[发明专利]单轴平移台与结构光3D传感器联合测量标定方法

摘要

本发明单轴平移台与结构光3D传感器联合测量标定方法属于视觉测量领域，涉及一种单轴平移台与结构光3D传感器联合测量标定方法。该方法通过单轴平移台，使结构光3D传感器平移到指定位置，得到平移距离；保持结构光3D传感器在不同的位置下位姿静止不动，对标准陶瓷球件进行拍照，采集陶瓷球表面点云数据。对球面点云数据进行拟合，得到靶球球心在测量坐标系下的三维空间坐标；通过三坐标测量机完成标准陶瓷球件的高精度标定。通过至少3个不同位置下计算得到的球心三维空间坐标以及结构光3D传感器的平移距离，推导得出三个标定参数完成标定。该方法有效扩展了结构光3D传感器的应用范围，所用的标定件结构简单，价格便宜，有助于该方法的推广。

主权项

1.一种单轴平移台与结构光3D传感器联合测量标定方法，其特征是，该方法先安装固定结构光3D传感器、单轴平移台以及靶球件，再利用通过单轴平移台，使结构光3D传感器平移到指定位置，得到平移距离；同时保持结构光3D传感器在不同的位置下位姿静止不动，对标准陶瓷球件进行拍照，采集陶瓷球表面点云数据；对球面点云数据进行拟合，得到靶球球心在测量坐标系下的三维空间坐标；通过三坐标测量机完成标准陶瓷球件的高精度标定；通过至少3个不同位置下计算得到的球心三维空间坐标以及结构光3D传感器的平移距离，推导得出三个标定参数，即标定夹角余弦值的值进而完成标定；标定方法的具体标定过程如下：/n第一步、安置固定结构光3D传感器、单轴平移台以及靶球件/n将结构光3D传感器(1)与固定夹具(2)通过螺钉进行固定连接；之后再将固定好的结构光传感器(1)与固定夹具(2)安装到单轴平移台上(3)；安放位置需要确保结构光3D传感器运动平稳；结构光3D传感器(1)平动而不旋转；之后放置靶球件(4)，要求靶球件长轴与单轴平移台的运动轴平行，靶球件(4)上的靶球位于结构光3D传感器的有效测量范围内，保证每个靶球都可以拍摄到一个近似完整的半球面；结构光3D传感器的测量范围包含整个靶球件；靶球件的位置相对于单轴平移台静止不变；/n第二步、采集数据与预处理/n操控单轴平移台，将结构光3D传感器(1)移动到第一个位置，获取第一个靶球的表面点云的深度图，并记录当前结构光3D传感器(1)在单轴平移台上的位置(0,C₁,0)；将深度图上的RGB信息转换为每个点的坐标，通过最小二乘拟合，得出第一个位置下球1相对于测量坐标系的坐标(X₁,Y₁,Z₁)；球心坐标求解具体过程为：/n基于球面方程得出：/n /n将球面点云坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)……(x_n,y_n,z_n)带入其中，得到最小二乘方程组：/n /n最终，求出球心坐标(X₁,Y₁,Z₁)与半径R的最优解；把半径R作为一个检验值，如果R不在检定范围内，那么所求出的球心坐标(X₁,Y₁,Z₁)肯定有误；最后，多次拍摄，参照拉依达准则，过滤粗差点，得到平均值；/n之后重复上述操作，操控单轴平移台，分别移动结构光3D传感器(1)到其他至少3个位置，依次使用结构光3D传感器(1)拍摄靶球，获取靶球的球表面点云，分别求出不同位置下球心相对于测量坐标系的坐标(X₂,Y₂,Z₂)、(X₃,Y₃,Z₃)……(X_n,Y_n,Z_n)(n＞3)，并分别记录每次的拍摄位置(0,C₂,0)、(0,C₃,0)……(0,C_n,0)；/n第三步、计算标定参数/n工作过程中，平移台载物体进行移动，其运动过程视为平移；即相对于单轴平移台坐标系O_LX_LY_LZ_L，物体只平动而不发生转动，而单轴平移台坐标系O_LX_LY_LZ_L中的轴Y_L，其必然与3D传感器内部的测量坐标系O_MX_MY_MZ_M中的轴X_M、Y_M、Z_M存在夹角α、θ、β，其余弦值就是需要求解的标定参数；/n假设3D传感器内部的测量坐标系O_MX_MY_MZ_M沿Y_L移动一段距离l，设测量坐标系O_MX_MY_MZ_M下原有一点P₁，坐标为(X₁,Y₁,Z₁)；经平移变换后得到P′₁点，P′₁在新坐标系O_M′X_M′Y_M′Z_M′下坐标仍为(X₁,Y₁,Z₁)，但相对于原坐标系O_MX_MY_MZ_M，P₁′点的坐标则为：/n(X₁+l·cosα,Y₁+l·cosθ,Z₁+l·cosβ)； (3)/n坐标系平移，设坐标系下三个P₁、P₂、P₃……P_n，平移变换后得到P₁′、P₂′、P₃′……P_n′，那么有：/n /n由初等数学的几何知识，可知：/ncos²α+cos²θ+cos²β＝1(几何约束)； (5)/n采用靶标点系的距离约束与标定参数的几何约束，求解3个标定参数cosα、cosθ、cosβ，则需要3个以上的非齐次方程；为了确保数据的可靠性，则采用6个不同位置下的靶球来进行验证；靶球件中6个靶球不共线，并有明显的角度，长度不超过平移台活动范围；/n具体计算过程如下：/n经三坐标机验证的i球与k球的球间距为L_ik；/n在位置i下，测得第i号球的球心坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，此时结构光3D传感器在单轴平移台上(0,C_i,0)的位置；在位置k下，测得第k号球的球心坐标为(X_k,Y_k,Z_k)，此时结构光3D传感器在单轴平移台上(0,C_k,0)的位置；设从位置i与位置k，结构光3D传感器在平移台上所移动的距离l即为：l＝C_k-C；/n从位置i下测量坐标系O_MiX_MiY_MiZ_Mi，该坐标系下测得第i号球的坐标P_i为(X_i,Y_i,Z_i)；在位置k下测量坐标系O_MkX_MkY_MkZ_Mk，该坐标系下测得第k号球的坐标P_k为(X_k,Y_k,Z_k)；已知从坐标系O_MiX_MiY_MiZ_Mi下点(x_i,y_i,z_i)到坐标系O_MkX_MkY_MkZ_Mk下点(x_k,y_k,z_k)的平移变换表示为：/n /n则坐标系O_MiX_MiY_MiZ_Mi下，第k号球的坐标为(X_k+l·cosα,Y_k+l·cosθ,Z_k+l·cosβ)；此时利用两点间距公式，带入几何约束公式，整理后可得：/n(X_i-X_k)·cosα+(Y_i-Y_k)·cosθ+(Z_i-Z_k)·cosβ＝/n((X_i-X_k)²+(Y_i-Y_k)²+(Z_i-Z_k)²+(C_i-C_k)²-L_ik²)/(2(C_k-C_i)) (7)/n把复杂的三元二次方程转化为较为简单的三元一次方程，降低计算复杂程度；将不同位置下不同球心坐标带入其中，得到最小二乘方程组；为了方便表述，设有函数φ(P_i,P_k,C_i,C_k,L_ik)，即：/n /n建立最小二乘方程组如下：/n /n每两个点组成一个方程，排列组合一共有n(n-1)/2个方程；为了确保精度，同时提高效率，建议至少6个以上的方程；/n采用最小二乘方程组解法，解出三个标定参数cosα、cosθ、cosβ。/n