CN104121854A - 汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统及方法，包括主操控台、固定高低架、滑台、伺服电机、伺服电机编码器、摄像机、精密水平滑轨、二维标准控制场、钢化玻璃光源罩、被测大梁以及减震器。本测量系统首先获取被测大梁连续局部图像，再分别对每一幅图像进行了特征提取，利用图像提取信息与测量控制场进行坐标转换，即实现了汽车大梁装配孔的孔径、孔位精密测量，最后将测量结果写入二维码防伪溯源系统。本测量系统有效地解决了人工检测效率低、劳动强度大的难题，同时为后续的大梁维修、信息查询等提供了便利，尤其适用于U型平板大梁上装配孔的测量。

Description

汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车大梁加工质量监测领域，具体涉及一种汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统及方法。 

背景技术

在大型机械装备的制造及装配过程中，大型工件几何尺寸和形位公差的测量，是保证整套设备质量的关键因素。一般500mm以上尺寸的测量就是大尺寸测量，由于大尺寸测量超过了一般测量范围，测量条件差，因此其测量方法和使用的量具都具有特殊性。目前常用的大尺寸工件测量系统有经纬仪测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统、关节式坐标测量系统、室内GPS和机器视觉测量系统等。 

汽车大梁是汽车底盘的重要组成部分，其形状为细条形，长度可达十几米，在其翼面上会加工将近300个圆形装配孔，由于大梁需与底盘其他零件进行精密装配，因此，为保证装配精度及提高装配效率，需要对加工好的汽车大梁装配孔的孔径、孔位尺寸进行精密测量，这种测量属于典型的大尺寸测量。 

近年来，随着计算机与机器视觉技术的发展，图像处理与分析方法水平的不断提高，机器视觉在线测量技术得到了越来越多的应用和关注。机器视觉测量具有非接触、设备简单、对现场环境要求不高、通用性好、易于实现自动化等诸多优点而受到人们的广泛关注。综合考虑测量效率和系统成本，机器视觉测量系统越来越受欢迎，机器视觉对诸如汽车大梁的大尺寸工件精确测量已成为了国内外学者研究的热门领域。亚洲最大的汽车车架大梁生产厂家——日本武部铁工所已经研制较为成熟的基于机器视觉的汽车大梁装配孔检测系统，但由于国外技术垄断及昂贵的价格，国内汽车生产企业仍然采用的是三坐标机或极限量规来抽样检验，这两种方法都需耗费大量人力或是时间，在大批量生产大梁时，显然无法跟上现代化的生产节拍及要求全检的质量保障需求。 

现有基于机器视觉的几何尺寸测量，主要集中在基于单幅图像的尺寸测量和基于图像拼接的尺寸测量。基于单幅图像的尺寸测量方法是用单幅图像反映待测零件的全貌，通过对单幅图像的处理获得工件尺寸，但是受相机视场和检测分辨率成反比例关系的制约，若用单幅图像获得待测零件全貌的较高精度图像，就必须要求待测零件很小，所以该方法的缺点是只能测量尺寸较小的零件；也有研究 学者提出了基于图像拼接技术的尺寸测量方法，该方法通过摄像机每次只成像大尺寸零件的局部区域，把所有局部图像拼成一整幅图像后再对零件进行测量，该方法的缺点是完成图像拼接后再进行装配孔特征信息的提取，图像拼接、特征提取时不可避免的要进行重复工作，这样既浪费时间又因图像融合时丢失局部特征信息或引入误差导致提取的装配孔特征信息不够准确；还有学者在采用视觉测量大梁装配孔测量时根据大梁上装配孔的分布疏密不同提出了基于外界定位的路径规划采集方法，然后再通过图像处理和外界定位结合实现坐标归一化，进而完成装配孔的孔位测量，该方法缺点是大梁上装配孔分布杂乱无章，很大一片区域没有装配孔的情况并不多见，这样路径规划意义并不大，同时这种方法还得依赖高精度的外界定位系统，而这种高精度的外界定位系统易受环境的影响，在生产现场很难保证。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统及方法，通过本测量系统能够精密测量汽车大梁各装配孔孔径和孔位尺寸，并将测量结果写入二维码防伪溯源系统内，有效地解决了人工检测效率低、劳动强度大的难题，同时为后续的大梁维修、信息查询等提供了便利。 

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是： 

一种汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统，包括主操控台(1)、固定高低架(2)、位置传感器(3)、齿轮齿条(4)、滑台(5)、伺服电机(6)、伺服电机编码器(7)、相机支撑架(8)、摄像机(9)、精密水平滑轨(10)、二维标准控制场(11)、钢化玻璃光源罩(12)、被测大梁(13)、背光高频光源(14)以及减震器(15)； 

所述主操控台(1)上设有主机，主机的PCI插槽中分别插有运动控制卡和图像采集卡，所述主操控台(1)中的主机通过运动控制卡与伺服电机(6)相连，所述伺服电机编码器(7)与伺服电机(6)同轴连接，所述伺服电机(6)固定在滑台(5)上，所述滑台(5)通过齿轮齿条(4)在精密水平滑轨(10)上滑动； 

所述固定高低架(2)包括高侧架和低侧架，二者呈阶梯状固定在一起；精密水平滑轨(10)安装在固定高低架(2)的高侧架上，所述二维标准控制场(11) 安装在固定高低架(12)的低侧架上，所述伺服电机编码器(7)通过所述主操控台(1)中的主机分别与运动控制卡和图像采集卡连接，所述背光高频光源(14)安装在固定高低架(2)的低侧架下方，所述主操控台(1)中的主机通过图像采集卡与摄像机(9)连接，所述摄像机(9)通过相机支撑架(8)安装在滑台(5)上； 

所述钢化玻璃光源罩(12)放置在固定高低架(2)的低侧架上，所述二维标准控制场(11)放置在钢化玻璃光源罩(12)上，所述被测大梁(13)放置在钢化玻璃光源罩(12)上，二维标准控制场(11)设置在被测大梁(13)的两侧。 

所述主操控台(1)中的主机内设置有二维码防伪溯源模块、图像采集模块、运动控制模块、图像处理分析模块、通信模块；图像采集模块分别与摄像机、背光高频光源、图像采集卡连接；运动控制模块分别与位置传感器、运动控制卡、伺服电机、伺服电机编码器连接。 

所述被测大梁(13)的正下方设有两个以上的背光高频光源(14)，所述背光高频光源(14)与主控台(1)连接，由主控台(1)控制其打开或关闭，背光高频光源(14)交错安装在钢化玻璃光源罩(12)正下方。 

所述二维标准控制场(11)根据使用需要进行竖直方向的调整；实现调整的具体结构为：二维标准控制场的四个角的位置设置有安装孔(17)，在固定高低架(2)低侧架的相应位置上分别安装有穿过四个安装孔的螺杆，四根螺杆上都套有弹簧，二维标准控制场通过四个安装孔穿过螺杆压在弹簧上，再用螺帽套到螺杆上，这样通过拧紧螺帽就能竖直向下调整二维标准控制场，通过拧松螺帽由于弹簧的弹力作用就能竖直向上调整二维标准控制场。 

所述相机支撑架(8)包括两个L型铸铁件，两个L型铸铁件的一个面重合设置，构成Z型高度可调的相机支撑架；所述固定高低架(2)采用铸铁焊接加工而成，在每个落脚处安装有橡胶减震器。 

所述二维标准控制场(11)均匀分布有不同大小的标准圆孔(16)，使用前采用高精度仪器对二维标准控制场进行检定。 

所述主操控台上设有操作面板，液晶显示器和键盘鼠标操作区。 

本发明中汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统的工作过程包括以下步骤： 

1)开机前准备工作：主操控台布置在生产线附近合适的位置，主操控台上 设有主机和各种板卡接口，表面为操作面板，液晶显示器和键盘鼠标操作区；主机的PCI插槽中分别插有运动控制卡和图像采集卡，主操控台通过键盘鼠标来设置运动控制卡和图像采集卡的参数。 

2)开机后准备工作：打开背光高频光源，调节至合适亮度；检测摄像机是否在预设原点位置、编码器数据清零；检测大梁是否放置在合适的位置；检测二维标准控制场上表面是否与大梁上表面在同一水平面上。 

3)模式识别及路径规划：摄像机拍摄第一图，进行特征提取读取大梁上二维码标记，获得大梁型号、生产日期等各项性能参数，根据大梁尺寸参数决定摄像机停止采集图像的位置。 

4)运动控制及图像采集：主机通过运动控制卡发出脉冲指令并决定伺服电机的运动规律，进而伺服电机驱动滑台在水平滑轨上运动；同时，摄像机通过Z型高度可调相机支架与滑台固定连接，从而使得摄像机随着滑台水平运动。伺服电机编码器与伺服电机同轴连接，能将滑台的运动状态和位置精确采集并输出脉冲信号，为摄像机曝光提供控制信号；伺服电机编码器反馈脉冲信号到图像采集卡，进而触发摄像机进行图像采集(摄像机的曝光控制由伺服电机编码器反馈的脉冲信号来决定)，摄像机与主机的连接通过图像采集卡实现，图像采集卡将采集到的图像进行处理后传送到主机中，其采集参数设置和是否开始图像采集由主机向图像采集卡发出命令来完成。 

5)图像处理分析：将摄像机等间距连续采得的图像存入主机，主机通过图像处理分析模块对图像进行处理、分析，进而得出汽车大梁上各装配孔的孔径、孔位尺寸。 

6)记录测量结果：最后，将测量结果通过二维码防伪溯源系统记录。 

本发明提供了一种汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量方法，包括以下步骤： 

a)首先图像采集模块控制摄像机采集第一幅图像，然后图像处理分析模块、二维码防伪溯源模块进行对第一幅图像特征提取读取二维码信息，二维码信息包含汽车大梁的尺寸、型号、生产日期信息，接着运动控制模块根据被测大梁的尺寸信息对摄像机等间距拍摄图像进行规划，最后图像采集模块和运动控制模块配合完成整个大梁图像采集； 

b)图像处理分析模块通过基于Hough的圆提取方法及亚像素技术分别对每一幅图像进行特征提取，记录各圆孔圆心、半径信息； 

c)图像处理分析模块将所有像素坐标下的提取结果利用二维标准控制场控制点作为公共点进行坐标转换，统一到已经通过检定二维标准控制场标定好的世界坐标系中，实现不同图像下的装配孔孔位坐标归一化； 

d)综合b)、c)将汽车大梁装配孔孔位、孔径等测量结果记录到二维码防伪溯源模块。 

本发明将二维码防伪溯源系统引入到大梁加工及后续测量、维护过程中，可方便大梁的识别、测量结果记录、返工维修记录等各项性能指标查询或修改，同时，客户也可根据此二维码追踪溯源；本发明对于单幅图像处理时，采用了Hough圆提取的改进算法，可保证局部精度，为保证全局拼接精度奠定基础；本发明通过坐标转换的方法可实现不同图像下的装配孔孔位坐标归一化，步骤c)具体过程如下： 

c.1)每一幅图像通过控制场的控制点与世界坐标系建立一一对应的关系，首先通过这些控制点求出单幅图像与世界坐标系的转换关系,转换方程建立如下： 

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right)+(1+\mathrm{\μ})R\left(\mathrm{\γ}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中Δx、Δy为平移参数，μ为缩放因子，(x，y)、(x'，y')分别为控制场中控制点分别在图像坐标系和世界坐标系下的点坐标，R(γ)为坐标系绕Z轴的旋转量，且 $R\left(\mathrm{\γ}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right),$ 即： 

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right)+(1+\mathrm{\μ})\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，γ为摄像机跟随滑台平移前后相机视场存在的旋转角度。 

c.2)对于方程(2)的求解只需2个控制点即可有解，为了提高精度，采用了至少6个控制点来求解，求解过程中利用最小二乘法寻求最优解； 

c.3)对于方程(2)中求解Δx、Δy、μ较简单，关键是求出γ；本方法求解主要思想为将非线性方程转化成线性方程的求解问题，具体解算步骤如下： 

首先令k＝(1+μ)、γ＝θ，并将(2)式在θ＝0处进行泰勒展开，得： 

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& x& y\\ 0& 1& y& -x\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ k\\ {\mathrm{k\θ}}_1\end{array}\right]---\left(3\right)$

根据(3)式取泰勒展开的首项，求出θ₁，再继续在θ＝θ₁处进行泰勒展开，得： 

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right]+k\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)\\ -\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)& \cos {\mathrm{\θ}}_1-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]---\left(4\right)$

将(4)式整理得： 

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& \cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(x-y{\mathrm{\θ}}_1)+\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(x{\mathrm{\θ}}_1-y)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)y-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)x\\ 0& 1& \cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(y{\mathrm{\θ}}_1+y)+\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(y{\mathrm{\θ}}_1-x)& -\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)x-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)y\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ k\\ \mathrm{k\θ}\end{array}\right]---\left(\text{5}\right)$

最后，根据(5)式取泰勒展开的首项，求出k、θ，即求得了Δx、Δy、μ、γ。 

c.4)根据c.3)求得的转换系数将单幅图像下的所有圆孔数据转换到事先建立的统一世界坐标下，完成全局坐标归一化。 

c.5)统一坐标系后，剔除控制场信息，剩下的全为汽车大梁装配孔信息，即求得各个孔的孔径、孔位信息。 

本发明测量系统实现了获取被测大梁连续局部图像，并分别对每一幅图像进行了特征提取，利用图像提取信息与测量控制场进行坐标转换，实现汽车大梁装配孔的孔径、孔位精密测量，最后并将测量结果写入二维码防伪溯源系统。 

本发明与现有技术相比具有的有益效果： 

本发明为汽车大梁装配孔孔位、孔径的精密测量提供了一套视觉测量系统及方法，利用二维码防伪溯源模块对汽车大梁的型号识别、测量结果记录、返工维修记录等各项性能指标查询或修改提供了方便，同时，客户也可根据此二维码追踪溯源；利用高频荧光灯管、磨砂玻璃等制作的背光光源灯箱光照效果良好、成本低、易于控制和维护；利用检定好的量具作为二维控制场解决了汽车大梁自身装配孔分布不均带来的坐标归一化的困难；利用基于坐标转换的图像拼接方法实现了坐标归一化；对于单幅图像处理时，采用了Hough圆提取的改进算法和亚像素处理技术，保证了局部测量精度。 

附图说明

图1是本发明测量系统的结构示意图； 

图2是本发明测量系统中特有二维标准控制场示意图； 

图3是本发明测量系统的工作流程图； 

图4是本发明图像采集示意图； 

图5是本发明方法坐标归一化原理示意图； 

图6是本发明方法实施实例中实际采集的两幅大梁图像，图6(a)是采集到的某段大梁左端图像，图6(b)是采集到的某段大梁右端图像。 

图7是本发明方法实施实例中通过坐标转换得到的大梁拼接图像； 

其中，1-主操控台、2-固定高低架、3-位置传感器、4-齿轮齿条、5-滑台、6-伺服电机、7-伺服电机编码器、8-相机支撑架、9-摄像机、10-精密水平滑轨、11-二维标准控制场、12-钢化玻璃光源罩、13-被测大梁、14-背光高频光源，15-减震器,16-标准圆孔，17-安装孔。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的说明。 

参照图1所示，本发明所述的汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统，包括主操控台(1)、固定高低架(2)、位置传感器(3)、齿轮齿条(4)、滑台(5)、伺服电机(6)、伺服电机编码器(7)、相机支撑架(8)、摄像机(9)、精密水平滑轨(10)、二维标准控制场(11)、钢化玻璃光源罩(12)、被测大梁(13)、背光高频光源(14)以及减震器(15)。 

所述主操控台(1)上设有主机，主机的PCI插槽中分别插有运动控制卡和图像采集卡，所述主操控台(1)中主机通过运动控制卡与伺服电机(6)相连，由主操控台决定相机的运动及图像采集；所述伺服电机编码器(7)与伺服电机(6)同轴连接，所述伺服电机(6)固定在滑台(5)上，所述滑台(5)通过齿轮齿条(4)在精密水平滑轨(10)上左右移动。 

所述固定高低架(2)包括高侧架和低侧架，二者呈阶梯状固定在一起；所述精密水平滑轨(10)安装在固定高低架(2)的高侧架上，所述二维标准控制场(11)安装在固定高低架(12)的低侧架上，所述背光高频光源(14)安装在固定高低架(2)的低侧下方，所述伺服电机编码器(7)通过所述主操控台(1)中的主机分别与运动控制卡和图像采集卡连接，所述背光高频光源(14)安装在固定高低架(2)的低侧架下方。 

所述主操控台(1)中主机通过图像采集卡与摄像机(9)连接，所述摄像机(9)通过相机支撑架(8)安装在滑台(5)上，所述钢化玻璃光源罩(12)放 置在固定高低架(12)的低侧架上，所述二维标准控制场(11)放置在钢化玻璃光源罩(12)上，所述被测大梁(13)放置在钢化玻璃光源罩(12)上，二维标准控制场(11)设置在被测大梁(13)的两侧。 

所述主操控台(1)中的主机内设置有二维码防伪溯源模块、图像采集模块、运动控制模块、图像处理分析模块、通信模块。 

所述被测大梁(13)的正下方设有两个以上的背光高频光源(14)，所述背光高频光源(14)与主控台(1)连接，由主控台(1)控制其打开或关闭，背光高频光源(14)交错安装在钢化玻璃光源罩(12)正下方。 

所述相机支撑架包括两个L型铸铁件，两个L型铸铁件的一个面重合设置，构成Z型高度可调的相机支撑架。 

所述二维标准控制场均匀分布一定大小的高精度圆孔，该控制场在使用前通过高精度仪器对其检定，使用时要与待测大梁上表面处于同一水平面上；所述二维标准控制场(11)可根据使用需要进行竖直方向的调整。 

所述固定高低架采用铸铁焊接加工而成，在每个落脚处安装有橡胶减震器。 

参照图2，所述二维标准控制场(11)根据使用需要进行竖直方向的调整；实现调整的具体结构为：二维标准控制场的四个角的位置设置有安装孔(17)，在固定高低架(2)低侧架的相应位置上分别安装有穿过四个安装孔的螺杆，四根螺杆上都套有弹簧，二维标准控制场通过四个安装孔穿过螺杆压在弹簧上，再用螺帽套到螺杆上，这样通过拧紧螺帽就能竖直向下调整二维标准控制场，通过拧松螺帽由于弹簧的弹力作用就能竖直向上调整二维标准控制场。 

参照图3所示，本发明汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统的工作过程包括以下步骤： 

(1)开机前准备工作：主操控台布置在生产线附近合适的位置，主操控台上设有主机和各种板卡接口，表面为操作面板，液晶显示器和键盘鼠标操作区；主机的PCI插槽中分别插有运动控制卡和图像采集卡，主操控台通过键盘鼠标来设置运动控制卡和图像采集卡的参数。 

(2)开机后准备工作：打开背光高频光源箱，调节至合适亮度；检测摄像机是否在预设原点位置、编码器数据清零；检测大梁是否放置在合适的位置；检测二维标准控制场上表面是否与大梁上表面在同一水平面上。 

(3)模式识别及路径规划：摄像机拍摄第一幅图像，进行特征提取读取大 梁上二维码标记，获得大梁型号、生产日期等各项性能参数，根据大梁尺寸参数决定摄像机停止采集图像的位置。 

(4)运动控制及图像采集：主机通过运动控制卡发出脉冲指令并决定伺服电机的运动规律，进而伺服电机驱动滑台在水平滑轨上运动；同时，摄像机通过Z型高度可调相机支架与滑台固定连接，从而使得摄像机随着滑台水平运动。伺服电机编码器与伺服电机同轴连接，能将滑台的运动状态和位置精确采集并输出脉冲信号，为摄像机曝光提供控制信号；伺服电机编码器反馈脉冲信号到图像采集卡，进而触发摄像机进行图像采集(摄像机的曝光控制由伺服电机编码器反馈的脉冲信号来决定)，摄像机与主机的连接通过图像采集卡实现，图像采集卡将采集到的图像进行处理后传送到主机中，其采集参数设置和是否开始图像采集由主机向图像采集卡发出命令来完成。 

(5)图像处理分析：将摄像机等间距连续采得的图像存入主机，主机通过图像处理分析模块对图像进行处理、分析，进而得出汽车大梁上各装配孔的孔径、孔位尺寸。 

(6)记录测量结果：最后，将测量结果通过二维码防伪溯源系统记录。 

下面结合附图对汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量方法作详细说明： 

参照图4所示，摄像机拍摄第一幅图像，进行特征提取读取大梁上二维码标记，获得大梁尺寸、型号、生产日期等各项性能参数，根据大梁尺寸参数决定摄像机停止采集图像的位置，图像采集时一定要确保相机镜头与被测汽车大梁垂直，相机视场能完全覆盖控制场某一方向上的控制点；根据精度要求及硬件设备情况等间距布置好控制点如图中控制场的控制点所示，为保证不漏拍图像，利用伺服电机的编码器控制相机等间距采集图像，具体规划如图中虚线框所示。 

参照图5所示，将单幅图像通过坐标转换转到同一世界坐标下，所有图片依次转换后即可实现坐标归一化，进而实现了大梁装配孔的孔位精密测量。 

参照图6所示，以实际采集的两幅大梁图像(这一段大梁装配孔较为密集，可以利用自身的孔信息作为求解坐标转换参数的公共点，其作用与二维标准场功能相同，二维控制场不仅能解决部分大梁特征孔不够而不能逐一进行坐标转换实现坐标归一化的问题，同时也能避免依次转换带来的累积问题)为例验证坐标转换的方法，(a)、(b)两图中存在公共装配孔，通过特征提取得其结果如表1所示： 

表1 任选相邻两幅图像的装配孔特征信息提取结果         单位：像素 

结合图6及表1可找到(a)、(b)的重叠区域有6个装配孔，也就是用来求解坐标转换参数的公共点，编程实现时首先利用相位相关法求出重叠部分的粗略位置，然后根据重叠区域装配孔的半径大小及相对位置关系进一步约束从而匹配成功确定为同一装配孔。通过这6个特征孔求出坐标转换系数分别为Δx＝10.59、Δy＝964.92、μ＝0.0028、γ＝-0.0012。根据求解的转换系数将图6(b)全部转换到图6(a)的图像坐标系下，并和三坐标机测量结果对比，选择相同参考原点并通过标定将所有像素级数据转换到以mm为单位表示，得结果如表2所示。 

表2 坐标转换结果与三坐标机测量结果对比        单位：mm 

通过表1、表2知，在实现坐标转换后，能很容易得到不在同一幅图像下的装配孔的相对位置关系，且测量孔位偏差在0.3mm以内，符合工程测量的要求。 为了观察者能更加直观地看到拼接效果，进一步对这两幅图像进行了数据复原及图像重构，并在拼接处作了平滑处理，完成拼接后图像如图7所示。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统，其特征在于：包括主操控台(1)、固定高低架(2)、位置传感器(3)、齿轮齿条(4)、滑台(5)、伺服电机(6)、伺服电机编码器(7)、相机支撑架(8)、摄像机(9)、精密水平滑轨(10)、二维标准控制场(11)、钢化玻璃光源罩(12)、被测大梁(13)、背光高频光源(14)以及减震器(15)；

所述主操控台(1)上设有主机，主机的PCI插槽中分别插有运动控制卡和图像采集卡，所述主操控台(1)中的主机通过运动控制卡与伺服电机(6)相连，所述伺服电机编码器(7)与伺服电机(6)同轴连接，所述伺服电机(6)固定在滑台(5)上，所述滑台(5)通过齿轮齿条(4)在精密水平滑轨(10)上滑动；

所述固定高低架(2)包括高侧架和低侧架，二者呈阶梯状固定在一起；精密水平滑轨(10)安装在固定高低架(2)的高侧架上，所述二维标准控制场(11)安装在固定高低架(12)的低侧架上，所述伺服电机编码器(7)通过所述主操控台(1)中的主机分别与运动控制卡和图像采集卡连接，所述背光高频光源(14)安装在固定高低架(2)的低侧架下方，所述主操控台(1)中的主机通过图像采集卡与摄像机(9)连接，所述摄像机(9)通过相机支撑架(8)安装在滑台(5)上；

所述钢化玻璃光源罩(12)放置在固定高低架(2)的低侧架上，所述二维标准控制场(11)放置在钢化玻璃光源罩(12)上，所述被测大梁(13)放置在钢化玻璃光源罩(12)上，二维标准控制场(11)设置在被测大梁(13)的两侧。

2.如权利要求1所述的汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统，其特征在于：所述主操控台(1)中的主机内设置有二维码防伪溯源模块、图像采集模块、运动控制模块、图像处理分析模块、通信模块；图像采集模块分别与摄像机、背光高频光源、图像采集卡连接；运动控制模块分别与位置传感器、运动控制卡、伺服电机、伺服电机编码器连接。

3.如权利要求1所述的汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统，其特征在于：所述被测大梁(13)的正下方设有两个以上的背光高频光源(14)，所述背光高频光源(14)与主控台(1)连接，由主控台(1)控制其打开或关闭，背光高频光源(14)交错安装在钢化玻璃光源罩(12)正下方。

4.如权利要求1所述的汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统，其特征在于：所述二维标准控制场(11)根据使用需要进行竖直方向的调整；实现调整的具体结构为：二维标准控制场的四个角的位置设置有安装孔(17)，在固定高低架(2)低侧架的相应位置上分别安装有穿过四个安装孔的螺杆，四根螺杆上都套有弹簧，二维标准控制场通过四个安装孔穿过螺杆压在弹簧上，再用螺帽套到螺杆上，这样通过拧紧螺帽就能竖直向下调整二维标准控制场，通过拧松螺帽由于弹簧的弹力作用就能竖直向上调整二维标准控制场。

5.如权利要求1所述的汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统，其特征在于：所述相机支撑架(8)包括两个L型铸铁件，两个L型铸铁件的一个面重合设置，构成Z型高度可调的相机支撑架；所述固定高低架(2)采用铸铁焊接加工而成，在每个落脚处安装有橡胶减震器。

6.如权利要求1所述的汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统，其特征在于：所述二维标准控制场(11)均匀分布有不同大小的标准圆孔(16)，使用前采用高精度仪器对二维标准控制场进行检定。

7.如权利要求1所述的汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量系统，其特征在于：所述主操控台上设有操作面板，液晶显示器和键盘鼠标操作区。

8.一种基于上述系统实现的汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)首先图像采集模块控制摄像机采集第一幅图像，然后图像处理分析模块、二维码防伪溯源模块进行对第一幅图像特征提取读取二维码信息，二维码信息包含汽车大梁的尺寸、型号、生产日期信息，接着运动控制模块根据被测大梁的尺寸信息对摄像机等间距拍摄图像进行规划，最后图像采集模块和运动控制模块配合完成整个大梁图像采集；

b)图像处理分析模块通过基于Hough的圆提取方法及亚像素技术分别对每一幅图像进行特征提取，记录各圆孔圆心、半径信息；

c)图像处理分析模块将所有像素坐标下的提取结果利用二维标准控制场控制点作为公共点进行坐标转换，统一到已经通过检定二维标准控制场标定好的世界坐标系中，实现不同图像下的装配孔孔位坐标归一化；

d)综合b)、c)将汽车大梁装配孔孔位、孔径等测量结果记录到二维码防伪溯源模块。

9.如权利要求8所述的汽车大梁装配孔孔位、孔径精密测量方法，其特征在于：所述步骤c)中，通过坐标转换的方法实现不同图像下的装配孔孔位坐标归一化，具体过程如下：

c.1)每一幅图像通过控制场的控制点与世界坐标系建立一一对应的关系，首先通过这些控制点求出单幅图像与世界坐标系的转换关系,转换方程建立如下：

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right)+(1+\mathrm{\μ})R\left(\mathrm{\γ}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中Δx、Δy为平移参数，μ为缩放因子，(x，y)、(x'，y')分别为控制场中控制点分别在图像坐标系和世界坐标系下的点坐标，R(γ)为坐标系绕Z轴的旋转量，且 $R\left(\mathrm{\γ}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right),$ 即：

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right)+(1+\mathrm{\μ})\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，γ为摄像机跟随滑台平移前后相机视场存在的旋转角度；

c.2)对于方程(2)的求解只需2个控制点即可有解，为了提高精度，采用了至少6个控制点来求解，求解过程中利用最小二乘法寻求最优解；

c.3)对于方程(2)中求解Δx、Δy、μ较简单，关键是求出γ；本方法求解主要思想为将非线性方程转化成线性方程的求解问题，具体解算步骤如下：

首先令k＝(1+μ)、γ＝θ，并将(2)式在θ＝0处进行泰勒展开，得：

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& x& y\\ 0& 1& y& -x\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ k\\ {\mathrm{k\θ}}_1\end{array}\right]---\left(3\right)$

根据(3)式取泰勒展开的首项，求出θ₁，再继续在θ＝θ₁处进行泰勒展开，得：

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right]+k\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)\\ -\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)& \cos {\mathrm{\θ}}_1-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]---\left(4\right)$

将(4)式整理得：

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& \cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(x-y{\mathrm{\θ}}_1)+\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(x{\mathrm{\θ}}_1-y)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)y-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)x\\ 0& 1& \cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(y{\mathrm{\θ}}_1+y)+\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(y{\mathrm{\θ}}_1-x)& -\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)x-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)y\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ k\\ \mathrm{k\θ}\end{array}\right]---\left(\text{5}\right)$

最后，根据(5)式取泰勒展开的首项，求出k、θ，即求得了Δx、Δy、μ、γ；

c.4)根据c.3)求得的转换系数将单幅图像下的所有圆孔数据转换到事先建立的统一世界坐标下，完成全局坐标归一化；

c.5)统一坐标系后，剔除控制场信息，剩下的全为汽车大梁装配孔信息，即求得各个孔的孔径、孔位信息。