據(jù)對應(yīng)的轉(zhuǎn)臺角度，形成第二數(shù)據(jù)集；

12、根據(jù)每個截面輪廓數(shù)據(jù)計算出對應(yīng)的截面圓中心的?和截面圓半徑?，將每個截面圓半徑形成第三數(shù)據(jù)集c。

13、進一步優(yōu)選的，所述對截面輪廓半徑及轉(zhuǎn)臺角度建模，包括采用如下公式建立擬合模型：

14、

15、其中，為截面圓半徑，r為標(biāo)準(zhǔn)球半徑、 β表示理想光平面與實際光平面之間的夾角， d表示球心到轉(zhuǎn)軸的距離， h表示轉(zhuǎn)軸到理想光平面的距離；為每個截面圓對應(yīng)的轉(zhuǎn)臺角度；為初始相位角。

16、進一步優(yōu)選的，所述通過模型參數(shù)的擬合結(jié)果對標(biāo)準(zhǔn)球中心到截面距離進行修正，得到標(biāo)準(zhǔn)球中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)集，包括：

17、將獲取每個截面輪廓數(shù)據(jù)時，第二數(shù)據(jù)集b中對應(yīng)的轉(zhuǎn)臺角度和第三數(shù)據(jù)集中對應(yīng)的截面圓半徑，輸入擬合模型進行優(yōu)化，計算模型參數(shù)；

18、根據(jù)得到的模型參數(shù)，判斷標(biāo)準(zhǔn)球中心到截面距離的符號及對應(yīng)的角度范圍；

19、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球中心到截面距離的符號對標(biāo)準(zhǔn)球中心到截面距離重新賦值，得到標(biāo)準(zhǔn)球中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)集。

20、進一步優(yōu)選的，所述通過模型參數(shù)的擬合結(jié)果對標(biāo)準(zhǔn)球中心到截面距離進行修正，包括按照如下條件判斷的符號：

21、當(dāng)?d?>?h?時，轉(zhuǎn)臺角度范圍內(nèi)時對標(biāo)準(zhǔn)球中心到截面距離 ?的符號取反；

22、當(dāng)?d?≤?h?時，維持標(biāo)準(zhǔn)球中心到截面距離符號不變。

23、進一步優(yōu)選的，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)集進行空間平面圓擬合，計算所擬合的空間平面圓的圓心作為轉(zhuǎn)軸錨點包括以下步驟：

24、將所述標(biāo)準(zhǔn)球中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)集進行空間平面擬合；

25、根據(jù)擬合的空間平面法向量，構(gòu)建如下式所示的矢量方程組，采用最小二乘法求解空間平面圓的圓心；

26、

27、其中，是擬合的空間平面法向量，d為常數(shù)，為空間平面圓的圓心，和分別為不同角度下標(biāo)準(zhǔn)球的中心位置。

28、進一步優(yōu)選的，獲取標(biāo)準(zhǔn)球在不同角度下的截面輪廓數(shù)據(jù)進行表面形貌重建，根據(jù)所述轉(zhuǎn)臺角度數(shù)據(jù)，以轉(zhuǎn)軸錨點為基準(zhǔn)，將不同角度的截面輪廓數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中，得到標(biāo)準(zhǔn)球的表面形貌信息；包括：

29、將所述截面輪廓數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系原點平移至轉(zhuǎn)軸錨點處；

30、將截面輪廓數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系，圍繞轉(zhuǎn)軸錨點的法線方向旋轉(zhuǎn)角度；其中，表示獲取當(dāng)前截面輪廓數(shù)據(jù)時轉(zhuǎn)臺角度；

31、將旋轉(zhuǎn)后的截面輪廓數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系原點平移到原位置。

32、進一步優(yōu)選的，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球的表面形貌信息進行擬合，根據(jù)得到的擬合值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差進行轉(zhuǎn)軸參數(shù)非線性優(yōu)化，將優(yōu)化后的轉(zhuǎn)軸參數(shù)作為標(biāo)定參數(shù)，包括以下步驟：

33、s501、設(shè)定轉(zhuǎn)軸參數(shù)初始值和優(yōu)化參數(shù)；

34、s502、重建標(biāo)準(zhǔn)球的表面形貌；

35、s503、根據(jù)表面形貌計算標(biāo)準(zhǔn)球的擬合殘差；

36、s504、判斷擬合殘差是否達到優(yōu)化條件，若是則輸出當(dāng)前轉(zhuǎn)軸參數(shù)，若否則調(diào)整轉(zhuǎn)軸參數(shù)重復(fù)s502-s504。

37、進一步優(yōu)選的，所述重建標(biāo)準(zhǔn)球的表面形貌，根據(jù)表面形貌計算標(biāo)準(zhǔn)球的擬合殘差，包括：

38、以轉(zhuǎn)軸參數(shù)初始值為基準(zhǔn)，重建標(biāo)準(zhǔn)球表面形貌；

39、根據(jù)重建的標(biāo)準(zhǔn)球表面形貌數(shù)據(jù)擬合，得到球心位置擬合值；

40、計算標(biāo)準(zhǔn)球表面形貌數(shù)據(jù)到球心位置擬合值的距離；

41、計算所述距離與標(biāo)準(zhǔn)球的標(biāo)準(zhǔn)半徑的殘差。

42、本發(fā)明還提供一種轉(zhuǎn)軸參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，用于實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)軸參數(shù)標(biāo)定方法的步驟，包括轉(zhuǎn)臺、標(biāo)準(zhǔn)球、線輪廓儀和數(shù)據(jù)處理模塊；

43、所述轉(zhuǎn)臺上固定標(biāo)準(zhǔn)球用于帶動標(biāo)準(zhǔn)球轉(zhuǎn)動并輸出轉(zhuǎn)臺角度數(shù)據(jù)；所述線輪廓儀用于獲取標(biāo)準(zhǔn)球隨轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動期間的多個截面輪廓數(shù)據(jù)；

44、所述數(shù)據(jù)處理模塊用于根據(jù)截面輪廓數(shù)據(jù)計算截面形狀中心坐標(biāo)及截面形狀尺寸，并計算標(biāo)準(zhǔn)球中心到截面距離；

45、對球截面輪廓圓半徑及轉(zhuǎn)臺角度建模，并通過模型參數(shù)的擬合結(jié)果對標(biāo)準(zhǔn)球中心到截面距離進行修正，得到標(biāo)準(zhǔn)球中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)集；

46、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)集進行空間平面圓擬合，計算所擬合的空間平面圓的圓心作為轉(zhuǎn)軸錨點；

47、獲取標(biāo)準(zhǔn)球在不同角度下的截面輪廓數(shù)據(jù)進行表面形貌重建，根據(jù)所述轉(zhuǎn)臺角度數(shù)據(jù)，以轉(zhuǎn)軸錨點為基準(zhǔn)，將不同角度的截面輪廓數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中，得到標(biāo)準(zhǔn)球的表面形貌信息；

48、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球的表面形貌信息進行擬合，根據(jù)得到的擬合值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差進行轉(zhuǎn)軸參數(shù)非線性優(yōu)化，將優(yōu)化后的轉(zhuǎn)軸參數(shù)作為標(biāo)定參數(shù)。

49、本技術(shù)公開的轉(zhuǎn)軸參數(shù)標(biāo)定方法及標(biāo)定系統(tǒng)，相比于現(xiàn)有技術(shù)至少具有以下優(yōu)點：

50、通過標(biāo)準(zhǔn)球在不同角度下的中心位置進行轉(zhuǎn)軸標(biāo)定，相比于現(xiàn)有的標(biāo)定形式不使用標(biāo)定板進行轉(zhuǎn)軸參數(shù)標(biāo)定，不需要獲取激光線輪廓儀中的面陣相機圖像，不存在因為面陣相機的圖像高度產(chǎn)生的標(biāo)定板圖像不完整的問題。直接通過輪廓儀輸出的標(biāo)準(zhǔn)球的輪廓數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)臺角度數(shù)據(jù)進行標(biāo)定和參數(shù)優(yōu)化，不需要獲取輪廓儀的內(nèi)部參數(shù)，提高了對輪廓儀的兼容性。