结合激光与视觉的中远距离测量方法研究

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随着近代工业的快速发展,传统的测量系统已无法满足工业现场的测量环境复杂、测量对象多样、测量过程自动化等需求。因此,研发灵活适用于近距离小尺寸测量和中远距离大尺寸测量的新型测量系统是当前测量领域的焦点和热点。  应用激光与视觉检测技术进行测量具有大量程、非接触、高精度等优点,已经逐渐成为一种实用、有效的测量方法。但是目前的激光视觉测量对本身精度要求过高,且存在着标定过程复杂等问题。因此,本文针对激光视觉测量过程中的测量模型的建立及其坐标变换和被测目标边缘及激光光斑的图像检测进行研究,提出了一种激光与视觉检测结合的中远距离测量方法。其主要内容如下:  1.提出了一种激光测距与视觉检测相结合的测量系统,该系统相机光轴与激光移动平面垂直。并推导出以此系统测量时,被测目标平面与激光水平移动方向平行的测量模型。确立了该测量模型的四种坐标系及其转换关系。融合激光测距获得的距离数据与图像处理获得的图像数据,实现了被测目标特征点从图像坐标系到世界坐标系的坐标转换。  2.实现了被测目标特征及光斑中心的亚像素级精度检测。在分析不同因素对光斑图像质量的影响基础上,采用直方图均衡法进行灰度增强、中值滤波消除噪声、多阈值法图像分割,完成了激光图像的预处理。分析比较了几种传统边缘检测算子的检测结果,选择Canny算子实现了像素级边缘检测。采用了一种基于三次多项式拟合的亚像素边缘检测算法,提取被测目标边缘及其特征点。提出了利用随机取样匹配去除激光光斑周围杂质点的方法,改进基于椭圆最小二乘拟合的光斑中心检测算法,并仿真验证该算法的有效性。  3.根据建立的测量系统,设计了同时适用于近距离及中远距离的测量平台。根据测量稳定性和精确性要求,首先确定了测量平台的总体设计方案。根据拍摄视场范围,选择了相机、镜头、激光测距传感器、直线导轨等硬件。设计了具有0°、5°及10°的三段式激光偏角及升降结构的精密移动导轨平台。分析了测量平台的误差来源及其对测量平台的测量精度的影响。  4.进行了不同测量参数下的测量精度实验。在不考虑边缘提取误差情况下,针对标准九宫格型矩形目标,进行了测量模型精度实验。结果表明,最大水平测量误差小于0.143%,最大竖直测量误差小于0.140%,验证了建立的测量模型的精确性;分别进行了不同被测距离、不同激光移动距离、不同目标倾斜角的测量参数下的小视场测量精度实验,分析以上测量参数对测量精度的影响。结果表明,被测目标及激光移动距离约为拍摄视场的一半,且被测目标所在平面与相机平行时,测量精度最高;进行了具有激光偏角的大视场测量实验,验证了激光偏角为10°、视场约为4m时的测量误差满足精度要求。
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