一种激光视觉扫描系统的标定方法及装置

1.本发明属于机器视觉技术领域，特别是一种机器视觉标定技术。


背景技术：

2.在激光扫描测量系统中，激光扫描仪通过法兰盘固定在机械臂末端，但是激光扫描仪纹理较少，特征不明显，难于标定。
3.激光扫描仪坐标系需要统一到相机定位坐标系下，即完成两者的坐标转换，这是完成坐标统一转换的重要环节。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种激光视觉扫描系统的标定方法及装置，本激光视觉扫描系统的标定方法及装置利于对激光扫描仪的识别，使得激光扫描仪坐标系方便的统一到相机定位坐标系下。
5.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种激光视觉扫描系统的标定装置，包括标准球、相机，激光扫描仪通过法兰盘固定在机器臂末端，扫描仪上设置有相机可识别的圆形标志点。
6.在某些实施方式中，标准球设置在变形架上，所述变形架包括数个弧形剪叉单元，相邻两个弧形剪叉单元端部通过端部铰链彼此连接，弧形剪叉单元包括第一连杆与第二连杆，第一连杆与第二连杆中部通过中部铰链连接，外侧端部铰链上设置滑套，滑套内滑动的穿过有导杆，所述导杆一端连接内侧端部铰链，另一端设置标准球，相对的两个内侧端部铰链之间设置有伸缩控制装置。
7.在某些实施方式中，所述伸缩控制装置由转动装置控制在垂直标准球所在的平面转动。
8.一种激光视觉扫描系统的标定方法：
9.步骤一，确定整体坐标转换关系；
10.步骤二：不同坐标系下标志点的同名点匹配；
11.步骤三：激光坐标系下标准球球心的拟合求解；
12.步骤四：标志点坐标系与激光坐标系的标定求解。
13.在某些实施方式中，同名点匹配方法如下：
14.(1)构建基准距离库，对于散乱粘贴在激光扫描仪上的圆形标志点，以其中一个点为原点，建立平面平行激光扫描仪表面的标志点中间坐标系，得到标志点基于标志点坐标系下的三维坐标，由此计算两两标志点之间的距离，构成基准距离库，第i个点到其他点的距离集为其中的子集，对每个子集中的元素都升序排列；
15.(2)构建样本距离库，根据相机拍摄到的含有标志点的图像，对图像经过处理后得到标志点在相机坐标系下的三维坐标集合.计算两两标志点之间的距离，得到样本点距离库，对每个子集中的元素都升序排列；
16.(3)同名点匹配，根据空间距离不变性原则，完成同名点的匹配。
17.(4)svd求解转换矩阵，依前面步骤可得在标志点坐标系和相机坐标系两个不同坐标系下的对应标志点三维点坐标，求出标志点中间坐标系到相机定位坐标系的位姿变化关系。
18.在某些实施方式中，激光扫描仪在扫描标准球时，激光光束打在球的弧面上会得到一弯贴于球面的点云，根据点云数据拟合出弧面下的圆心坐标以及半径值，结合圆心坐标、弧面半径、球体半径之间的空间几何关系，进而可以推算出球心在扫描仪坐标系下的三维坐标。
19.在某些实施方式中，不改变标准球和相机的位置，借助机械臂移动激光扫描仪到任意位置进行多次测量，扫描仪位姿改变，可以得到标志点坐标系与扫描仪坐标系下的球心三维点坐标的多组关系等式，基于关系式利用最小二乘求解得到扫描仪坐标系和标志点坐标系的旋转矩阵、平移向量以及标准球在相机坐标系下的三维坐标值。
20.在某些实施方式中，对于机械臂的不同位置，以距离激光扫描仪最近的标准球的球心坐标为特征点，根据需要通过伸缩控制装置调节标准球的位置。
21.与现有技术相比，本激光视觉扫描系统的标定方法及装置具有以下优点：
22.本发明通过在扫描仪上随意粘贴圆形标志点实现鲁棒的精准定位。由于激光扫描仪无法直接准确获得某一特定特征点的坐标，结合其测量特点，建立以标准球球心为特征点的标定模型。利用激光扫描仪在扫描标准球时，激光光束在球的弧面上的点云结合圆弧与球心的几何关系，方便的得到球心在扫描仪坐标系下的三维坐标，继而结合标准球球心在相机的坐标，得到扫描仪坐标系和标志点坐标系的旋转矩阵、平移向量。
23.利用变形架可控制标准球的位置从而避免在机械臂的某些位姿下扫描仪距离标准球造成的误差，条点云拟合的准确度。
附图说明
24.在附图(其不一定是按比例绘制的)中，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示相似部件的不同示例。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
25.图1是标定装置的示意图；
26.图2是基准距离库的示意图；
27.图3是样本距离库的示意图；
28.图4是标准球标定示意图的示意图；
29.图5是实施例二的标定球的示意图；
30.图6是变形架变大后的示意图；
31.图7是图6的示意图。
32.图中，激光扫描仪1，机械臂2，相机3，标准球4，弧形剪叉单元5，第一弧形杆501，第二弧形杆502，中部铰链6，外侧端部铰链7，滑套8，导杆9，内侧端部铰链10，伸缩控制装置11，转动装置12，激光光束13。
具体实施方式
33.以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例，以下实施方式并不限制权利要求书所涉及的发明。此外，实施方式中说明的特征的所有组合未必是发明的解决方案所必须的。
34.本领域的普通技术人员应理解，所有的定向参考(例如，上方、下方、向上、上、向下、下、顶部、底部、左、右、垂直、水平等)描述性地用于附图以有助于读者理解，且不表示(例如，对位置、方位或用途等)对由所附权利要求书限定的本发明的范围的限制。另外，术语“基本上”可以是指条件、量、值或尺寸等的轻微不精确或轻微偏差，其中的一些在制造偏差或容限范围内。
35.实施例一
36.如图1、2、3、4所示，一种激光视觉扫描系统的标定装置，在激光扫描测量系统中，激光扫描仪1通过法兰盘固定在机械臂2末端，由于激光扫描仪纹理较少，特征不明显，为了方便视觉定位扫描仪的位置，通过在扫描仪上随意粘贴圆形标志点实现鲁棒的精准定位。
37.为了将扫描仪坐标系下的被测工件点云数据统一到相机3定位坐标系下，首先需要确定扫描仪坐标系和标志点中间坐标系之间的转换关系，这是完成坐标统一转换的重要环节。其中标志点粘贴在激光扫描仪上，这两个坐标系的转换在测量过程中不发生变化，可以看成是一个刚体变换。
38.但由于激光扫描仪无法直接准确获得某一特定特征点的坐标，结合其测量特点，建立以标准球4球心为特征点的标定模型。
39.步骤一：确定整体坐标转换关系
40.在整个柔性三维测量系统中，以o
s-x
syszs
代表激光扫描仪坐标系，o
b-xbybzb代表标志点坐标系，o
c-xcyczc代表相机坐标系，设标准球球心在相机定位坐标系下的三维坐标为pc(xc,yc,zc)，球心在激光扫描仪坐标系下的坐标为ps(xs,ys,zs)，这两个点之间存在以下转换关系：
[0041][0042]
其中，分别表示激光扫描仪坐标系到标志点坐标系的旋转、平移矩阵，同理代表标志点坐标系到全局定位坐标系下的位姿转换矩阵。
[0043]
步骤二：不同坐标系下标志点的同名点匹配
[0044]
该同名点匹配的工作思路如下：
[0045]
1、构建基准距离库
[0046]
对于散乱粘贴在激光扫描仪上的圆形标志点，以其中一个点为原点，建立x-y平面平行激光扫描仪表面的标志点中间坐标系。得到n个标志点基于标志点坐标系下的三维坐标ω
pw
＝{p1,p2,
…
,pn},其中pi＝(x
iw
,y
iw
,z
iw
),i＝1,2,
…
,n，由此计算两两标志点之间的距离，构成基准距离库ω
wd
＝{wd1,wd2,
…
,wdn}，其中wdi＝{d
ij
},j＝1,2,
…
,n,表示第i个点到其他点的距离集合，并且对每个子集wd中的元素都升序排列；
[0047]
2、构建样本距离库
[0048]
根据相机拍摄到的含有标志点的图像，对图像经过处理后得到m(m≤n)个标志点在相机坐标系下的三维坐标集合ω
pc
＝{q1,q2,
…
,qm},其中q
t
＝(x
tc
,y
tc
,z
tc
),t＝1,2,
…
,
m.计算两两标志点之间的距离，得到样本点距离库ω
cd
＝{cd1,cd2,
…
,cdm}，其中cd
t
＝{d
tk
},k＝1,2,
…
,m，同理对每个子集cd中的元素也都升序排列；
[0049]
3、同名点匹配
[0050]
根据空间距离不变性原则，完成同名点的匹配。计算δ＝|q
1-q2|，考虑到误差影响，通过相机重建得到的点之间的距离可能和真实距离存在一定偏差ε，在ω
wd
中寻找满足d∈[δ-ε,δ+ε]的元素{d
ab
}，a为1到n的整数，b为1到n的整数，得到q1的可能初匹配点集{pa,pb}，为了确定q1在标志点坐标系下的同名点，需要借用q1的距离子集cd1，遍历q1中的每一个子集，计算满足|cd1(t)-wd
*
(i)|≤ε,*∈{a,b}等式的个数x，若x≥m-1则说明q1对应于标志点坐标系下的同名点为q
*
。同理可以确定剩余m-1个标志点在标志点坐标系下的同名点。
[0051]
4、svd求解转换矩阵
[0052]
依前面步骤可得在标志点坐标系和相机坐标系两个不同坐标系下的对应标志点三维点坐标pc＝{p
c1
,
…
,p
cm
}和pb＝{p
b1
,
…
,p
bm
}，问题转化为已知匹配信息的点云配准问题，即寻找一个最优欧式变换，满足具体计算原理如下：
[0053]
(1)对这两组点计算质心位置，有
[0054][0055]
(2)计算每个点的去质心坐标，即
[0056][0057]
(3)则根据上述优化目标函数计算旋转矩阵，
[0058][0059]
令w为一个3
×
3的矩阵，对w进行svd分解，得
[0060]
w＝uσv
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0061]
式中，σ为对角矩阵，当w满秩时，
[0062]
r＝uv
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0063]
(4)最后计算平移向量，
[0064][0065]
由此可求出标志点中间坐标系o
b-xbybzb到相机定位坐标系o
c-xcyczc的位姿变化关系。
[0066]
步骤三：激光坐标系下标准球球心的拟合求解
[0067]
激光扫描仪在扫描标准球时，激光光束13打在球的弧面上会得到一弯贴于球面的点云，且扫描得到的点云x轴上的值都为0，根据点云数据可以拟合出这个弧面下的圆心坐标oc＝(0,y0,z0)以及半径值r0，结合圆心坐标、弧面半径r0、球体半径r0之间的空间几何关系，进而可以推算出球心在扫描仪坐标系下的三维坐标ps(xs,ys,zs)。
[0068][0069]
步骤四：标志点坐标系与激光坐标系的标定求解
[0070]
在标定过程中，不改变标准球和双目视觉定位系统的位置，借助机械臂移动激光扫描仪到任意位置进行多次测量，扫描仪位姿改变，可以得到多组关系等式：
[0071][0072]
表示第i次标定测量中标志点坐标系到全局定位坐标系的旋转平移矩阵，p
is
表示第i次标定测量中基于扫描仪坐标系下的球心三维点坐标。
[0073]
令其中r1,r2,r3表示旋转矩阵的每列向量，rv为一个9
×
1列向量，则上式可以表示为：
[0074][0075]
其中，符号代表两矩阵的克罗内积，为一个3
×
9的矩阵。
[0076]
以rv、pc为待求解变量，则上面等式可转化为ax＝b形式，
[0077][0078]
n表示标定过程中的测量次数，i3×3为三行三列的单位矩阵。
[0079]
对于该矩阵方程，可利用最小二乘求解得到：
[0080]
x＝(a
t
a)-1atbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0081]
最终通过该模型可求解得到扫描仪坐标系和标志点坐标系的旋转矩阵、平移向量以及标准球在相机坐标系下的三维坐标值。
[0082]
实施例二
[0083]
如图5、6、7所示，与上述实施例不同的是，标准球设置在变形架上，所述变形架包括数个弧形剪叉单元5，相邻两个弧形剪叉单元端部通过端部铰链彼此连接，弧形剪叉单元包括第一弧形杆501与第二弧形杆502，第一弧形杆与第二弧形杆中部通过中部铰链6连接，外侧端部铰链7上设置滑套8，滑套内滑动的穿过有导杆9，所述导杆一端连接内侧端部铰链10，另一端设置标准球4，相对的两个内侧端部铰链之间设置有伸缩控制装置11，伸缩控制装置的伸缩使得变形架变形，即改变各标准球的位置。
[0084]
所述伸缩控制装置由转动装置12控制在垂直标准球所在的平面转动，从而改变标准球所在平面。
[0085]
对于机械臂的不同位置，以距离激光扫描仪最近的标准球的球心坐标为特征点，变形架变形后的标准球的球心位置的变化可由变形架的几何结构及变形量确定。利用变形架可控制标准球的位置从而避免在机械臂的某些位姿下扫描仪距离标准球造成的误差。
[0086]
也可以在变形架中心设置一个位置固定的中心标准球，中心标准球的球心作为特征点，扫描仪通过标准球到中心标准球的距离获得特征点的坐标。
[0087]
也可以利用其中一个标准球球心作为固定特征点进行上述标定，如此可以获得激光扫描仪在不同空间区域的标定值。
[0088]
尽管本文较多地使用了一些术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。说明书及附图中所示的装置及方法中的动作、步骤等执行顺序，只要没有特别明示顺序的限定，只要前面处理的输出并不用在后面的处理中，则可以任意顺序实现。为描述方便起见而使用“首先”、“接着”等的说明，并不意味着必须依照这样的顺序实施。
[0089]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

技术特征：
1.一种激光视觉扫描系统的标定装置，其特征在于，包括标准球、相机，激光扫描仪通过法兰盘固定在机器臂末端，扫描仪上设置有相机可识别的圆形标志点。2.根据权利要求1所述的激光视觉扫描系统的标定装置，其特征在于，标准球设置在变形架上，所述变形架包括数个弧形剪叉单元，相邻两个弧形剪叉单元端部通过端部铰链彼此连接，弧形剪叉单元包括第一连杆与第二连杆，第一连杆与第二连杆中部通过中部铰链连接，外侧端部铰链上设置滑套，滑套内滑动的穿过有导杆，所述导杆一端连接内侧端部铰链，另一端设置标准球，相对的两个内侧端部铰链之间设置有伸缩控制装置。3.根据权利要求1所述的激光视觉扫描系统的标定装置，其特征在于，所述伸缩控制装置由转动装置控制在垂直标准球所在的平面转动。4.一种根据权利要求1或2或3所述激光视觉扫描系统的标定装置的标定方法，其特征在于：步骤一，确定整体坐标转换关系；步骤二：不同坐标系下标志点的同名点匹配；步骤三：激光坐标系下标准球球心的拟合求解；步骤四：标志点坐标系与激光坐标系的标定求解。5.根据权利要求4所述的激光视觉扫描系统的标定方法，其特征在于，同名点匹配方法如下：(1)构建基准距离库，对于散乱粘贴在激光扫描仪上的圆形标志点，以其中一个点为原点，建立平面平行激光扫描仪表面的标志点中间坐标系，得到标志点基于标志点坐标系下的三维坐标，由此计算两两标志点之间的距离，构成基准距离库，第i个点到其他点的距离集为其中的子集，对每个子集中的元素都升序排列；(2)构建样本距离库，根据相机拍摄到的含有标志点的图像，对图像经过处理后得到标志点在相机坐标系下的三维坐标集合.计算两两标志点之间的距离，得到样本点距离库，对每个子集中的元素都升序排列；(3)同名点匹配，根据空间距离不变性原则，完成同名点的匹配。(4)svd求解转换矩阵，依前面步骤可得在标志点坐标系和相机坐标系两个不同坐标系下的对应标志点三维点坐标，求出标志点中间坐标系到相机定位坐标系的位姿变化关系。6.根据权利要求4所述的激光视觉扫描系统的标定方法，其特征在于：激光扫描仪在扫描标准球时，激光光束打在球的弧面上会得到一弯贴于球面的点云，根据点云数据拟合出弧面下的圆心坐标以及半径值，结合圆心坐标、弧面半径、球体半径之间的空间几何关系，进而可以推算出球心在扫描仪坐标系下的三维坐标。7.根据权利要求4所述的激光视觉扫描系统的标定方法，其特征在于，不改变标准球和相机的位置，借助机械臂移动激光扫描仪到任意位置进行多次测量，扫描仪位姿改变，可以得到标志点坐标系与扫描仪坐标系下的球心三维点坐标的多组关系等式，基于关系式利用最小二乘求解得到扫描仪坐标系和标志点坐标系的旋转矩阵、平移向量以及标准球在相机坐标系下的三维坐标值。8.根据权利要求4所述的激光视觉扫描系统的标定方法，其特征在于，对于机械臂的不同位置，以距离激光扫描仪最近的标准球的球心坐标为特征点，根据需要通过伸缩控制装置调节标准球的位置。

技术总结
本发明提供了一种激光视觉扫描系统的标定方法及装置，属于机器视觉技术领域。它解决了现有技术中激光视觉扫描系统标定的问题。本激光视觉扫描系统的标定方法及装置，包括标准球、相机，激光扫描仪通过法兰盘固定在机器臂末端，扫描仪上设置有相机可识别的圆形标志点。标定方法：步骤一，确定整体坐标转换关系；步骤二：不同坐标系下标志点的同名点匹配；步骤三：激光坐标系下标准球球心的拟合求解；步骤四：标志点坐标系与激光坐标系的标定求解本发明。通过在扫描仪上随意粘贴圆形标志点实现鲁棒的精准定位。建立以标准球球心为特征点的标定模型，结合标准球球心在相机的坐标，得到扫描仪坐标系和标志点坐标系的旋转矩阵、平移向量。向量。向量。


技术研发人员：罗哉 巫春燕 杨力 江文松 胡晓峰 范伟军 郭斌
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2021.12.13
技术公布日：2022/3/8