CN111829461A - 一种定位标靶、视觉测量系统及获取平面度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种定位标靶、视觉测量系统及基于该定位标靶和视觉测量系统获取平面度的方法；定位标靶包括主动发光灯源，灯源底部设置有至少三个高精度球体，所有高精度球体不在同一直线上，在灯源上安装控制主板用于按设定时间发送测量指令；视觉测量系统采用前述定位标靶；获取平面度的方法步骤包括：固定视觉测量系统；定位标靶放置于待测部位，通过视觉测量系统检测所述定位标靶的中心坐标；移动定位标靶在待测部位采集m个点并拟合得到基准平面S’；继续移动定位标靶采集第i点坐标Pi，计算第i点坐标Pi到虚拟平面S’的垂直距离，作为当前测量点的平面偏离度。本发明具有高重复性、高精度、高效性、抗干扰性、体积轻小，方便携带操作等优点。

Description

一种定位标靶、视觉测量系统及获取平面度的方法

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，具体涉及一种定位标靶、视觉测量系统及基于该定位标靶和视觉测量系统获取平面度的方法。

背景技术

视觉测量的标记点是机器视觉领域的关键技术，将标记点安装于测量或跟踪物件，通过图像处理技术可以快速、准确的获取物件的位置和姿态。标记点通常分为靠反射发光的被动标记点和自发光的主动标记点，然而，现有的这两类标记点精度都无法达到微米级，要将定位精度拓展到微米级以实现超精密定位一直是本领域面临的技术难题。

根据GB/T11337-2004标准，现有平面度测量主要有直接测量法(间隙法、指示器法、光轴法、干涉法、液面法)和间接测量法(水平仪法、自准值仪法、跨步仪法和表桥法这些间接法)，这些测量方法的主要缺点包括：(1)测量的平面面积有限，一般不大于1m*1m；(2)缺乏平面坐标，通常只能测量平面偏离度，被测点在平面上的坐标需要人工计算或拼接；(3)测量效率低，需要大量的准备和调校工作，测量过程需要人工调节，效率低；(4)不易数字化，大都不能对所有测量数据进行自动记录，需要进行三维拼接才能形成平面度三维报表。

发明内容

本发明目的在于提供一种高精度定位标靶、视觉测量系统及基于该定位标靶和视觉测量系统获取平面度的方法，以快速方便地对多种尺寸物体进行高精度平面度测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种定位标靶，包括主动发光灯源，其特征在于：

在主动发光灯源底部设置有至少三个高精度球体，所有高精度球体不在同一直线上；

在主动发光灯源上安装控制主板用于按设定时间发送测量指令；

所述高精度球体的球度误差小于1um；

所述主动发光灯源包括框座和沿着框座内壁设置的发光灯条，在框座内依序叠加布置有绝缘板、电路板、反光膜、导光板、增光膜、均光膜、遮光膜、石英玻璃片，且导光板的边缘正对发光灯条；

在石英玻璃片上设置有通光部，在石英玻璃片上的通光部外围设置有用于阻挡光线穿透的涂层或膜层；

在遮光膜上设置有透光部，透光部与通光部同轴布置，透光部的直径D’＝D*(1+2*h/a)，其中，D为通光部直径、h为石英玻璃片厚度，a为石英玻璃片的折射率。

进一步地，所述遮光膜可以卡装在均光膜与石英玻璃片之间，也可以附着在均光膜上，还可以附着在石英玻璃片背面；

所述遮光膜卡装在均光膜与石英玻璃片之间；

所述主动发光灯源还包括用于安装石英玻璃片的盖框，只在盖框上两相邻侧壁分别设置有安装孔，在安装孔内配合设置有弹性限位件，弹性限位件用于抵紧石英玻璃片侧壁，由所有弹性限位件共同从两个相互垂直的方向对石英玻璃片进行弹性限位。

进一步地，所述通光部可以采用一个或多个标记圆，也可以采用一个或多个方形，还可以采用一条或多条直线。

进一步地，一种采用前述定位标靶的视觉测量系统它包括所述定位标靶及用于与所述定位标靶相匹配的相机，相机连接计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

实时接收所述定位标靶的控制主板发送的测量指令，并执行捕捉、记录所述定位标靶的主动发光灯源中心坐标P；

根据捕捉到的N个中心坐标{Pi}计算出由所有中心坐标构成的面的平面度，并输出数值，

或者：

根据预先测得的前m个点拟合得到虚拟平面S’，在获取到测量m个点之后的第i点坐标Pi后，计算并显示第i点坐标Pi到虚拟平面S’的垂直距离，用于指示用户当前测量点的平面偏离度。

作为本发明的优选方案，所述m的值取3或4。

进一步地，一种采用前述视觉测量系统获取平面度的方法，步骤包括：

步骤1，根据测量要求固定视觉测量系统；

步骤2，将所述定位标靶放置于待测部位，启动所述定位标靶使其向视觉测量系统发送测量指令，通过视觉测量系统检测所述定位标靶的中心坐标O；

步骤3，移动所述定位标靶在待测部位采集m个点，通过这些点拟合得到基准平面S’；

步骤4，继续移动所述定位标靶采集第i点坐标Pi，计算第i点坐标Pi到虚拟平面S’的垂直距离，作为当前测量点的平面偏离度。

或者，

采用前述视觉测量系统获取平面度的方法，步骤包括：

步骤1，根据测量要求固定视觉测量系统；

步骤2，将所述定位标靶放置于待测部位，启动所述定位标靶使其向视觉测量系统发送测量指令，通过视觉测量系统检测所述定位标靶的中心坐标O；

步骤3，移动所述定位标靶在待测部位采集N个点，计算出由所有中心坐标构成的面的平面度。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

具有高重复性，采用三个高精度球固定在标靶的底部并用于接触被测平面，在垂直于平面受力下，始终可以保证每个球与被测平面充分接触，可以保证标靶和被测平面接触点的高一致性，从而保证平面度测量的高重复性；

具有高精度，能够实现微米级的超精密定位精度，结合视觉测量系统，在测量100mm物件时，平面度精度可达5um；测量1000mm以内物件时，精度可达20um，测量10米物件时，精度可达0.5mm；该处数值是指被测平面的长度；测量面积大，最大可测量长度为10米的物件；

在测量平面度的同时，可以测量和记录被测量点在被测平面上平面坐标；

具有高效性，在视觉测量系统启动后，将本发明定位标靶放置于测量点上，无需任何调教、准备，按下本发明定位标靶上的测量开关或通过其他外部控制器触发测量信号后，可在1s内完成测量；

具有抗干扰性，本发明定位标靶自带控制电路，在按下测量开关后，支持按指定时间延迟，保障了测量过程不受测量人员的影响；

具有体积轻、小，方便携带、操作的优点，使用开关或外部开关触发，即拿即放测量，无需专业知识，无需对准，无需调教。

测量结果由视觉测量系统实时检测计算得到，数据可全自动化保存。

具有很好的抗污损能力和抗磨损性，即使小幅撞击和触摸石英玻璃片的通光部也不会影响精度；能够消除镀膜镜面引起的反射亮斑，保证灯源亮度的一致性，即使从不同角度观测标记时也不会挡住灯源；无需外部光源照射，能够在不同角度面向相机时保持亮度一致，且在测量范围内随距离增加亮度衰减可忽略不计；功耗低，使用一节或两节锂电池即可满足数天的测量需求。

附图说明

图1是实施例中定位标靶示意图一；

图2是实施例中定位标靶示意图二；

图3是实施例中主动发光标记装置示意图(拆解状态)；

图4是实施例中主动发光标记装置的遮光膜示意图；

图5是实施例中测量物体平面度的状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1

本实施例重点对定位标靶及其主动发光灯源作说明。

参见图1和图2，一种定位标靶，包括主动发光灯源，在主动发光灯源底部设置有至少三个高精度球体5，所有高精度球体5不在同一直线上；在主动发光灯源上安装控制主板16用于按设定时间发送测量指令；所述高精度球体5的球度误差小于1um，球体的直径为2-10mm。

参见图3和图4，该主动发光灯源包括框座1和沿着框座1内壁设置的发光灯条13；

在框座1内依序叠加布置有绝缘板2、电路板3、反光膜4、导光板6、增光膜7、均光膜8、遮光膜9、石英玻璃片10，且导光板6的边缘正对发光灯条13；

在石英玻璃片10上设置有通光部14，在石英玻璃片10上的通光部14外围设置有用于阻挡光线穿透的涂层或膜层；通光部14可以是一个圆形、三个圆形或四个圆形，也可是其他多个圆的组合，还可以是线条组合或矩形组合，图1中仅示意性地给出了三个圆形方案；

在遮光膜9上设置有透光部15，透光部15与通光部14同轴布置，透光部15的直径D’＝D*(1+2*h/a)，其中，D为通光部14直径、h为石英玻璃片厚度，a为石英玻璃片的折射率。

其中，所述遮光膜9可以卡装在均光膜8与石英玻璃片10之间，也可以附着在均光膜8上(此为遮光膜9与均光膜8做成一体式结构)，还可以附着在石英玻璃片10背面(此为遮光膜9与石英玻璃片10做成一体式结构)。本实施例中：遮光膜9卡装在均光膜8与石英玻璃片10之间，如图2所示。

其中，主动发光灯源还包括用于安装石英玻璃片10的盖框12，只在盖框12上两相邻侧壁分别设置有安装孔11(可以是盖框12左侧壁与顶侧壁分别设置安装孔12，可以是盖框12左侧壁与底侧壁分别设置安装孔12，也可以是盖框12右侧壁与底侧壁分别设置安装孔12，还可以是盖框12右侧壁与定侧壁分别设置安装孔12)，在安装孔11内配合设置有弹性限位件，弹性限位件用于抵紧石英玻璃片10侧壁，未接触弹性限位件的石英玻璃片10侧壁抵紧在盖框12内壁，由所有弹性限位件共同从两个相互垂直的方向对石英玻璃片10进行弹性限位。

其中，盖框12的同一侧壁至少设置两个安装孔11，图1中仅示意性地给出了盖框12的同一侧壁设置两个安装孔11。

其中，导光板6采用散射型导光板，导光板的四个侧面均具有90度的导光齿；反光膜4的反光率不低于98％；增光膜7采用棱镜型增光膜。在其它实施例中，导光齿的角度可在60-120度的范围内选取。

其中，石英玻璃片10上的膜层为通过磁控溅射工艺制备的镀膜。

其中，发光灯条13采用频率为近红外的LED灯条，LED灯条环绕导光板6的四个侧边布置。

其中，均光膜8采用高雾度均光膜，其雾度80-100％，透光率80-100％，具体值由本领域技术人员直接根据应用需求取平衡，如较佳的方案：雾度90％、透光率80％。

其中，框座1材料为铝合金，保证灯源的刚性和轻便性，底座可带固定孔便于使用螺丝、夹持具、吸铁等将灯源固定到其他物理结构上；绝缘板2材料为尼龙或其他绝缘塑料，其对电路板有支撑作用，固定电线接口、对电路和框座1有绝缘保护作用；电路板3上布置灯源电路结构、灯源电路保护、焊接支撑LED灯条；盖框12材料为铝合金，带螺丝孔并通过紧固件与框座1配合，对灯源内部结构进行固定。

实施例2

参见图5，一种视觉测量系统，它包括实施例1中的定位标靶及用于与所述定位标靶相匹配的相机22，相机连接计算机设备(未示意)，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

实时接收所述定位标靶的控制主板16发送的测量指令，并执行捕捉、记录所述定位标靶的主动发光灯源中心坐标P；实施例中所述主动发光灯源中心坐标P是指通光部14的单个圆心或圆心构成的几何图形的某一几何特征点，比如几何中心；

根据捕捉到的N个中心坐标{Pi}计算出由所有中心坐标构成的面的平面度，并输出数值，计算平面度的方法包括不限于最小包容区域法、最小二乘法、对角线平面法、三远点平面法；

或者：

根据预先测得的前m个点拟合得到虚拟平面S’，在获取到测量m个点之后的第i点坐标Pi后，计算并显示第i点坐标Pi到虚拟平面S’的垂直距离，用于指示用户当前测量点的平面偏离度。

实施例3

需要说明的是，在主动发光灯源上固定三个不在同一直线的高精度球体5，该球体与平面接触时为点接触，在垂直于平面受力下，被测表面与三个球分别接触，这三个接触点的相对位置始终保持不变。假设任意一平面S与三个球体的接触点为P1、P2、P3，S同时与三个球体相切，P1、P2、P3只有一个解，因此，P1、P2、P3相对于任何平面S的距离是相同不变的。假设主动发光灯源的中心点为O，因主动发光灯源和三个高精度球体5是一个刚体，所以O点到平面S的距离h是不变的，当定位标靶在被测平面上移动测量不同点时，O点到被测量平面的距离h始终是相同的。因此，不同位置测量得到的一系列O点构成的曲面S′是将S沿S局部的法向量向O方向平移了h的距离，通过使用O点测量S′平面的平面度，等价于测得了S平面的平面度。

一种采用实施例2中视觉测量系统获取平面度的方法，其步骤包括：

步骤1，根据测量要求固定视觉测量系统；

步骤2，将所述定位标靶放置于被测物体3的待测部位，启动所述定位标靶使其向视觉测量系统发送测量指令，通过视觉测量系统检测所述定位标靶的中心坐标O；

步骤3，移动所述定位标靶在待测部位采集m个点，通过这些点拟合得到基准平面S’；

步骤4，继续移动所述定位标靶采集第i点坐标Pi，计算第i点坐标Pi到虚拟平面S’的垂直距离，作为当前测量点的平面偏离度。

实施例4

一种采用实施例2中视觉测量系统获取平面度的方法，其步骤包括：

步骤1，根据测量要求固定视觉测量系统；

步骤2，将所述定位标靶放置于被测物体3的待测部位，启动所述定位标靶使其向视觉测量系统发送测量指令，通过视觉测量系统检测所述定位标靶的中心坐标O；

步骤3，移动所述定位标靶在待测部位采集N个点，计算出由所有中心坐标构成的面的平面度。

Claims (8)

1.一种定位标靶，包括主动发光灯源，其特征在于：

在主动发光灯源底部设置有至少三个高精度球体，所有高精度球体不在同一直线上；

在主动发光灯源上安装控制主板(16)用于按设定时间发送测量指令；

所述高精度球体的球度误差小于1um。

2.根据权利要求1所述的定位标靶，其特征在于：

所述主动发光灯源包括框座(1)和沿着框座(1)内壁设置的发光灯条(13)，在框座(1)内依序叠加布置有绝缘板(2)、电路板(3)、反光膜(4)、导光板(5)、增光膜(7)、均光膜(8)、遮光膜(9)、石英玻璃片(10)，且导光板(5)的边缘正对发光灯条(13)；

在石英玻璃片(10)上设置有通光部(14)，在石英玻璃片(10)上的通光部(14)外围设置有用于阻挡光线穿透的涂层或膜层；

在遮光膜(9)上设置有透光部(15)，透光部(15)与通光部(14)同轴布置，透光部(15)的直径D’＝D*(1+2*h/a)，其中，D为通光部(14)直径、h为石英玻璃片厚度，a为石英玻璃片的折射率。

3.根据权利要求2所述的定位标靶，其特征在于：

所述遮光膜(9)可以卡装在均光膜(8)与石英玻璃片(10)之间，也可以附着在均光膜(8)上，还可以附着在石英玻璃片(10)背面；

所述遮光膜(9)卡装在均光膜(8)与石英玻璃片(10)之间；

所述主动发光灯源还包括用于安装石英玻璃片(10)的盖框(12)，只在盖框(12)上两相邻侧壁分别设置有安装孔(11)，在安装孔(11)内配合设置有弹性限位件，弹性限位件用于抵紧石英玻璃片(10)侧壁，由所有弹性限位件共同从两个相互垂直的方向对石英玻璃片(10)进行弹性限位。

4.根据权利要求2或3所述的定位标靶，其特征在于：所述通光部(14)可以采用一个或多个标记圆，也可以采用一个或多个方形，还可以采用一条或多条直线。

5.一种采用如权利要求1、2、3或4所述定位标靶的视觉测量系统，其特征在于：它包括所述定位标靶及用于与所述定位标靶相匹配的相机，相机连接计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

实时接收所述定位标靶的控制主板发送的测量指令，并执行捕捉、记录所述定位标靶的主动发光灯源中心坐标P；

根据捕捉到的N个中心坐标{Pi}计算出由所有中心坐标构成的面的平面度，并输出数值，或者：

根据预先测得的前m个点拟合得到虚拟平面S’，在获取到测量m个点之后的第i点坐标Pi后，计算并显示第i点坐标Pi到虚拟平面S’的垂直距离，用于指示用户当前测量点的平面偏离度。

6.根据权利要求5所述的视觉测量系统，其特征在于：所述m的值取3或4。

7.一种采用如权利要求5或6所述视觉测量系统获取平面度的方法，其特征在于，步骤包括：

步骤1，根据测量要求固定视觉测量系统；

步骤2，将所述定位标靶放置于待测部位，启动所述定位标靶使其向视觉测量系统发送测量指令，通过视觉测量系统检测所述定位标靶的中心坐标O；

步骤3，移动所述定位标靶在待测部位采集m个点，通过这些点拟合得到基准平面S’；

步骤4，继续移动所述定位标靶采集第i点坐标Pi，计算第i点坐标Pi到虚拟平面S’的垂直距离，作为当前测量点的平面偏离度。

8.一种采用如权利要求5或6所述视觉测量系统获取平面度的方法，其特征在于，步骤包括：

步骤1，根据测量要求固定视觉测量系统；

步骤2，将所述定位标靶放置于待测部位，启动所述定位标靶使其向视觉测量系统发送测量指令，通过视觉测量系统检测所述定位标靶的中心坐标O；

步骤3，移动所述定位标靶在待测部位采集N个点，计算出由所有中心坐标构成的面的平面度。

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