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1、(10)申请公布号 CN 102980542 A (43)申请公布日 2013.03.20 CN 102980542 A *CN102980542A* (21)申请号 201210429184.4 (22)申请日 2012.10.31 G01B 21/00(2006.01) (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路 92 号 (72)发明人 李醒飞 谭文斌 陈诚 王星 姚旺 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 温国林 (54) 发明名称 一种多传感器联合标定方法 (57) 摘要 一种多传感器联合标定方法， 涉及传感器标 定， 所。
2、述方法包括以下步骤 ： 利用圆孔靶标件对 相机参数进行标定 ； 利用标准球对接触式测头进 行标定 ； 相机与接触式测头的联合标定 ； 经过本 方法的数据处理完成对微小结构几何尺寸与形位 误差的测量 ； 实现了对微小结构的测量和定位， 扩大了实际应用中的范围， 满足了实际应用中的 需要。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 1/1 页 2 1. 一种多传感器联合标定方法， 其特征在于， 所述方法包括以下步骤 ： 利用圆孔靶标件对相机参数进行标定 ； 。
3、利用标准球对接触式测头进行标定 ； 相机与接 触式测头的联合标定 ； 其中， 所述相机与接触式测头的联合标定具体为 ： 1） 相机回到初始位置， 接触式测头的测端在相机中成像， 获取成像图像 ； 2） 将成像图像的拟合圆心 O(YI,ZI) 作为参与标定的特征点， 对相机初始位置进行标 定， 获取相机初始位置标定结果 ； 测量机坐标为 (XM,YM,ZM)， 相机和测量机之间的线性关系具体为 ： XM=XI+a0； YM=b0+a1YI+a2ZI； ZM=c0+b1YI+b2ZI； 其中 a0、 b0和 c0分别表示从图像坐标系到测量机坐标系的平移量 ； a1、 b1、 a2和 b2表示 图像。
4、坐标系到测量机坐标系的旋转矩阵中的参数 ； YI向和ZI向构成的平面与圆孔靶标件所 在平面平行， 且两个平面之间的距离为物方焦距， YI向和 ZI向相互垂直， XI向垂直于 YI向 和 ZI向构成的平面 ； 3） 根据相机初始位置标定结果和相机随运动机构运动的运动量 (X, Y, Z) 获取 最终标定结果 ； 2. 根据权利要求 1 所述的一种多传感器联合标定方法， 其特征在于， 所述利用圆孔靶 标件对相机参数进行标定具体为 ： 1) 圆孔靶标件固定不动， 相机固定在运动机构上且沿 YI向和 ZI向作二维的平移运动， 将圆孔靶标件的圆心作为特征点， 分别记录每个位置上运动机构坐标值和特征点图像。
5、平面 坐标值 ； 2） 利用运动机构坐标值和特征点图像平面坐标值之间的对应关系对相机进行标定。 3. 根据权利要求 2 所述的一种多传感器联合标定方法， 其特征在于， 所述分别记录每 个位置上运动机构坐标值和特征点图像平面坐标值具体为 ： 通过光栅尺或激光干涉仪获取运动机构坐标值， 对圆孔靶标件的图像作亚像素细分、 采用最小二乘拟合圆心的方法得到特征点图像平面坐标值。 权 利 要 求 书 CN 102980542 A 2 1/5 页 3 一种多传感器联合标定方法 技术领域 0001 本发明涉及传感器标定， 特别涉及一种多传感器联合标定方法。 背景技术 0002 在多传感器系统中， 多传感器配准。
6、技术是其中一项关键技术。所谓配准是指将来 自不同传感器的信息转换到一个公共系统的过程中， 使得由于时空校准、 坐标系转换、 传感 器自身位置信息偏移以及探测偏移等原因引起的系统误差最小化， 控制传感器系统的稳定 度， 从而保证后续的多传感器数据集成能够正确、 有效地实现。 为得到各传感器坐标系间的 相对位置和方向的转换关系， 需要进行多传感器的联合标定。 0003 现有技术中通常采用平面标定板对相机进行单独标定， 通过采集平面标定板的图 像分析出图像中圆孔的位置与实际的差别， 来标定出相机的畸变参数等。 0004 发明人在实现本发明的过程中， 发现现有技术中至少存在以下缺点和不足 ： 0005。
7、 机械零件往往设计有凹槽、 倒角或圆心角小于 20 度的短圆弧等精密的微小结构， 为封存润滑液体提供了专门的通道也方便了零件的安装配合。 这些微小结构的端面常为面 特征， 由于端面反光、 端面倾斜等原因， 现有多传感器标定技术所采集到的轮廓图像不能准 确反映端面所在位置， 即无法准确地对这些结构的边缘位置进行测量。 发明内容 0006 本发明提供了一种多传感器联合标定方法， 实现了对微小结构的测量和定位， 扩 大了实际应用中的范围， 满足了实际应用中的需要， 详见下文描述 ： 0007 一种多传感器联合标定方法， 所述方法包括以下步骤 ： 0008 利用圆孔靶标件对相机参数进行标定 ； 利用标。
8、准球对接触式测头进行标定 ； 相机 与接触式测头的联合标定 ； 0009 其中， 所述相机与接触式测头的联合标定具体为 ： 0010 1） 相机回到初始位置， 接触式测头的测端在相机中成像， 获取成像图像 ； 0011 2） 将成像图像的拟合圆心 O(YI,ZI) 作为参与标定的特征点， 对相机初始位置进行 标定， 获取相机初始位置标定结果 ； 0012 测量机坐标为 (XM,YM,ZM)， 相机和测量机之间的线性关系具体为 ： 0013 XM=XI+a0； YM=b0+a1YI+a2ZI； ZM=c0+b1YI+b2ZI； 0014 其中 a0、 b0和 c0分别表示从图像坐标系到测量机坐标。
9、系的平移量 ； a1、 b1、 a2和 b2 表示图像坐标系到测量机坐标系的旋转矩阵中的参数 ； YI向和ZI向构成的平面与圆孔靶标 件所在平面平行， 且两个平面之间的距离为物方焦距， YI向和 ZI向相互垂直， XI向垂直于 YI 向和 ZI向构成的平面 ； 0015 3） 根据相机初始位置标定结果和相机随运动机构运动的运动量 (M, Y, Z) 获取最终标定结果 ； 说 明 书 CN 102980542 A 3 2/5 页 4 0016 0017 所述利用圆孔靶标件对相机参数进行标定具体为 ： 0018 1) 圆孔靶标件固定不动， 相机固定在运动机构上且沿 YI向和 ZI向作二维的平移 运。
10、动， 将圆孔靶标件的圆心作为特征点， 分别记录每个位置上运动机构坐标值和特征点图 像平面坐标值 ； 0019 2） 利用运动机构坐标值和特征点图像平面坐标值之间的对应关系对相机进行标 定。 0020 所述分别记录每个位置上运动机构坐标值和特征点图像平面坐标值具体为 ： 0021 通过光栅尺或激光干涉仪获取运动机构坐标值， 对圆孔靶标件的图像作亚像素细 分、 采用最小二乘拟合圆心的方法得到特征点图像平面坐标值。 0022 本发明提供的技术方案的有益效果是 ： 本方法通过对相机和接触式测头的标定有 效地将各传感器和不同坐标系下的测量数据转换到统一的测量机坐标系中， 解决了多传感 器的配准问题。该方。
11、法精确地确定了接触式测头与相机图像坐标值的对应关系， 在对含有 面特征的微小结构进行测量时， 利用相机采集非面结构部分的坐标信息， 使用接触式测头 采集面结构部分坐标信息， 并将采集到的信息统一到一个坐标系中， 经过数据处理完成对 微小结构几何尺寸与形位误差的测量 ； 实现了对微小结构的测量和定位， 扩大了实际应用 中的范围， 满足了实际应用中的需要。 附图说明 0023 图 1 是某型多传感器集合测量机示意图 ； 0024 图 2 是圆孔靶标件示意图 ； 0025 图 3 是实际像点与理想像点坐标的示意图 ； 0026 图 4 是 U 向畸变的示意图 ； 0027 图 5 是 V 向畸变的示。
12、意图 ； 0028 图 6 是标定触发式测头的标准球及标定策略示意图 ； 0029 图 7 是测端及其拟合圆心的图像 ； 0030 图 8 是测端球心在图像坐标系的示意图 ； 0031 图 9 是一种多传感器联合标定方法的流程图。 0032 附图中所列部件列表如下所示 ： 0033 1 ： 主轴 ； 2 ： 接触式探头 ； 0034 3 ： 大理石工作台 ； 4 ： 相机 ； 0035 5 ： 纵向线性模组 ； 6 ： 横向线性模组 ； 0036 7 ： 标准球。 具体实施方式 0037 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。 说 明。
13、 书 CN 102980542 A 4 3/5 页 5 0038 为了实现对微小结构的测量和定位， 扩大实际应用中的范围， 满足实际应用中的 需要， 本发明实施例提出了一种多传感器联合标定方法， 详见下文描述 ： 0039 101 ： 利用圆孔靶标件对相机参数进行标定 ； 0040 1) 圆孔靶标件固定不动， 相机固定在运动机构上且沿 YI向和 ZI向作二维的平移 运动， 将圆孔靶标件的圆心作为特征点， 分别记录每个位置上运动机构坐标值和特征点图 像平面坐标值 ； 0041 参见图 1 和图 2， 圆孔靶标件在 CCD 像面上的不同位置成像， 移动相机按照上述方 向移动， 得到每个位置上运动机。
14、构坐标值和特征点图像平面坐标值。YI向和 ZI向构成的平 面与圆孔靶标件所在平面平行， 且两个平面之间的距离为物方焦距， YI向和 ZI向相互垂直， XI向垂直于YI向和ZI向构成的平面。 运动机构通常为 ： 导轨或线性模组等能带动相机移动 的装置， 本发明实施例在此不做限制。 0042 其中， 分别记录每个位置上运动机构坐标值和特征点图像平面坐标值具体为 ： 通 过光栅尺或激光干涉仪获取运动机构坐标值， 对圆孔靶标件的图像作亚像素细分、 采用最 小二乘拟合圆心的方法得到特征点图像平面坐标值。 0043 2） 利用运动机构坐标值和特征点图像平面坐标值之间的对应关系对相机进行标 定。 0044 。
15、考虑到像面中心附近畸变较小， 首先利用像面中心区域的 44 个特征点 （具体实 现时， 根据实际应用中的需要确定特征点的数量） 的数据求取相机理想模型的内外部参数， 然后求解各点的畸变误差。 0045 通过相机投影理想模型参数计算得到的理想像点坐标和实际像点坐标如图 3 所 示。计算得到的像面上各点的 U 向和 V 向畸变误差， 分别如图 4 和图 5 所示， 表 1 为标定结 果。 0046 (,) 为相机坐标系到图像坐标系的旋转矩阵的三个欧拉角 ； t=tx,ty,tzT 为相机坐标系到图像坐标系的平移向量 ； fu和 fv分别为图像平面坐标系横、 纵轴方向的有 效焦距， 单位为像素 ； 。
16、k 为横、 纵轴轴偏的修正因子 ； (u0,v0) 为相机镜头主光轴与图像平面 的交点 ；为简化的畸变系数向量。利用相机模型反求像点的仪器坐标值， 并与 测量机光栅尺读取的坐标值作比较， 将二者之间的偏差称为物点误差。实验表明 ： 利用相 机投影理想模型求得的 49 个像点的物点误差在 Y 向和 Z 向的标准差分别为 0.006491mm 和 0.009831mm ； 通过上述标定得到 Y 向和 Z 向的标准差分别为 0.002761mm 和 0.004012mm， 表 明了相机的内参数得到了标定， 提高了相机的准确度。 0047 102 ： 利用标准球对接触式测头进行标定 ； 0048 接触。
17、式测头标定的目的在于正确确定测端的球心位置， 以及获得测端的等效直径 以便在实际测量时调用其对测量点进行补偿以获得精密测量结果。标准球的球心坐标 （XC， YC,ZC)， 本发明实施例以直径为 25.3986mm 的陶瓷材料标准球为例进行说明， 待标定的测端 半径为 RC。按照美国国家标准研究院 (ANSI) 制定的 B89 标准在标准球上测量 49 个点的测 头位置误差的检定方法进行标定。 49个点包括标准球上4个特定纬度 （大致为100、 90、 60和 30） 截面上的各 12 个点和 1 个北极点， 如图 6 所示。检测时要求各个截面的点彼 此错开， 以保证测头从不同方向探测， 通常令。
18、相邻截面的点旋转 10。经过检测， 获得接触 式测头端部半径 RC 3.9982mm 和它相对接触式测头基座的偏移量 (DX,DY,DZ)， 得到各偏移 说 明 书 CN 102980542 A 5 4/5 页 6 分量 DX=0.2135mm， DY=-0.1823mm， DZ=-21.8695mm。而接触式测头基座相对光栅尺有固定的 偏移量， 即在接触式测头可运动的范围内， 接触式测头端部在测量机坐标系中的位置可以 准确获得。 0049 103 ： 相机与接触式测头的联合标定 ； 0050 1） 相机回到初始位置， 接触式测头的测端在相机中成像， 获取成像图像 ； 0051 控制相机位置的。
19、运动机构回零， 使相机位于初始位置， 此时控制测量机测端移动， 使直径 D=4.0mm 测端 （当采用其他型号的接触式测头时， 测端直径相应发生变化， 本发明实 施例对此不做限制） 恰好能够清晰地在相机中成像， 如图 7 所示。 0052 2） 将成像图像的拟合圆心 O(YI,ZI) 作为参与标定的特征点， 对相机初始位置进行 标定， 获取相机初始位置标定结果 ； 0053 测量机坐标为 (XM,YM,ZM)， 相机和测量机之间的线性关系具体为 ： 0054 XM=XI+a0 (1) 0055 YM=b0+a1YI+a2ZI (2) 0056 ZM=c0+b1YI+b2ZI (3) 0057 。
20、其中 a0、 b0和 c0分别表示从图像坐标系到测量机坐标系的平移量 ； a1、 b1、 a2和 b2 表示图像坐标系到测量机坐标系的旋转矩阵中的参数。 0058 为使接触式测头的测端能够在图像中成清晰成像， 保持接触式测头的测端在 X 方 向不移动， 控制测量机测端在 Y、 Z 向移动， 接触式测头的测端在 CCD 像面的不同位置成像。 如图 8 所示， 各拟合圆心在像面上呈 118 的阵列分布， 利用该 88 组坐标数据组成超定方 程组， 使用最小二乘法求解七个系数， 从而实现标定， 获取相机初始位置标定结果。 0059 3） 根据相机初始位置标定结果和相机随运动机构运动的运动量 (X,Y。
21、, Z) 获取最终标定结果， (X,Y, Z) 表示运动机构相对初始位置的偏移量。 0060 由于只是在相机初始位置进行了标定， 在相机随运动机构运动 (X,Y, Z) 后， 能清晰成像的接触式测头的测端在测量机坐标系下应为 ： 0061 0062 通过以上步骤， 相机与接触式测头的联合标定完成， 通过图像中获取的某一点都 可以得到该点在测量机中的坐标位置。 0063 下面以图 1 中的测量机为例来实现相机和接触式测头的联合标定， 详见下文描 述 ： 0064 该测量机具体包括 ： 大理石工作台 3、 主轴 1、 X 轴和 Y 轴， 且主轴 1 作为 Z 轴 ； 在大 理石工作台 3 上设置有。
22、标准球 7 和沿 Y 轴移动的纵向线性模组 5 ； 在主轴 1 的底端设置有 接触式测头 2 ； 纵向线性模组 5 上固定设置有横向线性模组 6 ； 横向线性模组 6 在纵向线性 模组 5 上上下移动 ； 在横向线性模组 6、 纵向线性模组 5、 主轴 1、 X 轴和 Y 轴上分别设置有光 栅尺 ； 在横向线性模组 6 上设置有相机 3 ； 横向线性模组 6 和纵向线性模组 5 相当于上文的 运动机构 ； 相机 3 沿 YI向和 ZI向作二维的平移运动。采用上文描述的方法进行联合标定， 得到表 1 和表 2 中的标定结果。 0065 表 1 相机内外部参数标定结果 说 明 书 CN 10298。
23、0542 A 6 5/5 页 7 0066 0067 表 2 联合标定系数重复性实验结果 0068 0069 通过对相机 6 的内外部参数的标定， 对相机 6 的畸变进行了校正， 提高了相机 6 的 准确度 ； 通过表 2 中所得到的标定系数重复性最大误差值在 0.01mm 以下， 很好地满足了联 合标定的要求， 可以采用本联合标定的方法实现对微小结构进行精密测量。具体过程为通 过接触式测头 3 测量微小结构面特征， 通过相机测量该微小机构的其余边缘信息， 之后将 相机 6 采集的数据点坐标通过联合标定得到的关系转换到测量机坐标系中， 与之前采集的 面特征数据信息统一起来对该微小结构进行测量。。
24、 通过上述方法可以有效解决传统多传感 器难以测量微小结构的问题。 0070 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图， 上述本发明实施例 序号仅仅为了描述， 不代表实施例的优劣。 0071 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和 原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 102980542 A 7 1/4 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102980542 A 8 2/4 页 9 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102980542 A 9 3/4 页 10 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 102980542 A 10 4/4 页 11 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 102980542 A 11 。