双目视觉拍摄角度对管长测量精度的影响研究

张见广，陆雨薇，2，李远智，罗 捷

（1.广西科技大学机械与交通工程学院，广西 柳州 545006；
2.广西土方机械协同创新中心，广西 柳州 545006；
3.柳州沪信汽车科技有限公司，广西 柳州 545006）

随着我国制造业的飞速发展，船舶产业也取得了卓越的成就，船舶管件作为重要组成部分，其加工工时约占船舶建造总工时的10%［1］，管件测量又是其中的必不可少环节，对其精确测量，不仅可以减少返工率，亦可以节省材料，实现管件的精确装配。目前，测量方法大致分为接触式测量和非接触式测量两种。

传统的卡尺测量、皮尺测量等接触式测量对人的依赖性较强，存在效率低，成本高，精度低，稳定性差等缺点；
以三坐标测量为代表的接触式测量方法虽然大幅度提高了测量精度，但测量速度慢，接触点容易变形，且设备极其昂贵占地大，不适用于量化生产。

目前，非接触式测量技术发展迅速，实时性强，精度高，可在复杂的环境下，代替人工完成工件的精确测量，已逐步成为尺寸测量的主流方式，双目视觉作为一种高精度的非接触测量方式，由于其精度高、测量速度快，已经广泛应用于零件的尺寸测量。双目视觉是人工智能的一个分支，通过图像摄取装置将获取的信息转换为图像信号，依据像素分布、亮度、颜色等信息，转为数字信号，代替人眼进行测量与检测。

近年来，双目视觉也逐步应用于测量系统中，如，文献［2］实现了小型工件的在线三维测量；
文献［3］实现数控机床任意轨迹轮廓误差三维高精度测量；
文献［4］用机器视觉分类技术实现了对铆接薄板孔组几何参数的测量。

目前使用双目视觉测量大型零件的研究还很少，主要原因在于双目相机视野有限，难以精确、全面地采集大型零件数据，需要采取转换的方式，采集与测量尺寸有关的特征点，拟合计算出零件尺寸，测量精度不高。船舶管件尺寸较大，同样存在这种问题。本研究采取拟合管件两端圆圆心位置坐标作为特征点的方式，用两圆心之间的距离作为管件长度的测量值。

首先需完成管件特征数据的采集，采集的图像难免包含较多噪点，特别是管件内壁反射的噪点会影响圆心位置的拟合精度。如何减少以及剔除噪点是提高测量精度的关键所在。本研究从拍摄角度出发，研究最佳拍摄角度的选取，最大限度地减少噪点的产生，以精确提取特征点信息，准确测量管件长度，并分析了误差产生的原因，以及如何通过控制拍照角度减少测量误差的产生，完成了管件长度的智能测量，减少了尺寸测量对人的依赖，也可为公司减少人工成本。

本研究为管件测量提出了一种新的非接触测量方法，可以提高测量的精度与稳定性，并用视觉测量系统对管件长度进行了精确测量。

2.1 视觉测量系统

本研究利用一台搭载于机器人末端的双目结构光相机对被测对象进行拍摄，用于数据的采集，如图1所示。

图1 测量系统组成Fig.1 Composition of Measuring System

其硬件由优傲机器人（Universal Robots）、结构光相机、计算机等组成，其中优傲机器人固定于实验室的测量平台上；
结构光相机测量精度为35µm，可完成数据的采集与初步处理。

2.2 管长的测量方法

双目视觉测量，利用视差原理，通过采集多幅图像确定被测物体三维信息［5］，如图2所示。对于空间内任意一点，两相机获取同一点位置A，相机上分别读取空间点位置A1、A2，由此可计算出空间点的位置A，对被测物各个特征点进行提取，完成特征对象的尺寸测量。

图2 双目视觉测量原理Fig.2 Principles of Binocular Vision Measurement

本研究测量系统以船舶大型管件为例，寻找合适的方法测量其尺寸。考虑到船舶管件尺寸较大的特点，难以对其进行三维信息构建。利用船舶管件两端为圆孔的特征，可采取固定管件，拟合两端圆心位置，计算两圆心距离的方法测其长度，管件长度测量示意图，如图3所示。具体测量流程，如图4所示。

图3 管件长度测量示意图Fig.3 Diagram of Pipe Length Measurement

图4 测量流程图Fig.4 Measurement Process

其中核心问题即为圆心位置的精确拟合，本研究采集数据之后通过最小二乘拟合［6］圆心位置，并对拟合精度做了验证，其具体拟合流程，如图5所示。

图5 管件圆心拟合流程Fig.5 Fitting Process of Pipe Fitting Center

2.3 误差分析

管件长度的测量精度取决于圆心位置的拟合的精度，圆心位置拟合的精度与多方面因素有关，比如数据的采集、手眼标定的精度、机器人的重复精度，拟合圆算法的精度等，其中数据的准确采集和特征点的精确提取影响较大，以下从几个方面分析测量精度的影响因素。

数据采集是尺寸测量的第一步，准确的数据采集有利于提高测量精度。不同的拍摄角度影响着噪点的产生数量。实验中发现，在以不同角度采集管件端面圆数据时，由于管件内壁上光的反射，产生的噪点数目有着较大的差异，在选取特征点拟合圆心位置时，容易将噪点误认为特征点，影响圆心位置拟合精度，如图6（b）所示。选取合适的拍摄角度，如图6（a）则可以减少由于管件内壁反射的噪点，进而提高圆心坐标的拟合精度，提高尺寸测量精度。

图6 拟合圆位置偏差示意图Fig.6 Fit the Schematic Diagram of the Circle Position Deviation

拍摄角度可以提高数据采集的精确性。当相机光轴线方向与管件轴线方向存在一定夹角时，管件内壁反射回来的信息会影响圆心位置的拟合，内壁噪点存在时，噪点会被误作为特征点，进行圆的拟合。圆心位置的拟合对管件长度尺寸的测量精度的影响可分为沿管件圆的径向误差，和沿轴线方向的轴向误差。如图7所示，O1O4—管件实际长度（管件端面实际圆心位置），O2O3—测量长度（拟合圆心位置），α—光轴方向与管件轴线夹角的余角图7（a）中O1O2为轴向误差，图7（b）中O1O2为径向误差。由图7可看出径向误差会使测量结果偏大，轴向误差会使测量结果偏大。

图7 圆心位置拟合偏差示意图Fig.7 Diagram of Center Position Fitting Deviation

先仅分析径向误差，由几何关系可知，则最大径向偏差如式（1）所示：

式中：L—管件实际长度；
d—两端圆径向最大误差

当仅有径向误差时，管件长度对测量精度的影响数量级为10-5，径向误差对管件的影响很小。

仅分析轴向误差，管件内壁噪点有可能被误作为特征点，经过试验发现，仅拍到管件边缘的一侧的特征点，总能参与拟合，现取其特征点，以及相对管件轴线对称的点，作为特征点，此时轴向误差应最大，由几何关系可知轴向最大误差，如式（2）所示。由轴向误差公式可知d2与R、α正相关。

式中：R—管件实际半径；
α—光轴方向与管件轴线夹角的余角。

当控制管件半径不变时，α角越大，测量误差就会越大；
控制拍摄角度不变，管件半径越大，测量偏差越大。

手眼标定，即相机与机器人之间的坐标转换关系，“眼”是移动的，要想测量空间内大零件的尺寸，需将“眼”中的信息转移到机器人固定的坐标系下。标定的精度直接影响测量精度［7］。本研究在进行长度测量时，受到相机视野的限制，需移动相机同时对管件两端进行数据采集，此时得到的圆心数据均为相机坐标系下的数据，两圆心之间的距离并不能代表管件长度。需利用手眼标定的结果，将得到的圆心坐标转换到同一基坐标系下，再进行长度的计算。经过试验验证得到手眼标定的重复精度可达到（±0.031）mm。

机器人的定位精度即机器人到达同一位置的精度，为排除其对管件测量误差的影响，试验之前对机器人的重复精度作了验证，经过验证其重复精度为（±0.021）mm。拟合圆算法的精度也影响着测量结果，本研究首先选取管件端面内圆上的特征点，采用最小二乘法拟合圆心坐标。为了排除管件内壁反射的噪点对拟合圆心位置精度的影响，在试验前，首先做一薄片圆，如图8所示。

图8 薄片圆试件Fig.8 Wafer Circular Specimen

固定机器人位置，对其进行多次采集数据，之后拟合其圆心位置，重复精度在（±0.023）mm，其结果，如表1所示。综上所述，影响测量精度的因素中，手眼标定的影响为（±0.031）mm，机器人重复精度为（±0.021）mm，拟合算法精度为（±0.023）mm，可见对测量精度的影响较小。数据采集引起的误差，主要来源于管件内壁处的噪点，可通过拍摄角度减少其对测量误差的影响。

表1 固定机器人位姿薄片圆相机坐标系下坐标Tab.1 Fixed Robot Pose Wafer Circular Camera Coordinate System Under Coordinates

相机拍摄角度对不同尺寸管件测量的敏感性不同，为了验证测量管件的尺寸（长度和半径）对测量精度的影响，试验选取三种长度不同、半径相同以及三种半径不同、长度相同的六种管件作为测量对象。利用视觉测量系统，改变相机拍摄角度，选取［84°，96°］拍摄角度对管件图像数据进行采集，为了方便描述，将相机光轴方向与管件轴线平行时定为90°方向。同一拍摄角度测量40组数据。拍摄示意图，如图9所示。并将测量结果与三坐标测量结果作对比。将管件分别设为管件A，管件B，管件C，管件D，管件E，三坐标测出的值，如表2所示。为精确测量管件尺寸及验证拍照角度对测量精度的影响。

表2 不同管件测量实际值Tab.2 Measured Actual Values of Different Pipes

图9 采集管件端面数据示意图Fig.9 Diagram of Collecting Pipe Head Face Data

经过大量的实验验证，其测量结果，如图10～图13所示。通过图10～图12可看出，随着拍照角度的变化，对不同管件长度进行测量时，长度测量值的变化趋势相同，验证了管件长度对测量结果影响很小；
从图10～图12可看出在进行管件测量时，拍照角度越接近90°，测量值波动越小，结果越准确，此时的测量精度可达到（±0.230）mm。

图11 置信度为95%的管件B测量结果分布Fig.11 The Distribution of Pipe Fitting B Measurement Results with B Confidence of 95%

图12 置信度为95%的管件C测量结果分布Fig.12 The Distribution of Pipe Fitting C Measurement Results with C Confidence of 95%

图13 在不同拍照角度下管件B、E、D的测量均值曲线图Fig.13 Measured Mean Curves of Pipe Fittings B，E and D at Different Photo Angles

通过图13可以看出，半径越大，测量结果随着拍摄角度的变化越明显；
当控制角度在［87°，93°］时，测量结果受拍照角度的影响较小，当角度在［84°，86°］时，半径越大曲线下降趋势越快，结果越不准确，从图中还可看出，测量值均值在［86°，87°］之间时，测量值急剧下降，因此，为了提高测量精度，可将拍摄角度控制在［87°，93°］。

（1）管件测量误差与手眼标定精度、机器人重复精度、拟合算法精度，采集数据的准确性有关，其中手眼标定精度、机器人重复精度和拟合圆算法精度对误差的影响较小，约占总体误差的（10～20）%，其中（80～90）%的误差来源于数据采集部分。改变拍摄角度可以减少数据采集中噪点的数量，提高圆心位置的拟合精度，大幅度提高测量精度。

（2）不同半径的管件受拍摄角度的影响不同，管件半径越大，拟合圆心位置受拍摄角度的影响越大；
拍摄角度越偏离90°，产生的轴向误差越大，测量精度越低。对于像船舶管件普遍尺寸较大的零件，更要保证测量精度，应尽量控制拍摄角度在［87°，93°］测量精度可达到（±0.230）mm。

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