基于红外视觉引导与激光测距的空间位置和姿态测量方法研究

摘要

随着测量技术的发展，在自动铣削过程测量、航空发动机叶片检测、汽轮机转子-定子轴向间隙的校准、实时引导机器人完成装配、飞机、船舶和风力涡轮机的组装以及大型部件上的小特征检测等领域，工业产品对测量设备提出了大范围、高精度、自动化、集成化的要求，测量环境和测量目标的复杂性也对测量方法提出了更高的要求。同时，在各种动态系统或者工业应用场景中，位置和姿态更是理解其动态特性、分析其性能、保障制造精度的关键参数。针对现代工业生产中位置和姿态现场测量的需求，本文结合激光测量技术和视觉测量技术，提出了一种位置和姿态测量方法。主要研究内容如下：　　1.基于红外视觉相机和激光位移传感器，搭建了位置和姿态测量系统，可以实现两个方向的旋转、两个方向的移动、测量数据的采集等。　　2.基于位置和姿态测量系统，提出了一种目标物体的空间位置测量方法。设计了一种内置红外发光二极管的测量靶标，将其放置于被测物体上，利用测量靶标的光斑图像仅在红外视觉相机中可见的特性，通过一系列图像处理方法，不断缩小激光光斑中心和测量靶标中心的图像位置距离以实现精确定位，并根据调整过程中测量的角度和激光位移数据计算空间被测物体的空间坐标。　　3.基于位置和姿态测量系统，提出了一种目标物体的空间姿态测量方法。激光位移传感器按预定轨迹在测量靶标表面进行扫描，通过坐标解算方法获得若干的三维点云数据，再由平面拟合算法对靶标平面进行拟合，同时，由该平面的法向量可以解算出目标物体在空间中的方向角和俯仰角。测量靶标中的红外发光二极管具有一定位置分布特征，根据不同姿态的图像中的光斑分布特征可以解算其在空间中横滚角，进而由方向角、俯仰角、横滚角表示被测物体在空间中的姿态。　　4.对实验测量装置进行了标定和校正，然后分别设计了位置测量、方向角和旋转角测量、横滚角测量实验方案。通过间接验证的方式，验证了位置测量和姿态测量的误差情况和测量实验重复性，分析了可能的误差来源。　　本文提出的方法可以满足一些大尺寸工件的位置姿态测量要求以及大型构件对接装配任务等，并且与现有方法相比，可以避免外部环境变化和坐标转换误差对测量结果的影响，在空间位姿测量领域和工业现场测量应用中具有重要的理论意义和应用价值。

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