[发明专利]用于获取焊缝高度信息的结构光视觉传感器参数标定方法

摘要

本发明用于获取焊缝高度信息的结构光视觉传感器参数标定方法，涉及非专用于特定变量的测量，是一种基于楔形标靶的结构光视觉系统参数标定方法，利用标定所得参数，对二维图像进行处理得到结构光的偏移量，即可计算得到焊缝高度信息，进而可计算出标靶上激光带与焊缝交点的三维坐标，具体步骤包括：第一步，对水平偏差进行识别；第二步，对垂直方向偏差进行识别；第三步，用摄像机进行结构光视觉系统参数标定；第四步，焊缝高度信息的获取。本发明方法的标定过程不涉及到大规模矩阵变换，计算量较小，不存在标靶的遮挡问题，也不存在求解有约束的非线性方程中出现的不收敛到全局最优解的难题。

主权项

1.用于获取焊缝高度信息的结构光视觉传感器参数标定方法，其特征在于：是一种基于楔形标靶的结构光视觉系统参数标定方法，步骤是：所述楔形标靶采用三角形楔形块，所用到的主要设备有摄像机、激光器、运动机构中的编码器、其中一个锐角为20°～60°的三角形楔形块、焊件、电子楔形游标尺和伺服电机，所述摄像机中主要涉及摄像机镜头；第一步，对水平偏差进行识别通过控制伺服电机将摄像机沿着结构光带平行的方向移动5mm～25mm的距离并测量记录，然后计算二维图像中焊缝在上下方向上移动的像素值，进而计算每个像素所代表的实际距离大小，即可得到像素值与实际距离值之间的比例系数K；第二步，对垂直方向偏差进行识别2-Ⅰ步，将三角形楔形块放在摄像机下方，确保激光器带刚好打在三角形楔形块边缘处；2-Ⅱ步，将三角形楔形块向前移动距离y_x1，激光器产生的结构光带会随着三角形楔形块的移动而沿着三角形楔形块的斜边向上移动，直到使该结构光带上升至水平面之上的高度AC＝10mm停止，结构光带在像平面上移动的距离为△y₁，移动过程中运动机构中的编码器会记录三角形楔形块向前移动的距离y_x1，在二维图像中处理并记录结构光带在像平面上移动的距离△y₁；2-Ⅲ步，重复2-Ⅱ步的操作过程，只是继续将三角形楔形块再向前移动距离y_x2，直到使结构光带上升至距水平面之上的高度A’C’＝20mm处停止，此时结构光带在像平面上移动的距离为△y₂，移动过程中运动机构中的编码器会记录三角形楔形块向前移动的距离y_x2，在二维图像中处理并记录结构光带在像平面上移动的距离△y₂；第三步，用摄像机进行结构光视觉系统参数标定将位于第2-Ⅰ步操作过程中的三角形楔形块位置中的三角形楔形块的锐角顶点所处的水平面0mm的位置标记作D，将位于第2-Ⅱ步操作过程中的三角形楔形块位置中的三角形楔形块的锐角顶点所处水平面0mm的位置标记作D1，将位于第2-Ⅲ步操作过程中的三角形楔形块位置中的三角形楔形块的锐角顶点所处水平面0mm的位置标记作D2，则D与D1之间的距离即为y_x1，D1与D2之间的距离即为y_x2，设激光器发出的线激光与位于第2-Ⅱ步操作过程中的三角形楔形块位置中的三角形楔形块的斜边交点为A，摄像机镜头中心记为O，摄像机镜头中心O与A的延长线交高度0mm的水平面于点B，作A到高度0mm的水平面的垂线，交水平面于点C，则三点组成△ABC；作摄像机镜头中心点O到高度0mm的水平面的垂线，交水平面于点O’，则三点O、B、O’组成三角形△OBO’，记AC之间的距离为h₁，根据△ABC∽△OBO’相似得：h1OO′=BCBO′---(1)]]>设激光器发出的线激光与位于第2-Ⅲ步操作过程中的三角形楔形块的位置的三角形楔形块的斜边交点为A′，摄像机镜头中心O与A′的延长线交高度0mm的水平面于点B′，作A′到高度0mm的水平面的垂线，交水平面于点C′，则三点组成△A′B′C′；作摄像机镜头1中心点O到高度0mm的水平面的垂线交水平面与点O’，则三点O、B′、O’组成三角形△OB′O’。记A′C′之间的距离为h₂。根据△A′B′C′∽△OB′O’相似得：h2OO′=B′C′B′O′---(2)]]>将激光器中心轴与竖直方向夹角记为θ，记BD=y₁，B′B=y₂,则BC=y₁-(y_x1-h₁/tanθ)，B′C′=y₁+y₂-(y_x1+y_x2-h₁/tanα)，记镜头中心O到高度0mm的距离OO’为H，第2-Ⅰ步中三角形楔形块锐角顶点D到摄像机光学中心轴OO’的距离为Y，即OO’=H，DO’=Y,可得BO′=Y+y₁,B′O′=Y+y₁+y₂，带入（1）与（2）可得：h1H=y1-(yx1-h1/tanα)y1+Yh2H=y1+y2-(yx1+yx2-h2/tanα)y1+y2+Y---(3)]]>其中h₁=10mm，h₂=20mm，α=20°～60°，将已知量带入，可得：由（4）式即可得到参数H、Y的值，另外，由图中几何关系可得：y_x1-AC/tanα＝AC*tanθ即：tanθ=yx1-AC/tanαAC---(5)]]>已知h₁=AC=10mm,α=20°～60°代入（5）得，由上式即可以计算出tanθ。至此，用摄像机进行结构光视觉系统参数标定完成，分别得到了参数K、H、Y、tanθ的数值；第四步，焊缝高度信息的获取在焊缝跟踪情况下，所要测量的是焊缝与结构光带交点处的焊缝高度信息，将要测量焊缝高度信息的焊件进行移动，直至要测量焊缝高度的焊缝焊点处与结构光带相交，记交点为M，作OM的延长线交0mm平面于点N，记N点与第2-Ⅰ步中三角形楔形块锐角顶点D的距离为y₃=ND，可见y₃是结构光带与要测量焊缝高度的焊缝焊点的交点M与第2-Ⅰ步中三角形楔形块锐角顶点D的水平距离，作M点到0mm平面的垂线，垂点为P，记点M与点P的距离为h₃=MP，根据△MNP∽△ONO’相似得：MPOO′=NPNO′]]>即为：h3H=y3-tanθ*h3y3+Y---(6)]]>即：h3=y3*Hy3+Y+tanθ*H=f(y3)---(7)]]>通过上式可以看到h₃是关于y₃的函数，将焊缝沿垂直结构光带方向移动，直至结构光带与要测量焊缝高度的焊点处相交，通过二维图像记录焊缝与结构光带交点处与摄像机镜头的光学中心轴OO’之间的距离△y3’，则△y3=△y3’-Y/K，即得到偏移量△y3的大小。则y3的大小即为y3=K*△y3，设定焊接初始点的水平面高度为0mm，当摄像机相对于焊缝存在竖直方向上的偏差时，就会导致图像中的激光条纹在左右方向上发生移动，此时焊缝不移动，当图像产生如此的变化时，通过图像处理记录焊缝与结构光带交点位移偏移量△y3，进而得知y3=K*△y3，结合（7）式即可识别出焊枪在垂直方向上与实际焊缝存在的偏差，至此，获得了焊缝与结构光带交点处焊缝高度信息，实现了三维摄像机坐标的重构。