基于激光跟踪器的非重叠视场多相机系统全局标定方法及其在大型工业部件轮廓测量中的应用

本文创新性地提出了一种基于激光跟踪器的线激光测量系统，通过新型环形标定靶（circular target）和重投影误差优化全局标定方法，解决了多相机系统在非重叠视场（non-overlapping FOV）下的高精度标定难题。该系统将各测量单元点云转换至激光跟踪器坐标系（GCS），实现了大型工业部件轮廓的毫米级精度重建（RMSE 0.582 mm），为航空航天等领域的大尺寸检测提供了新方案。

　　

Highlight

本文的核心贡献在于：

• 首次提出基于激光跟踪器（laser tracker）的线激光测量系统，显著提升大型部件轮廓测量效率与精度

• 设计新型环形标定靶（circular target），作为相机坐标系与激光跟踪器坐标系转换的桥梁

• 提出重投影误差优化全局标定方法，通过将点云重投影至标定靶圆点实现高精度刚性变换矩阵求解

Motivation

现有标定方法或操作繁琐，或依赖相机对校准技术，导致误差累积问题。激光跟踪器凭借大范围高精度测量优势，为本研究提供了关键技术支持。

Camera calibration model

相机投影模型遵循公式：

s[u v 1]^T = K·[R|T][X_w Y_w Z_w 1]^T

其中K为内参矩阵，R/T为旋转平移矩阵，通过新型标定靶实现世界坐标系与图像坐标系的精确映射。

The proposed global calibration method

通过特征标定物建立相机与激光跟踪器坐标系的刚性变换关系，利用重投影误差最小化算法优化转换矩阵^c_lH，最终实现亚毫米级标定精度。

Experiments

13个测量单元组成的实验系统对列车轮廓检测显示，均方根误差（RMSE）达0.582 mm，验证了该方法在大型工业检测中的稳定性和鲁棒性。

Conclusion

本系统成功实现了多相机点云在激光跟踪器坐标系下的统一拼接，为航空航天等领域的超大部件三维检测提供了创新解决方案。