本發(fā)明涉及機器視覺測量領(lǐng)域，特別涉及一種機器視覺3d四輪定位儀靶標(biāo)綁定方法。
背景技術(shù)：
：基于機器視覺的3d四輪定位儀是現(xiàn)階段市場上廣泛采用的四輪定位產(chǎn)品之一，其設(shè)備主要由位置固定的兩個或多個工業(yè)相機和四套靶標(biāo)及輪夾等配件組成。四輪定位檢測時，將四個靶標(biāo)通過各自的連接桿分別固定在四個輪夾上，再將四個輪夾分別固定在汽車的四輪輪轂上，通過工業(yè)相機拍攝四個靶標(biāo)并獲取靶標(biāo)位姿參數(shù)，建立坐標(biāo)系并求解四輪定位參數(shù)，完成定位檢測。常用的檢測模式有推車和不推車兩種，在這兩種模式下，參數(shù)求解過程中靶標(biāo)連接桿向量被認(rèn)為與輪胎旋轉(zhuǎn)軸向量重合，而靶標(biāo)連接桿向量與靶標(biāo)面的交點在靶標(biāo)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)需已知，特別地，在不推車測量模式下，靶標(biāo)連接桿向量與靶標(biāo)的相對關(guān)系也需已知，以上兩組參數(shù)的求解即為靶標(biāo)綁定?，F(xiàn)有靶標(biāo)綁定參數(shù)一般通過靶標(biāo)設(shè)計圖紙的幾何關(guān)系導(dǎo)出，因靶標(biāo)加工和裝配時的誤差影響，綁定參數(shù)的理論值與實際值存在一定偏差，直接采用理論值代入計算，會對四輪定位結(jié)果的準(zhǔn)確性造成很大影響。因此，靶標(biāo)綁定方法需要改進(jìn)。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種機器視覺3d四輪定位儀靶標(biāo)綁定方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種機器視覺3d四輪定位儀靶標(biāo)綁定方法，包括以下步驟：1)將工業(yè)相機架設(shè)于三腳架上，調(diào)整三腳架使靶標(biāo)在工業(yè)相機視野內(nèi)成像，旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)的同時工業(yè)相機連續(xù)拍攝和保存圖像；2)移動三腳架到靶標(biāo)背面的另一位置，并旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)，使靶標(biāo)正面面相工業(yè)相機鏡頭，重復(fù)上述步驟1)；3)提取步驟1)和步驟2)采集的所有圖像的所有角點，并利用所述角點計算每副圖像的外參矩陣；4)根據(jù)靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸與靶標(biāo)工作面的交點的不變性建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，并利用上述外參矩陣求解出靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸與靶標(biāo)面的交點在靶標(biāo)坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)；根據(jù)靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸的不變性建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，并利用上述外參矩陣求解出靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸在靶標(biāo)坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)。所述三腳架設(shè)置于云臺上；所述云臺上固定有立柱；四輪定位儀靶標(biāo)連接桿安裝在所述立柱內(nèi)；所述靶標(biāo)設(shè)置在所述靶標(biāo)連接桿頂端，且可繞所述立柱軸心旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明中，基于opencv的外參求解函數(shù)對進(jìn)行外參矩陣求取。對于任意一副圖像，其對應(yīng)外參矩陣大小為3×4，外參矩陣中第一列數(shù)據(jù)為靶標(biāo)坐標(biāo)系x軸單位向量在相機坐標(biāo)系中的表達(dá)，第二列數(shù)據(jù)為靶標(biāo)坐標(biāo)系y軸單位向量在相機坐標(biāo)系中的表達(dá)，第三列數(shù)據(jù)為靶標(biāo)坐標(biāo)系z軸單位向量在相機坐標(biāo)系中的表達(dá)，第四列數(shù)據(jù)為靶標(biāo)坐標(biāo)系原點在相機坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明對工業(yè)相機擺放位置無嚴(yán)格要求，具有理想的綁定參數(shù)求解精度；該綁定方法操作簡單，易于實現(xiàn)，適合廠內(nèi)和現(xiàn)場綁定。附圖說明圖1為機器視覺3d四輪定位儀靶標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示實施例的綁定現(xiàn)場實物圖；圖3為圖1所示實施例的參數(shù)綁定數(shù)據(jù)處理流程圖。具體實施方式本發(fā)明具體實現(xiàn)過程如下：a、在一平面度好的云臺上固定一個圓管立柱，圓管立柱內(nèi)壁與四輪定位儀靶標(biāo)連接桿精確配合；b、將上述靶標(biāo)連接桿插入圓管內(nèi)壁，靶標(biāo)可繞上述圓管立柱軸心旋轉(zhuǎn)；c、將已標(biāo)定的工業(yè)相機架設(shè)于三角架上，將三角架擺放于上述云臺上；d、調(diào)整三腳架使靶標(biāo)可在工業(yè)相機視野內(nèi)較好地成像，旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)的同時工業(yè)相機連續(xù)拍攝和保存圖像；e、移動三腳架到靶標(biāo)背面的另一位置，并將靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)使其正面面向工業(yè)相機鏡頭，重復(fù)上述步驟d；f、提取步驟d和步驟e所保存的所有圖像的角點(圖像特征的中心點)，并分別計算外參矩陣(利用角點計算每副圖像的外參矩陣)；g、根據(jù)靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸與靶標(biāo)工作面的交點的不變性建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，并利用上述外參矩陣分量求解出靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸與靶標(biāo)面的交點在靶標(biāo)坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)；h、根據(jù)靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸的不變性建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，并利用上述外參分量求解出靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸在靶標(biāo)坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)。如圖1所示，機器視覺3d四輪定位儀靶標(biāo)由工作面和連接桿組成，其工作面由棋盤格組成，單元格尺寸已知。靶標(biāo)坐標(biāo)系原點定義于靶標(biāo)正面左上角第一角點處(點o處)，靶標(biāo)坐標(biāo)系x軸定義于第一行角點處，方面向右，靶標(biāo)坐標(biāo)系y軸定義于第一列角點處，方向向下，靶標(biāo)坐標(biāo)系z軸垂直于靶標(biāo)面，方向向外。靶標(biāo)連接桿軸心所在直線與靶面交于一點(點p處)，靶標(biāo)連接桿軸心所在向量n定義為靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸向量。靶標(biāo)位姿的改變不會影響p在坐標(biāo)系oxy內(nèi)的表達(dá)和n在坐標(biāo)系oxyz中的表達(dá)，靶標(biāo)的綁定通過求取p在坐標(biāo)系oxy內(nèi)的坐標(biāo)和n在坐標(biāo)系oxyz中的表達(dá)實現(xiàn)。如圖2所示，機器視覺3d四輪定位儀靶標(biāo)綁定現(xiàn)場包括平面度較好的云臺，固定于云臺上的圓管立柱，放置于云臺上的三腳架，架設(shè)于三腳架上的工業(yè)相機和插入圓管立柱中的待綁定靶標(biāo)。在圖2中位置1和位置2處，調(diào)整三腳架使靶標(biāo)可在工業(yè)相機視野內(nèi)較好地成像，在大約70度范圍內(nèi)較均勻地旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)10次，同時工業(yè)相機拍攝保存圖像。如圖2所示，對位置1和位置2采集的圖像分別進(jìn)行亞像素角點提取，提取外參分量，根據(jù)圖1中靶標(biāo)連接桿軸心所在直線與靶面的交點p在坐標(biāo)系oxy內(nèi)表達(dá)的不變性，以及靶標(biāo)連接桿軸心向量n在坐標(biāo)系oxyz中的表達(dá)的不變性，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行綁定參數(shù)的優(yōu)化求解，根據(jù)圖3所示，本發(fā)明實例如下：步驟s301、基于opencv的棋盤格角點提取函數(shù)對位置1和位置2所采集圖像分別進(jìn)行亞像素角點提?。徊襟Es302、根據(jù)工業(yè)相機內(nèi)參(主點：[1285,981]，歸一化焦距：[7276,7275]，一階徑向畸變：-0.1998)、棋盤格大小(6×6)、棋盤格單元尺寸(33mm)、位置1和位置2每一副圖的角點數(shù)據(jù)，基于opencv的外參求解函數(shù)分別進(jìn)行外參求取，對于圖2中位置1的第1副圖，外參矩陣輸出結(jié)果為：上述矩陣數(shù)據(jù)反映了圖2中位置1的第1副圖對應(yīng)的靶標(biāo)位姿在相機坐標(biāo)系中的表達(dá)，也即：第一列數(shù)據(jù)為靶標(biāo)坐標(biāo)系x軸單位向量在相機坐標(biāo)系中的表達(dá)，第二列數(shù)據(jù)為靶標(biāo)坐標(biāo)系y軸單位向量在相機坐標(biāo)系中的表達(dá)，第三列數(shù)據(jù)為靶標(biāo)坐標(biāo)系z軸單位向量在相機坐標(biāo)系中的表達(dá)，第四列數(shù)據(jù)為靶標(biāo)坐標(biāo)系原點在相機坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。對于圖2中位置1和位置2的任意一副圖的外參矩陣輸出結(jié)果，其都反映了這副圖對應(yīng)的靶標(biāo)位姿在相機坐標(biāo)系中的表達(dá)。步驟s303、對于s302中所述的所有外參輸出結(jié)果，分別抽取各列數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)據(jù)序列。對于圖2中位置1的第i副圖像(i＝1,2,3…10)，定義其外參輸出結(jié)果的第一列為向量ai，第二列為bi，第三列為ci，第四列為pi；對于圖2中位置2的第j副圖像(j＝1,2,3…10)，定義其外參輸出結(jié)果的第一列為lj，第二列為mj，第三列為nj，第四列為qj。步驟s304、設(shè)定系數(shù)[μν]，其為靶標(biāo)連接桿軸心所在直線與靶面交點(圖1中點p處)在靶標(biāo)坐標(biāo)系(圖1中oxy)中的坐標(biāo)；設(shè)定系數(shù)[τxτyτz]，其為圖2中位置1時相機坐標(biāo)系下靶標(biāo)連接桿軸心所在直線與靶面交點的坐標(biāo)；設(shè)定系數(shù)[txtytz]，其為圖2中位置2時相機坐標(biāo)系下靶標(biāo)連接桿軸心所在直線與靶面交點的坐標(biāo)；對于s303中所述向量ai、bi和pi以及l(fā)j、mj和qj，可分別滿足如下數(shù)學(xué)模型：設(shè)定系數(shù)[αβγ]，其為靶標(biāo)連接桿軸心所在向量(圖1中向量n)在靶標(biāo)坐標(biāo)系(圖1中oxyz)中的表達(dá)；設(shè)定系數(shù)[λxλyλz]，其為圖2中位置1時相機坐標(biāo)系下靶標(biāo)連接桿軸心的向量表達(dá)；設(shè)定系數(shù)[ξxξyξz]，其為圖2中位置2時相機坐標(biāo)系下靶標(biāo)連接桿軸心的向量表達(dá)；對于s303中所述向量ai、bi和ci以及l(fā)j、mj和nj，可分別滿足如下數(shù)學(xué)模型：步驟s305、基于s304中所述的模型表達(dá)，采用s303所述的數(shù)據(jù)序列構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)分別為：根據(jù)上述第一個目標(biāo)函數(shù)和s303所述的數(shù)據(jù)序列構(gòu)造矩陣：其中i為3×3的單位矩陣，0為3×3的零矩陣采用常規(guī)最小二乘優(yōu)化求解方法，關(guān)于系數(shù)[μν]、系數(shù)[τxτyτz]和系數(shù)[txtytz]的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化結(jié)果為：[μv-τx-τy-τz-tx-ty-tz]t＝(λtλ)-1λtx其中[μν]的優(yōu)化結(jié)果即為靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸與靶標(biāo)面的交點在靶標(biāo)坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)。根據(jù)上述第二個目標(biāo)函數(shù)和s303所述的數(shù)據(jù)序列構(gòu)造矩陣：其中i為3×3的單位矩陣，0為3×3的零矩陣參考文獻(xiàn)“https://en.wikipedia.org/wiki/singular_value_decomposition”中所述齊次線性方程組優(yōu)化求解方法，對γ進(jìn)行奇異值分解(svd)：[usv]＝svd(γ)其中u由γγt的特征向量組成，v由γtγ的特征向量組成，奇異值矩陣s中最小的奇異值對應(yīng)的v中的奇異向量即為第二個目標(biāo)函數(shù)待優(yōu)化參數(shù)[αβγ-λx-λy-λzξxξyξz]的優(yōu)化結(jié)果，對[αβγ]進(jìn)行單位化：其即為靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸單位向量在靶標(biāo)坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)。保存上述兩組結(jié)果，完成綁定。重復(fù)采用本發(fā)明實例所述方法對四輪定位儀左前、右前、左后和右后四個靶標(biāo)進(jìn)行綁定。對于靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸與靶標(biāo)面的交點在靶標(biāo)坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)，通過靶標(biāo)設(shè)計圖紙的幾何關(guān)系導(dǎo)出其理論值為[82.5,82.5]，而采用本方法的綁定結(jié)果如下：左前靶標(biāo)[80.88,82.18]右前靶標(biāo)[80.46,83.28]左后靶標(biāo)[82.02,82.36]右后靶標(biāo)[80.78,83.09]對于靶標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸在靶標(biāo)坐標(biāo)系內(nèi)的表達(dá)，通過靶標(biāo)設(shè)計圖紙的幾何關(guān)系導(dǎo)出其理論值為[0.000000000000000,-0.866025403784439,0.500000000000000]，而采用本方法的綁定結(jié)果如下：左前靶標(biāo)[-0.000756130123085,-0.866461076360021,0.499244059974950]右前靶標(biāo)[0.001208345352530,-0.865413048788215,0.501057676209632]左后靶標(biāo)[0.000755444837647,-0.865675797292250,0.500604477892003]右后靶標(biāo)[0.000453951603072,-0.866983619410709,0.498336430136759]采用四輪定位儀和其校準(zhǔn)裝置對左前、右前、左后和右后四個靶標(biāo)的綁定結(jié)果進(jìn)行檢驗，通過四靶的前束和外傾角度測量值來反應(yīng)靶標(biāo)綁定結(jié)果的準(zhǔn)確性。如下表所示，將校準(zhǔn)裝置的前束標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置為0°、1.5°、3°、-1.5°及-3°，外傾標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置為0°、2.5°、5°、-2.5°及-5°，采用本方法獲取的綁定參數(shù)計算的各前束值和外傾值比采用理論值計算的結(jié)果更加準(zhǔn)確。見下表：當(dāng)前第1頁12