光笔式视觉测量系统中的测头中心自标定

三维坐标测量是现代工程测量特别是逆向工程中最为通用和普及的测量技术[1]↑年来，随着机床、机械、汽车、航空航天等大型工业生产规模的 日益扩大，对三维坐标检测手段 、检测速度和精度都提出了更高的要求，便携、快速、高精度、大尺寸测量成为现代测量技 术的-个重 要发展方向[2 5j。传统三坐标测量机 (Coordinate Measur-ing Machine，CMM)由于体积重、局限于笛卡尔正交坐标系和测量范围受 限等，不能适应现场大工件的快速测量。自20世纪 9O年代，-种新型的光笔式便携测量系统受到广泛重视和应用，如挪威 Metronor公 司的 solo/duo(单 目/双 目)光笔式 视觉测量 系统 ，瑞 士 Leica公 司的 T-probe激光跟踪仪等。国内多个高校也研究了基于单相机或者双相机光笔式视觉测量系统 ]，并取得-些成果。

测头中心在光笔坐标系下的位置精度直接影响系统的测量精度。为满足不同的测量要求，特别是深孔和隐藏点等难测点，需要更换不同形状的测头以完成测量。即使使用同-测头在重复安装时，由于安装力度不同也无法保证其测头位置不变，因此测头中心标定是测量前的必要准备工作。现有的光笔式视觉测量系统特别是国内研发的几种系统中 ，其测 头中心位置多采用光笔理论设计值 ，由于光笔的加工误差 ，测头 中心位置与理论值有较大差别，导致测量系统的精度不佳。

本文提出了-种基于系统测量模型和位置不变原理的测头中心标定算法。该算法使用-个参考标准锥，手持光笔使测头固定在锥孔中，晃动光笔上半部 分，CCD相机采 集不 同位姿 的光 笔 图像 ，通过计算每个姿态下光笔坐标 系和相机坐标系之间旋转平移关系，建立基于最小二乘准则的目标函数。利用非线性方程组最小二乘解的广义逆法对目标函数进行优化求解，从而获得测头中心在光笔坐标系下的实际位置。

2 测头中心 自标定方法2.1 光笔式视觉坐标测量系统模型与测量原理文献[6]介绍了-种三点共线式光笔测量系统 ，同时分析了多个控制点的情况 。由于三点测量模型对 3个 LED控制点在光笔坐标系下的位置要求很高，虽然文献E9]对系统的结构参数进行了标定，但其鲁棒性和精度仍达不到工业要求。本文在此基 础上 对光笔进 行改进 ，目前采用 的是10I ED圆形控制点 光笔，如图 1(b)中的光笔简图，测头采用 Metronor公司的可拆卸红宝石球形测头 ，其形状误差小于 0.1 。

光(a)测量系统组成(a)Establishment of meurement system被测目标(b)测量系统的坐标系建立(b)Establishment of coordinate systems图 1 光笔式视觉坐标测量系统Fig.1 I ight pen 3D vision coordinate measuring system由于光笔的加工存在误差，从而使控制点在光笔坐标系下的位置与理论设计有偏差。使用影像测量仪对各控制点在 xo Y平面上的位置进行精确测量，利用 CMM 测量两平面间的距离作为各点 z轴坐标 。

系统测量原理基于计算机视觉和接触式测量方法。测量时，将被测 目标置于 CCD相机视场内，光笔测头接触到被测目标表面，按下触发开关点亮控制点，相机摄蓉制点图像，实时传输到计第7期 刘书桂，等：光笔式视觉测量系统中的测头中心自标定算机经过软件处理，即可以得到测头中心位置在相机坐标系下的坐标。其中已知量包括经过标定的相机内部参数L1 、测头中心在光笔坐标系下的位置，以及控制点中心在像平面上的坐标，这些坐标可以利用图像处理算法获得1 。

2.2 建立标定模型按照图 1(a)搭建好测量装置，其中被测物换为标准锥固定在防震台上，调整相机位置使光笔图像尽量充满相机视常图 2所示为不同位姿的光笔图像采集示意图，手持光笔将测头固定于锥孑L中，前后左