一种工业相机在封堵装置上的高精度手眼标定方法

本发明涉及具有大惯性、大尺寸的隔水管与试压端封堵装置轴孔装配的，具体涉及一种工业相机在试压端封堵装置上的高精度手眼标定方法。

背景技术：

1、钻井隔水管轴孔装配系统包含试压端封堵装置、隔水管、视觉传感器。在对钻井隔水管进行抗疲劳试验过程中，为保证对接过程中各管道的密封组件不受到损伤，首先要将试压端堵头进行对中，即与隔水管法兰端面保持平行，各管口位对正，再轴向插入，使主、副管密封组件进入密封位。传统的人工装配对位技术在试压端封堵装置堵头和隔水管法兰端面装配中需要连续的调整试错，导致进行抗疲劳试验的效率非常低下，因此需要通过视觉传感器引导试压堵头移动到操作位置，来实现钻井隔水管系统自动化装配从而提升其试验效率。考虑到试压端封堵装置参数、视觉误差、控制系统等因素的影响，实现试压堵头和隔水管法兰端面精确、快速地自动装配，高精度的手眼标定方法是必要前提。手眼标定就是将工业相机和试压堵头两者协调在一起，通过运算的方式让它们成为相对关系已知的一个整体，使得试压堵头可以与工业相机获取的外部环境信息进行智能交互。

2、文献“tsai ry,lenz rk.a new technique for fully autonomous andefficient 3 d robotics hand/eye calibration[j].ieee transactions on roboticsand automation,1989,5(3):345-358.”提出了一种基于两步法的手眼标定算法。该方法将手眼矩阵拆开成旋转和平移两个部分，首先解算出旋转部分，然后对旋转部分进行正交化再求出平移部分。针对钻井隔水管轴孔装配系统，tsai两步法需要控制转动平台移动较大的角度才能标定，难以直接适用于试压堵头姿态变化范围小的情况，否则手眼标定的结果精度低导致隔水管自动装配失败。因此提出一种易操作的高精度手眼标定方法用于试压堵头和隔水管法兰端面的精确对准是当前需要解决的问题。

技术实现思路

1、①解决的技术问题

2、针对试压端封堵装置堵头姿态变化范围小的问题，本发明提供一种工业相机在试压端封堵装置上的高精度手眼标定方法。该方法首先将工业相机固定在试压端封堵装置上，利用张正友标定法得到工业相机的内参矩阵和镜头畸变系数，完成对工业相机的标定；然后对手眼标定板进行加工，所阐述的手眼标定板是由任意四个反光球刚体粘附在光滑的平面板上组成，并通过motioncapture系统精确测量手眼标定板上的四个反光球之间的位置关系，所阐述的motioncapture系统是市面上常用的运动捕获系统，利用事先校准好的八个红外相机，识别出一个反光球刚体与另一个反光球刚体，从而精确地计算出相邻球心的物理坐标；最后通过已标定的工业相机获取手眼标定板坐标系在相机坐标系下的位置关系，通过标准的dh建模方法求出试压堵头坐标系在基座坐标系下的关系，从而求出手眼关系，为后面装配环节中法兰端面在试压堵头坐标系下的位姿调整量提供参考。

3、②技术方案

4、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种工业相机在试压端封堵装置上的高精度手眼标定方法。

5、本发明的技术方案包括以下步骤：工业相机内参数标定；控制试压端封堵装置从位置1小幅度运动到位置2，再从位置2小幅度运动到位置3，同时在每个位置时求取手眼标定板在工业相机坐标系下的位置关系和试压端头在基座坐标系下的位置关系；使用矩阵重排的方法计算手眼矩阵。

6、(a)对钻井隔水管轴孔装配系统中的工业相机进行内参数标定。选用由49个黑色圆点组成的二维平板作为内参标定的靶标，采集多张不同角度及位置的靶标图片，使用张正友标定法进行标定，从而获得工业相机的内参矩阵。

7、(b)通过已标定的工业相机测量手眼标定板坐标系和工业相机坐标系之间的外部参数。首先把手眼标定板固定贴在隔水管法兰面上，通过工业相机获取手眼标定板上反光球的图像，采用手工选点的方式获得反光球的中心像素坐标，然后通过motioncapture系统计算出四个反光球中心的物理坐标，最后通过pnp算法得到手眼标定板坐标系到工业相机坐标系的转换关系。所述pnp算法是已知工业相机内参数的情况下，通过手眼标定板上的四个反光球物理坐标与其像素坐标的对应关系，从而求出手眼标定板在工业相机坐标系下的位置关系。

8、(c)通过已建立好的试压端封堵装置运动学模型测量试压堵头坐标系和工业相机坐标系之间的相对位姿，通过标准的dh建模方法确定试压端封堵装置的堵头和基座之间的关节扭角，利用其实物图纸来确定试压端封堵装置的堵头和基座之间的连杆距离。

9、(d)首先考虑手眼矩阵的旋转部分，通过试压端封堵装置的2次小幅度旋转运动，得到两个线性方程，通过矩阵重排可以获得其秩为8的18×9的矩阵，将该矩阵进行奇异值分解得到最小特征值对应的特征向量，在经过施密特单位正交化之后，就得到了线性组方程的旋转特解。对于手眼矩阵的平移部分，利用矩阵重排和最小二乘法求出，将旋转和平移部分重新组合，即可得到手眼转换矩阵。

10、③发明的效果

11、该方法考虑到了钻井隔水管自动对接系统中大惯性、大尺寸的特点，由于试压端封堵装置移动范围小，轴孔装配精度要求高的特性，如果手眼标定结果不准确，会造成对接失败。对于手眼标定矩阵旋转部分，通过矩阵重排、奇异值分解和施密特单位正交化，得到旋转部分的特解。对于平移部分，利用矩阵重排和最小二乘法即可求出。为了验证该方法的精度，重新初始化试压端封堵装置，控制其封堵装置小幅度移动六次，获得六组手眼标定板在工业相机下的位姿关系和试压堵头在基座下的位姿关系，利用本标定方法求解出的手眼矩阵，计算出手眼矩阵的相对误差平均数在0.04。

技术特征：

1.一种工业相机在试压端封堵装置上的高精度手眼标定方法，其特征在于步骤如下：

技术总结
发明名称一种工业相机在试压端封堵装置上的高精度手眼标定方法摘要本发明公开了一种工业相机在试压端封堵装置上的高精度手眼标定方法。且该系统由试压端封堵装置、工业相机、标定板三部分构成；其标定方法包括以下步骤：(1)求解相机内参矩阵与畸变矩阵，完成像素坐标系与相机坐标系的转换；(2)试压端堵装置执行2次小幅度运动，让其安装在封堵装置末端的工业相机在3个不同的位置拍摄标定板；(3)利用4个反光球的世界坐标系和图像坐标采用PNP算法完成每幅图像中相机坐标系与对应的世界坐标系的转换；(4)再根据工业相机外部参数和封堵装置的2次运动参量，用矩阵重排的方法求解手眼转换矩阵。本发明解决了试压端封堵装置姿态变换范围小的问题，并且该标定过程简单，计算量小，精度高，适用范围较广。

技术研发人员：邵延华,张晓强,聂常东,楚红雨,常志远
受保护的技术使用者：西南科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23