雙目視覺(jué)拍攝角度對(duì)管長(zhǎng)測(cè)量精度的影響研究

張見(jiàn)廣，陸雨薇，2，李遠(yuǎn)智，羅 捷

（1.廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西土方機(jī)械協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 柳州 545006；3.柳州滬信汽車(chē)科技有限公司，廣西 柳州 545006）

1 引言

隨著我國(guó)制造業(yè)的飛速發(fā)展，船舶產(chǎn)業(yè)也取得了卓越的成就，船舶管件作為重要組成部分，其加工工時(shí)約占船舶建造總工時(shí)的10%［1］，管件測(cè)量又是其中的必不可少環(huán)節(jié)，對(duì)其精確測(cè)量，不僅可以減少返工率，亦可以節(jié)省材料，實(shí)現(xiàn)管件的精確裝配。目前，測(cè)量方法大致分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N。

傳統(tǒng)的卡尺測(cè)量、皮尺測(cè)量等接觸式測(cè)量對(duì)人的依賴(lài)性較強(qiáng)，存在效率低，成本高，精度低，穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)；以三坐標(biāo)測(cè)量為代表的接觸式測(cè)量方法雖然大幅度提高了測(cè)量精度，但測(cè)量速度慢，接觸點(diǎn)容易變形，且設(shè)備極其昂貴占地大，不適用于量化生產(chǎn)。

目前，非接觸式測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，精度高，可在復(fù)雜的環(huán)境下，代替人工完成工件的精確測(cè)量，已逐步成為尺寸測(cè)量的主流方式，雙目視覺(jué)作為一種高精度的非接觸測(cè)量方式，由于其精度高、測(cè)量速度快，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于零件的尺寸測(cè)量。雙目視覺(jué)是人工智能的一個(gè)分支，通過(guò)圖像攝取裝置將獲取的信息轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)，依據(jù)像素分布、亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，代替人眼進(jìn)行測(cè)量與檢測(cè)。

近年來(lái)，雙目視覺(jué)也逐步應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)中，如，文獻(xiàn)［2］實(shí)現(xiàn)了小型工件的在線(xiàn)三維測(cè)量；文獻(xiàn)［3］實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床任意軌跡輪廓誤差三維高精度測(cè)量；文獻(xiàn)［4］用機(jī)器視覺(jué)分類(lèi)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉚接薄板孔組幾何參數(shù)的測(cè)量。

目前使用雙目視覺(jué)測(cè)量大型零件的研究還很少，主要原因在于雙目相機(jī)視野有限，難以精確、全面地采集大型零件數(shù)據(jù)，需要采取轉(zhuǎn)換的方式，采集與測(cè)量尺寸有關(guān)的特征點(diǎn)，擬合計(jì)算出零件尺寸，測(cè)量精度不高。船舶管件尺寸較大，同樣存在這種問(wèn)題。本研究采取擬合管件兩端圓圓心位置坐標(biāo)作為特征點(diǎn)的方式，用兩圓心之間的距離作為管件長(zhǎng)度的測(cè)量值。

首先需完成管件特征數(shù)據(jù)的采集，采集的圖像難免包含較多噪點(diǎn)，特別是管件內(nèi)壁反射的噪點(diǎn)會(huì)影響圓心位置的擬合精度。如何減少以及剔除噪點(diǎn)是提高測(cè)量精度的關(guān)鍵所在。本研究從拍攝角度出發(fā)，研究最佳拍攝角度的選取，最大限度地減少噪點(diǎn)的產(chǎn)生，以精確提取特征點(diǎn)信息，準(zhǔn)確測(cè)量管件長(zhǎng)度，并分析了誤差產(chǎn)生的原因，以及如何通過(guò)控制拍照角度減少測(cè)量誤差的產(chǎn)生，完成了管件長(zhǎng)度的智能測(cè)量，減少了尺寸測(cè)量對(duì)人的依賴(lài)，也可為公司減少人工成本。

2 視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法

本研究為管件測(cè)量提出了一種新的非接觸測(cè)量方法，可以提高測(cè)量的精度與穩(wěn)定性，并用視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)管件長(zhǎng)度進(jìn)行了精確測(cè)量。

2.1 視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)

本研究利用一臺(tái)搭載于機(jī)器人末端的雙目結(jié)構(gòu)光相機(jī)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行拍攝，用于數(shù)據(jù)的采集，如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of Measuring System

其硬件由優(yōu)傲機(jī)器人（Universal Robots）、結(jié)構(gòu)光相機(jī)、計(jì)算機(jī)等組成，其中優(yōu)傲機(jī)器人固定于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量平臺(tái)上；結(jié)構(gòu)光相機(jī)測(cè)量精度為35μm，可完成數(shù)據(jù)的采集與初步處理。

2.2 管長(zhǎng)的測(cè)量方法

雙目視覺(jué)測(cè)量，利用視差原理，通過(guò)采集多幅圖像確定被測(cè)物體三維信息［5］，如圖2所示。對(duì)于空間內(nèi)任意一點(diǎn)，兩相機(jī)獲取同一點(diǎn)位置A，相機(jī)上分別讀取空間點(diǎn)位置A1、A2，由此可計(jì)算出空間點(diǎn)的位置A，對(duì)被測(cè)物各個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行提取，完成特征對(duì)象的尺寸測(cè)量。

圖2 雙目視覺(jué)測(cè)量原理Fig.2 Principles of Binocular Vision Measurement

本研究測(cè)量系統(tǒng)以船舶大型管件為例，尋找合適的方法測(cè)量其尺寸。考慮到船舶管件尺寸較大的特點(diǎn)，難以對(duì)其進(jìn)行三維信息構(gòu)建。利用船舶管件兩端為圓孔的特征，可采取固定管件，擬合兩端圓心位置，計(jì)算兩圓心距離的方法測(cè)其長(zhǎng)度，管件長(zhǎng)度測(cè)量示意圖，如圖3所示。具體測(cè)量流程，如圖4所示。

圖3 管件長(zhǎng)度測(cè)量示意圖Fig.3 Diagram of Pipe Length Measurement

圖4 測(cè)量流程圖Fig.4 Measurement Process

其中核心問(wèn)題即為圓心位置的精確擬合，本研究采集數(shù)據(jù)之后通過(guò)最小二乘擬合［6］圓心位置，并對(duì)擬合精度做了驗(yàn)證，其具體擬合流程，如圖5所示。

圖5 管件圓心擬合流程Fig.5 Fitting Process of Pipe Fitting Center

2.3 誤差分析

管件長(zhǎng)度的測(cè)量精度取決于圓心位置的擬合的精度，圓心位置擬合的精度與多方面因素有關(guān)，比如數(shù)據(jù)的采集、手眼標(biāo)定的精度、機(jī)器人的重復(fù)精度，擬合圓算法的精度等，其中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和特征點(diǎn)的精確提取影響較大，以下從幾個(gè)方面分析測(cè)量精度的影響因素。

數(shù)據(jù)采集是尺寸測(cè)量的第一步，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集有利于提高測(cè)量精度。不同的拍攝角度影響著噪點(diǎn)的產(chǎn)生數(shù)量。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在以不同角度采集管件端面圓數(shù)據(jù)時(shí)，由于管件內(nèi)壁上光的反射，產(chǎn)生的噪點(diǎn)數(shù)目有著較大的差異，在選取特征點(diǎn)擬合圓心位置時(shí)，容易將噪點(diǎn)誤認(rèn)為特征點(diǎn)，影響圓心位置擬合精度，如圖6（b）所示。選取合適的拍攝角度，如圖6（a）則可以減少由于管件內(nèi)壁反射的噪點(diǎn)，進(jìn)而提高圓心坐標(biāo)的擬合精度，提高尺寸測(cè)量精度。

圖6 擬合圓位置偏差示意圖Fig.6 Fit the Schematic Diagram of the Circle Position Deviation

拍攝角度可以提高數(shù)據(jù)采集的精確性。當(dāng)相機(jī)光軸線(xiàn)方向與管件軸線(xiàn)方向存在一定夾角時(shí)，管件內(nèi)壁反射回來(lái)的信息會(huì)影響圓心位置的擬合，內(nèi)壁噪點(diǎn)存在時(shí)，噪點(diǎn)會(huì)被誤作為特征點(diǎn)，進(jìn)行圓的擬合。圓心位置的擬合對(duì)管件長(zhǎng)度尺寸的測(cè)量精度的影響可分為沿管件圓的徑向誤差，和沿軸線(xiàn)方向的軸向誤差。如圖7所示，O1O4—管件實(shí)際長(zhǎng)度（管件端面實(shí)際圓心位置），O2O3—測(cè)量長(zhǎng)度（擬合圓心位置），α—光軸方向與管件軸線(xiàn)夾角的余角圖7（a）中O1O2為軸向誤差，圖7（b）中O1O2為徑向誤差。由圖7可看出徑向誤差會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏大，軸向誤差會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏大。

圖7 圓心位置擬合偏差示意圖Fig.7 Diagram of Center Position Fitting Deviation

先僅分析徑向誤差，由幾何關(guān)系可知，則最大徑向偏差如式（1）所示：

式中：L—管件實(shí)際長(zhǎng)度；d—兩端圓徑向最大誤差

當(dāng)僅有徑向誤差時(shí)，管件長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量精度的影響數(shù)量級(jí)為10-5，徑向誤差對(duì)管件的影響很小。

僅分析軸向誤差，管件內(nèi)壁噪點(diǎn)有可能被誤作為特征點(diǎn)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅拍到管件邊緣的一側(cè)的特征點(diǎn)，總能參與擬合，現(xiàn)取其特征點(diǎn)，以及相對(duì)管件軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)的點(diǎn)，作為特征點(diǎn)，此時(shí)軸向誤差應(yīng)最大，由幾何關(guān)系可知軸向最大誤差，如式（2）所示。由軸向誤差公式可知d2與R、α正相關(guān)。

式中：R—管件實(shí)際半徑；α—光軸方向與管件軸線(xiàn)夾角的余角。

當(dāng)控制管件半徑不變時(shí)，α角越大，測(cè)量誤差就會(huì)越大；控制拍攝角度不變，管件半徑越大，測(cè)量偏差越大。

手眼標(biāo)定，即相機(jī)與機(jī)器人之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，“眼”是移動(dòng)的，要想測(cè)量空間內(nèi)大零件的尺寸，需將“眼”中的信息轉(zhuǎn)移到機(jī)器人固定的坐標(biāo)系下。標(biāo)定的精度直接影響測(cè)量精度［7］。本研究在進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，受到相機(jī)視野的限制，需移動(dòng)相機(jī)同時(shí)對(duì)管件兩端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，此時(shí)得到的圓心數(shù)據(jù)均為相機(jī)坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，兩圓心之間的距離并不能代表管件長(zhǎng)度。需利用手眼標(biāo)定的結(jié)果，將得到的圓心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到同一基坐標(biāo)系下，再進(jìn)行長(zhǎng)度的計(jì)算。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證得到手眼標(biāo)定的重復(fù)精度可達(dá)到（±0.031）mm。

機(jī)器人的定位精度即機(jī)器人到達(dá)同一位置的精度，為排除其對(duì)管件測(cè)量誤差的影響，試驗(yàn)之前對(duì)機(jī)器人的重復(fù)精度作了驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證其重復(fù)精度為（±0.021）mm。擬合圓算法的精度也影響著測(cè)量結(jié)果，本研究首先選取管件端面內(nèi)圓上的特征點(diǎn)，采用最小二乘法擬合圓心坐標(biāo)。為了排除管件內(nèi)壁反射的噪點(diǎn)對(duì)擬合圓心位置精度的影響，在試驗(yàn)前，首先做一薄片圓，如圖8所示。

圖8 薄片圓試件Fig.8 Wafer Circular Specimen

固定機(jī)器人位置，對(duì)其進(jìn)行多次采集數(shù)據(jù)，之后擬合其圓心位置，重復(fù)精度在（±0.023）mm，其結(jié)果，如表1所示。綜上所述，影響測(cè)量精度的因素中，手眼標(biāo)定的影響為（±0.031）mm，機(jī)器人重復(fù)精度為（±0.021）mm，擬合算法精度為（±0.023）mm，可見(jiàn)對(duì)測(cè)量精度的影響較小。數(shù)據(jù)采集引起的誤差，主要來(lái)源于管件內(nèi)壁處的噪點(diǎn)，可通過(guò)拍攝角度減少其對(duì)測(cè)量誤差的影響。

表1 固定機(jī)器人位姿薄片圓相機(jī)坐標(biāo)系下坐標(biāo)Tab.1 Fixed Robot Pose Wafer Circular Camera Coordinate System Under Coordinates

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

相機(jī)拍攝角度對(duì)不同尺寸管件測(cè)量的敏感性不同，為了驗(yàn)證測(cè)量管件的尺寸（長(zhǎng)度和半徑）對(duì)測(cè)量精度的影響，試驗(yàn)選取三種長(zhǎng)度不同、半徑相同以及三種半徑不同、長(zhǎng)度相同的六種管件作為測(cè)量對(duì)象。利用視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，改變相機(jī)拍攝角度，選取［84°，96°］拍攝角度對(duì)管件圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，為了方便描述，將相機(jī)光軸方向與管件軸線(xiàn)平行時(shí)定為90°方向。同一拍攝角度測(cè)量40組數(shù)據(jù)。拍攝示意圖，如圖9所示。并將測(cè)量結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果作對(duì)比。將管件分別設(shè)為管件A，管件B，管件C，管件D，管件E，三坐標(biāo)測(cè)出的值，如表2所示。為精確測(cè)量管件尺寸及驗(yàn)證拍照角度對(duì)測(cè)量精度的影響。

表2 不同管件測(cè)量實(shí)際值Tab.2 Measured Actual Values of Different Pipes

圖9 采集管件端面數(shù)據(jù)示意圖Fig.9 Diagram of Collecting Pipe Head Face Data

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其測(cè)量結(jié)果，如圖10～圖13所示。通過(guò)圖10～圖12可看出，隨著拍照角度的變化，對(duì)不同管件長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，長(zhǎng)度測(cè)量值的變化趨勢(shì)相同，驗(yàn)證了管件長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很小；從圖10～圖12可看出在進(jìn)行管件測(cè)量時(shí)，拍照角度越接近90°，測(cè)量值波動(dòng)越小，結(jié)果越準(zhǔn)確，此時(shí)的測(cè)量精度可達(dá)到（±0.230）mm。

圖11 置信度為95%的管件B測(cè)量結(jié)果分布Fig.11 The Distribution of Pipe Fitting B Measurement Results with B Confidence of 95%

圖12 置信度為95%的管件C測(cè)量結(jié)果分布Fig.12 The Distribution of Pipe Fitting C Measurement Results with C Confidence of 95%

圖13 在不同拍照角度下管件B、E、D的測(cè)量均值曲線(xiàn)圖Fig.13 Measured Mean Curves of Pipe Fittings B，E and D at Different Photo Angles

通過(guò)圖13可以看出，半徑越大，測(cè)量結(jié)果隨著拍攝角度的變化越明顯；當(dāng)控制角度在［87°，93°］時(shí)，測(cè)量結(jié)果受拍照角度的影響較小，當(dāng)角度在［84°，86°］時(shí)，半徑越大曲線(xiàn)下降趨勢(shì)越快，結(jié)果越不準(zhǔn)確，從圖中還可看出，測(cè)量值均值在［86°，87°］之間時(shí)，測(cè)量值急劇下降，因此，為了提高測(cè)量精度，可將拍攝角度控制在［87°，93°］。

4 結(jié)論

（1）管件測(cè)量誤差與手眼標(biāo)定精度、機(jī)器人重復(fù)精度、擬合算法精度，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有關(guān)，其中手眼標(biāo)定精度、機(jī)器人重復(fù)精度和擬合圓算法精度對(duì)誤差的影響較小，約占總體誤差的（10～20）%，其中（80～90）%的誤差來(lái)源于數(shù)據(jù)采集部分。改變拍攝角度可以減少數(shù)據(jù)采集中噪點(diǎn)的數(shù)量，提高圓心位置的擬合精度，大幅度提高測(cè)量精度。

（2）不同半徑的管件受拍攝角度的影響不同，管件半徑越大，擬合圓心位置受拍攝角度的影響越大；拍攝角度越偏離90°，產(chǎn)生的軸向誤差越大，測(cè)量精度越低。對(duì)于像船舶管件普遍尺寸較大的零件，更要保證測(cè)量精度，應(yīng)盡量控制拍攝角度在［87°，93°］測(cè)量精度可達(dá)到（±0.230）mm。