一种基于合作标靶单相机的三维位移测量方法

本发明涉及测量测试，尤其涉及一种基于合作标靶单相机的三维位移测量方法。

背景技术：

1、在机械工程、精密制造及结构健康监测等领域，经常需要测量空间内某一点的运动情况，特别是其在三维空间中的六自由度位移（包括三个平动自由度和三个转动自由度）。目前，测量空间点三维位移的常见技术方案是采用双目视觉原理，即使用两个相机同时拍摄被测点，通过左右图像的匹配与视差计算实现空间坐标的测量。其具体过程包括：首先，根据测量对象设置两个成一定角度的相机，确保被测物体同时位于两个相机的视场范围内；其次，利用棋盘格标定法等对双目相机系统进行内参和外参标定；然后，对于被测点，通过左右图像匹配获取其空间三维坐标；最后，在被测点发生位移后再次测量其坐标，两次坐标值相减得到三维位移。

2、然而，现有技术存在以下缺点：其一，需要两个相机，系统构成复杂，成本较高；其二，测量前必须对相机的内、外参数进行精密标定，操作过程繁琐；其三，现有方法通常只能测量一个点的三个平动自由度位移，无法同时获取三个转动自由度位移信息。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术的不足，而提供一种基于合作标靶单相机的三维位移测量方法，以简化测量系统、降低操作复杂度，并实现空间点六自由度位移的同步测量。

2、本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

3、一种基于合作标靶单相机的三维位移测量方法，包括以下步骤：

4、步骤一：制作合作标靶，合作标靶包括基座、第一杆体、第二杆体、第三杆体、第四杆体、第一球体、第二球体、第三球体、第四球体；第二球体、第三球体、第四球体分别通过第二杆体、第一杆体、第三杆体与第一球体两侧及顶部的中心固接；第一球体底部中心与第四杆体固接，第四杆体底部与基座顶部之间通过可锁紧的球铰链连接；

5、步骤二：将合作标靶的基座固接于被测点；

6、步骤三：安放单个相机，并使相机的光轴中心对准第一球体的球心；

7、步骤四：调节球铰链，使第一球体、第二球体、第三球体、第四球体的球心所构成的平面与相机的光轴垂直，然后锁紧球铰链；

8、步骤五：利用单个相机分别采集被测点位移前和位移后的图像；

9、步骤六：通过图像处理算法，分别提取位移前和位移后图像中第一球体、第二球体、第三球体、第四球体的球心像素坐标及球体像素半径；

10、步骤七：根据提取的位移前后第一球体、第二球体、第三球体、第四球体的球心像素坐标变化和球体像素半径变化，通过预设的计算模型，一次性解算出被测点在三维空间中的三个平动位移分量和三个转动位移分量。

11、特别的，步骤一中，第一杆体、第二杆体、第三杆体、第四杆体、第一球体、第二球体、第三球体、第四球体均由低热膨胀系数材料制成，且第一球体、第二球体、第三球体、第四球体的直径为100-200mm，相邻球体之间的距离为球体直径的3倍。

12、特别的，步骤三中，相机的靶面尺寸为1/3英寸，分辨率不低于2000像素×2000像素；相机的镜头选择需满足：单个球体的直径在采集到的图像中占据30-60个像素；

13、根据以下公式计算出物距后，选择参数接近的镜头：

14、。

15、特别的，步骤四中，球铰链具体调节方法为：通过球铰链调整球体-杆体结构的俯仰姿态，并实时观测单个相机配套软件显示的四个球心坐标，计算第一球体与第三球体、第二球体与第四球体的球心距离，当这两个距离同时达到最大值时，判定为垂直。

16、特别的，步骤七中，预设的计算模型包括：

17、水平位移δx的计算公式：；

18、其中，第一球体水平位移为第一球体的球心像素横坐标变化量；

19、竖直位移δy的计算公式：；

20、其中，第一球体竖直位移为第一球体的球心像素纵坐标变化量；

21、离面位移δz的计算公式：；

22、绕水平轴的转动角度α的计算公式：

23、；

24、绕竖直轴的转动角度β的计算公式：

25、；

26、绕相机光轴的转动角度γ的计算公式：

27、。

28、特别的，球铰链的球铰杆顶部固接有连接板，连接板与第四杆体固接，球铰链的底座两侧设有与球窝腔连通的螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有压紧螺栓，球铰链的球头通过压紧螺栓压紧锁定。

29、本发明的有益效果是：本发明通过设计特制的合作标靶，利用单个相机即可实现空间点三维六自由度位移的同步测量，相比现有双目视觉方法，系统结构大幅简化，成本显著降低；测量前无需对相机进行复杂的内外参数标定，仅需简单对准和姿态调节，操作便捷；通过四个球体的球心坐标和像素半径变化，能够一次性解算出三个平动位移和三个转动位移，信息获取完整，适用于机械运动分析、结构变形监测等多种工程场景。

1.一种基于合作标靶单相机的三维位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于合作标靶单相机的三维位移测量方法，其特征在于，步骤一中，第一杆体（2）、第二杆体（3）、第三杆体（4）、第四杆体（5）、第一球体（6）、第二球体（7）、第三球体（8）、第四球体（9）均由低热膨胀系数材料制成，且第一球体（6）、第二球体（7）、第三球体（8）、第四球体（9）的直径为100-200mm，相邻球体之间的距离为球体直径的3倍。

3.根据权利要求1所述的一种基于合作标靶单相机的三维位移测量方法，其特征在于，步骤三中，相机的靶面尺寸为1/3英寸，分辨率不低于2000像素×2000像素；相机的镜头选择需满足：单个球体的直径在采集到的图像中占据30-60个像素；

4.根据权利要求1所述的一种基于合作标靶单相机的三维位移测量方法，其特征在于，步骤四中，球铰链（10）具体调节方法为：通过球铰链（10）调整球体-杆体结构的俯仰姿态，并实时观测单个相机配套软件显示的四个球心坐标，计算第一球体（6）与第三球体（8）、第二球体（7）与第四球体（9）的球心距离，当这两个距离同时达到最大值时，判定为垂直。

5.根据权利要求1所述的一种基于合作标靶单相机的三维位移测量方法，其特征在于，步骤七中，预设的计算模型包括：

6.根据权利要求1所述的一种基于合作标靶单相机的三维位移测量方法，其特征在于，球铰链（10）的球铰杆顶部固接有连接板（11），连接板（11）与第四杆体（5）固接，球铰链（10）的底座两侧设有与球窝腔连通的螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有压紧螺栓（12），球铰链的球头通过压紧螺栓（12）压紧锁定。