基于三维空间拍摄定位技术的合拢管现场测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于三维空间拍摄定位技术的合拢管现场测量装置及方法，两个合拢管的端部分别设有第一法兰和第二法兰，包括第一高清摄像机、第二高清摄像机和连接第一高清摄像机和第二高清摄像机的伸缩杆，第一高清摄像机和第二高清摄像机上分别设有三个相互垂直的角度传感器，在第一法兰和第二法兰上分别设有若干个感光片，第一高清摄像机和第二高清摄像机安装有储存分别拍摄第一法兰和第二法兰的图片以及角度传感器检测的数据的数据采集卡。本发明能够精确得到定位物体在空间三维中的确切位置，为其他操作提供了精确、稳定的操作环境，节省了大量的劳动成本和劳动强度，提高了工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及基于三维空间拍摄定位技术的合拢管现场测量装置及方法，属于合拢管 的制造加工领域。

背景技术

船舶里面到处都铺满了管道，这些管件的设计、制造及在船内安装后的检查等一系 列的作业被称作“管道铺设”。通常船舶是分段建造的，在分段合拢时分段间的管线就 需要合拢管来连接，但依靠管线设计图纸制造出各式各样的合拢管，合拢管的制作通常 采用取型法和现场焊接法。

在管道制作中最困难的是“保证成品良好的精度”。但是采用上面两种方法经常会 出现制造出的合拢管法兰螺栓空位置不正确，导致无法安装的情况发生。这两种方法存 在效率低、材料浪费严重和加工精度不高的诸多缺点。目前，日韩等国针对上述问题开 发了合拢管再现系统，通过策略机现场测量两个待合拢管的法兰的空间位置特征，然后 通过专门的拟合软件拟合出这种空间位置特征，并且输出控制参数，配合专用的三坐标 变位机可以再现两法兰的位置特征，将制造好的合拢管吊装到再现机上与法兰焊接即可 造出无误差的合拢管。其中测量设备采用的是具有两个角度传感器和一个长度传感器的 单拉绳测量机，其主要原理是在规定的球面坐标系两个角度和一个长度可以唯一确定一 个点。因此，通过该测量机可以测量法兰上特征点在指定的坐标系中的位标。但是此种 测量方法的不足之处是测量时需要反复调整出绳口的位置，以保证拉绳是直线状态，此 操作过程繁琐。为解决此种现状，开发了合拢管再现系统201110309478.9，通过测量机 现场测量两个待合拢管的法兰的空间位置特征，然后通过专门的拟合软件拟合出这种空 间位置特征，并且输出控制参数，配合专用的三坐标变位机可以再现两法兰的位置特征， 将制造好的合拢管吊装到再现机上与法兰焊接即可制造出无误差的合拢管。为获得待合 拢管的法兰的特征参数，采用三坐标测量臂也是可行的方案，这种测量臂由6个转动的 臂和1个测量头通过6个旋转关节串联连接，在每个关节中安装有角度的编码器，测量 臂的一段固定在基座上，测量过程中不可移动,而测量头可在空间自由运动，构成一个封 闭球形测量空间，通过安装在各关节及杆件内部的光电角度编码器获得各关节转角和构 件转角，在结合各关节臂的臂长、关节间的夹角等，应用坐标模型从而获得被测点的三 维坐标位置。使用测量臂测量法兰的特征参数非常方便，只需要在特征位置取点，然后 即可通过软件计算出所需的特征参数，而不用预先知道这些特征参数，但是这种测量臂 的长度有限以及测量臂的价格昂贵，外测量臂的各关节都是薄弱环节，在使用中若发生 碰撞则极易损坏。201110323558.X中的合拢管测量机的基本原理是采用呈三角分布的三 个拉绳长度传感器作为测量原件，在笛卡尔直角坐标系下，以三个拉绳长度传感器的出 绳头作为球面方程，通过高精度的测量设备辅助测量待合拢管法兰的空间位置的球面坐 标。由于拉绳与拉绳头之间存在一定的间隙，保证拉绳可以顺畅的拉出，从而导致拉绳 头作为球心的中心轴线位置产生微小的偏差，使得待测合拢管的空间位置产生偏差；而 且由于拉绳长久的拉绳作用，拉绳的弹性伸缩导致合拢的精度大大降低，以及拉绳产生 磨损导致拉绳的损坏，影响测量的性能和工作效率以及增大成本的投入，为此一种更为 简单、测量精度更高和不易受干扰的便携式合拢管测量方法是设备制造企业设备使用企 业乐于期待的。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于三维空间拍摄定 位技术的合拢管现场测量装置及方法，利用三维空间拍摄定位技术，精确测量再现合拢 管的相对位置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于三维空间拍摄定位技术的合拢 管现场测量装置，两个合拢管的端部分别设有第一法兰和第二法兰，包括第一高清摄像 机、第二高清摄像机和连接第一高清摄像机和第二高清摄像机的伸缩杆，第一高清摄像 机和第二高清摄像机上分别设有三个相互垂直的角度传感器，在第一法兰和第二法兰上 分别设有若干个感光片，第一高清摄像机和第二高清摄像机安装有储存分别拍摄第一法 兰和第二法兰的图片以及角度传感器检测的数据的数据采集卡。

作为优选，所述第一高清摄像机和第二高清摄像机均在AUTO挡下，拍摄焦距保持 一致，拍摄过程中焦距保持不变，开设闪光灯，拍摄模式为黑白模式，感光度为100～ 200。

作为优选，所述伸缩杆为铝合金材质杆，其伸缩长度范围为800～1500mm。

一种上述的基于三维空间拍摄定位技术的合拢管现场测量装置的测量方法，包括以 下步骤：

(1)在第一法兰的外轮廓上贴置一片感光片，放置第一高清摄像机和第二高清摄 像机并对角度传感器数据进行校零；

(2)调节伸缩杆长度以及调整第一高清摄像机和第二高清摄像机角度进行拍摄， 并收集拍摄数据；

(3)重复步骤(1)和(2)沿着第一法兰和第二法兰的外轮廓、内轮廓以及螺旋 孔的密封面上分别测量5～8组数据，每组数据包含角度数据和拍摄图片；

(4)通过数据采集卡将采集数据置入计算机，通过笛卡尔空间三维坐标系原理实 现空间坐标系的转换、三角形正弦定律求的极坐标的极径以及极坐标系与笛卡尔坐标的 转换，求得P(x，y，z)在零点坐标系中的空间位置；

(5)利用三维摄影软件提取法兰密封面的轮廓点数据，最后自动生成第一法兰和 第二法兰密封面三维空间数据；

(6)采用三维绘图软件对三维空间数据进行分析处理，利用中心线和圆心精确绘 制所需的合拢管加工图。

所述的零点空间坐标系位置的定义：规定伸缩杆的中心轴心O为零点，沿OB方向 为x轴的正方向，同时根据右手定律，规定摄像机拍摄镜头与伸缩杆垂直方向为y轴正 方向，垂直摄像机向上为z轴正方向，同时规定摄像机与伸缩杆水平垂直方向为起始旋 转零点。

所述的6个角度传感器分别安装于第一高清摄像机和第二高清摄像机的旋转轴中， 分别测量第一高清摄像机和第二高清摄像机三维空间旋转角度(ox轴转动角度ε_x、oy 轴转动角度ε_y、oz轴转动角度ε_z)。

有益效果：本发明的基于三维空间拍摄定位技术的合拢管现场测量装置，能够精确 得到定位物体在空间三维中的确切位置，为其他操作提供了精确、稳定的操作环境，节 省了大量的劳动成本和劳动强度，提高了工作效率；测量安全可靠测量精确很高，整个 测量过程便捷，可测量的合拢管长度范围大，完全可以满足合拢管的工程要求和测量要 求，同时为制造合拢管提供了极大的方便，具有极大的经济效益和市场价值；测量方法 受环境等因素的影响较小，不受空间、光线、位置等因素的影响，抗干扰能力较强；操 作简单方便，可不断重复再现，便于合拢管装配于制造，适合大规模推广与应用。

附图说明

图1为本发明的测量原理结构示意图；

图2为数据处理软件原理结构示意图；

图3为本发明的三维空间定位测量技术原理说明图；

图4为本发明的三维空间定位测量技术原理说明图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明的一种基于三维空间拍摄定位技术的合拢管现场测量装 置，两个合拢管的端部分别设有第一法兰1和第二法兰5，包括第一高清摄像机2、第 二高清摄像机4和连接第一高清摄像机2和第二高清摄像机4的伸缩杆3，第一高清摄 像机2和第二高清摄像机4上分别设有三个相互垂直的角度传感器，在第一法兰1和第 二法兰5上分别设有若干个感光片9，第一高清摄像机2和第二高清摄像机4安装有储 存分别拍摄第一法兰1和第二法兰5的图片以及角度传感器检测的数据的数据采集卡6。

在本发明中，所述第一高清摄像机2和第二高清摄像机4均在AUTO挡下，拍摄焦 距保持一致，拍摄过程中焦距保持不变，开设闪光灯，拍摄模式为黑白模式，感光度为 100～200。

在本发明中，所述伸缩杆3为铝合金材质杆，其伸缩长度范围为800～1500mm， 优选为L＝1000mm。

一种上述的基于三维空间拍摄定位技术的合拢管现场测量装置的测量方法，包括以 下步骤：

(1)在第一法兰1的外轮廓上贴置一片感光片9，放置第一高清摄像机2和第二高 清摄像机4并对角度传感器数据进行校零；

(2)调节伸缩杆3长度以及调整第一高清摄像机2和第二高清摄像机4角度进行 拍摄，并收集拍摄数据；

(3)重复步骤(1)和(2)沿着第一法兰1和第二法兰5的外轮廓、内轮廓以及 螺旋孔的密封面上分别测量5～8组数据，每组数据包含角度数据和拍摄图片；

(4)通过数据采集卡6将采集数据置入计算机7，通过笛卡尔空间三维坐标系原理 实现第一高清摄像机2点A和第二高清摄像机4点B空间坐标系的转换(公式1)、三 角形正弦定律求的极坐标的极径(公式2)以及第一法兰1和第二法兰5极坐标系与笛 卡尔坐标的转换(公式3)，求得P(x，y，z)(即点C和点D)在零点坐标系中的空间 位置。

$\left(\begin{array}{c}X\\ y\\ z\end{array}\right)=(1+n)\left(\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right)+\left(\begin{array}{ccc}0& {ϵ}_z& -{ϵ}_y\\ -{ϵ}_z& 0& {ϵ}_x\\ {ϵ}_y& -{ϵ}_x& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\pm L/2\\ 1\\ 1\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中：n为旋转变化参数，第一高清摄像机2或第二高清摄像机4围绕0x轴旋转角 度ε_x、0y轴旋转角度ε_y以及0z轴旋转角度ε_z，L为伸缩杆3的长度，第一高清摄像机2 采用值-L/2和第二高清摄像机4采用值L/2。公式1只是确定第一高清摄像机和第二高 清摄像机在旋转后拍摄时的空间坐标系，当两台高清摄像机空间位置坐标系确定后，利 用公式2求得极径值，即图1或3中的L_CA、L_CB，由于高清摄像机的转动角度(沿着 0x轴、0y轴、0z轴转动的角度值为ε_x、ε_y、ε_z)都是通过角度传感器自动测量存储于数 据采集卡，拍摄照片储存于数据采集卡用于三维摄影Geomagic软件并通过运用公式1 和2求得数据进行拟合分析。

$\frac{L_{AC}}{sin\gamma }=\frac{L_{BC}}{sin\alpha }=\frac{L}{\sin \beta }---\left(2\right)$

其中：sinα＝sinε_Ax，ε_Ax为高清摄像机A围绕0x轴转动角度，sinγ＝sinε_Bx，L为伸 缩杆3的长度(即第一高清摄像机2和第二高清摄像机4的距离长度AB)。

$\left(\begin{array}{c}x=L_{AC}sin{ϵ}_{Ax}·cos{ϵ}_{Az}\\ y=L_{AC}{\mathrm{sinϵ}}_{Az}·{\mathrm{sinϵ}}_{Ax}\\ z=L_{AC}{\mathrm{cosϵ}}_{Az}\end{array}\right)$或$\left(\begin{array}{c}x=L_{BC}{\mathrm{sinϵ}}_{Bx}·{\mathrm{cosϵ}}_{Bz}\\ y=L_{BC}{\mathrm{sinϵ}}_{Bz}·{\mathrm{sinϵ}}_{Bx}\\ z=L_{BC}{\mathrm{cosϵ}}_{Bz}\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中：x、y、z值即点P(x_P，y_P，z_P)坐标，点P的相对于第一高清摄像机或第一高 清摄像空间坐标位置。图像数据处理是通过求得的法兰上的坐标，利用三维摄影 Geomagic软件将数据与图片拟合法兰空间三维图)，第一高清摄像机2的三个传感器测 得(ε_Ax、ε_y、ε_z)三个角度，第二高清摄像机4的三个传感器测得第二高清摄像机4的 (ε_Bx、ε_y、ε_z)。

(5)利用三维摄影Geomagic软件提取法兰密封面的轮廓点数据，最后自动生成第 一法兰1和第二法兰5密封面三维空间数据；

(6)采用Pro/E或solidworks对三维空间数据进行分析处理，利用中心线和圆心精 确绘制所需的合拢管加工图纸7，该图纸以PDF格式输出，直接打印。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。