CN110806571B - 一种多结构光传感器空间姿态标定件及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多线结构光传感器空间姿态标定方法，属于精密测量领域。本发明基于多个线结构光传感器和异形校准件，提出了一种多结构光传感器空间姿态标定用校准件及其标定方法。这种方法适用于沿圆周方向分布的多个线结构光传感器对具有回转轴的机械零部件的测量。该方法利用最小二乘法对两段直线进行拟合，通过对拟合结果的坐标数据关系分析和计算，实现了对多个线结构光传感器的位姿关系标定。

Description

一种多结构光传感器空间姿态标定件及其标定方法

技术领域

本发明涉及一种多结构光传感器空间姿态标定用标准件及其标定方法，属于精密测量领域。

背景技术

线结构光传感器是在激光三角测量原理基础上发展的传感器，其可以在一定的量程范围内获取传感器激光零位平面与被测物表面之间的距离。线结构光传感器属于非接触式测量，其快速、高精度、结构简单和使用简便的特点方便了工业应用，传感器高度封装使用人员无需了解激光知识便能够使用激光进行精密测量。一般情况下，线结构光传感器输出二维数据，经过适当的标定和计算，能够推算出被测物的三维信息。

在测量物体表面几何尺寸前，必须标定线结构光传感器与被测物所在坐标系的空间位置关系，标定的方法与被测物的几何形状和测量***的结构关系密切。对于旋转测量机构和***，被测物一般使用极坐标系(二维)或圆柱坐标系(三维)表示，所以线结构光传感器的坐标标定也必须在圆柱坐标系下进行。本文的标定方法是将多个线结构光传感器测得的二维距离值转换为被测物圆柱坐标系的三维值：(ρ，θ，h)。

在实际测量过程中，需要按照被测物特点选择合适标定方法，本方法是针对使用多个线结构光传感器测量柱状零件(圆柱、齿轮等)等旋转件，且该旋转件放置可旋转的轴系上的传感器姿态标定。标定过程中，需要先将一个标定件放置在旋转轴系中心，该标定件上的特定点，直线或者面已经经过其他测量仪器的测量和评定，使其精度信息已知。将线结构光传感器对此标定件的测量数据和既有精度信息进行关联，即可对线结构光光传感器的位置和结果进行标定。不同的测量传感器和装置使用不同的标定件进行标定，标定件一般为特殊外形的机械零件，一般称之为异性标定件。

发明内容

为了解决围绕旋转轴的多个线结构光传感器的坐标标定问题，本发明专利提出了一种异形标定件及标定方法。该方法将本发明专利提出的高精度异形标定件固定到回转轴系，调整各个线结构光传感器与异形标定件的相对位置，线结构光传感器光线以一定角度倾斜对准标定装置并且使得激光线跨越异形标定件的凹槽处，使得异形标定件表面位于传感器的量程之内，能够正常读取测量数值，如图1所示，l为线结构光传感器的激光宽度，标定装置的凹槽最深处大致位于激光平面的中部。以此为基础进行坐标标定。

本发明涉及的姿态异性标定件，是在一正方体金属块基础上，在其前后左右四个面分别切割相同高度的等腰三角形，标定件中心设置一通孔方便卡盘固定。该异性标定件的前后左右四个面由等腰三角形的两边组成，使用三坐标测量机或者其他测量装置进行测量，明确其精度信息。

一种多线结构光传感器空间姿态标定方法，该方法的具体步骤如下：

S1.建立线结构光传感器与标定装置表面的理论位置模型；

线结构光传感器与异性标定件的理论位置为：

第一、线结构光传感器激光平面垂直于标定件的前后左右四个平面。

第二、线结构光传感器的激光平面被等腰三角形的定点平分，即等腰三角形的顶点在激光平面的中心。

在上述理论位置的基础上，设异形标定件同侧上下表面的夹角为α，传感器激光宽度为l，设理想情况下，传感器激光平面与平面交线垂直，建立线结构光传感器与异性标定件的理论位置模型，则此时传感器的测量数据如图2所示。

两条测量直线夹角为α，其中

其中，OA₀是线结构光传感器激光方向与异性标定件的接触深度，为等腰三角形顶点距离激光平面与异形标定件接触最远端连线的法向距离

S2.激光平面沿X方向偏转时的位姿判断；

在S1所述的理论位置模型基础上，当激光平面只沿X方向偏转时，线结构光传感器中的测量数据，左右分布不变，Y方向的测量数据存在变化，最大值比OA₀大，如图3所示，OA为X方向发生偏移时，线结构光传感器与异性标定件接触的实际高度。则激光平面的偏转角度为：

S3.激光平面只沿Y方向偏转时的位姿判断；

当激光平面只沿Y方向偏转时，线结构光传感器中的测量数据，Y方向的最大值不变，但左右分布不相等，如图4所示，左侧长度l₀，右侧长度l₁，左右比值决定了传感器的Y方向偏移程度，激光平面的Y轴偏转角度α_y为：

S4.一般位置的激光平面位姿判断；

一般位置的线结构光传感器的位姿会同时沿X方向和Y方向偏转，且异形标定件的实际测量数值有相应误差，测量结果如图5所示。

如图所示，散点为线结构光传感器的测量数据，设左侧数据S₀＝{x₀，x₁，...，x_n}，右侧数据S₁＝{x₀，x₁，...，x_m}，及左右两条直线表达式

根据最小二乘法，分别拟合两条直线：

拟合完成后，则根据S2和S3的分析可得，

S5.将异形标定件固定到旋转坐标系上，如高精度转台等设备，旋转异形标定件，找到先结构光传感器测量数据中最大值A最小的时候，该值为A₀，

则

至此，线结构光传感器的坐标关系标定完毕。

本发明专利所提出的一种适合多个线结构光传感器空间姿态标定用异形标定件和相应的标定方法，结构简单明了，目前的制造工艺水平能够加工出高精度的几何特征。该异形标定件能够在通用的旋转平台上使用，利用异形标定件表面与线结构光传感器激光平面相交的直线特性进行坐标转换和位置姿态标定，精度较高，利用最小二乘对直线的拟合技术成熟，精度较高，能够真实反映实际坐标数值关系。

附图说明

图1为标定原理整体图示

图2为理想位置布局图示。

图3为X方向偏转示意图。

图4为Y方向偏转示意图。

图5为Y一般位置示意图。

具体实施方式

以下结合具体标定实例对本发明进行说明。

选择适当方式固定4个线结构光传感器，使其激光平面以倾斜方向与异形标定件相交，调整各个线结构光传感器和异形标定件的相对位置，使异形标定件的各个平面在线结构光传感器的测量范围之内且激光平面横跨异形标定件前后左右四个方向的等腰三角形顶点。

按照上述的标定步骤，分别对各个线结构光进行如下操作：

选取适当的位置，得到二维点集合X₀＝(x_i，y_i)，，按照图2所示，将此点集合分为直线的两段，用最小二乘法拟合两条直线，通过三角函数计算出OA和OA₀，则根据可计算出线结构光传感器在x方向的倾斜角度α_x。

在步骤1的基础上，利用三角形的边角关系计算出l₀和l₁，根据可以得到线结构光传感器在y方向的倾斜角度α_y。

重复步骤1和2若干次，计算平均值，即可得到准确的空间姿态。

Claims (2)

1.一种多线结构光传感器空间姿态标定方法，利用线结构光传感器的测量特点及旋转件测量位置关系，设计了专用的坐标位置标定件，在高精度正方体的基础上，在标准正方体的前后左右四个面分别切割一个相同高度的等腰三角形，形成的凹形多面体，作为结构光传感器的测量平面，则传感器的测量结果为两条相交的直线；每一个结构光传感器的激光平面与标定件相交为两段直线，通过精确拟合这两条直线得到每一个传感器与标定件的空间几何关系，最终将每一个线结构光传感器的坐标值转换到旋转测量坐标系上；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：适当方式固定每一个线结构光传感器，使其平面激光束从倾斜方向与异形标定件相交，调整位置使激光接触区域在线结构光传感器测量有效区域内，测量数据即为传感器坐标系下的二维数据，多次测量取均值，得到二维点集合X₀＝(x_i,y_i)

步骤2：分别选取两条直线的拟合区域，分别对两条直线进行拟合得到直线参数

步骤3：根据两条直线夹角计算结构光相对于旋转坐标系x,y轴方向夹角

步骤4：根据两条直线在x轴的投影计算结构光传感器相对于旋转坐标系z轴方向的夹角；

步骤5：将线结构光传感器坐标数据转换到旋转坐标系下，完成坐标标定。

2.根据权利要求1所述的一种多线结构光传感器空间姿态标定方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：

S1.建立线结构光传感器与标定装置表面的理论位置模型；

线结构光传感器与异性标定件的理论位置为：

线结构光传感器的激光平面被等腰三角形的顶点平分，即等腰三角形的顶点在激光平面的中心；

在上述理论位置的基础上，设异形标定件同侧上下表面的夹角为α，传感器激光宽度为l，设理想情况下，传感器激光平面与异形标定件同侧上下表面的平面交线垂直，建立线结构光传感器与异性标定件的理论位置模型；

两条相交的直线夹角为α，其中

其中，OA₀是线结构光传感器激光方向与异性标定件的接触深度，为等腰三角形顶点距离激光平面与异形标定件接触最远端连线的法向距离；

S2.激光平面沿X方向偏转时的位姿判断；

在S1所述的理论位置模型基础上，当激光平面只沿X方向偏转时，线结构光传感器中的测量数据，左右分布不变，Y方向的测量数据存在变化，OA为X方向发生偏移时，线结构光传感器与异性标定件接触的实际高度；则激光平面的偏转角度为：

S3.激光平面只沿Y方向偏转时的位姿判断；

当激光平面只沿Y方向偏转时，线结构光传感器中的测量数据，Y方向的最大值不变，三角形底边垂心的左侧长度l₀，三角形底边垂心的右侧长度l₁，左右比值决定了传感器的Y方向偏移程度，激光平面的Y轴偏转角度α_v为：

S4.一般位置的激光平面位姿判断；

一般位置的线结构光传感器的位姿会同时沿X方向和Y方向偏转，且异形标定件的实际测量数值有相应误差；

散点为线结构光传感器的测量数据，设左侧数据D₀＝{x₀，x₁，...，x_n}，右侧数据S₁＝{x₀，x₁，...，x_m}，及左右两条直线表达式

根据最小二乘法，分别拟合两条直线：

拟合完成后，则根据S2和S3的分析可得，

S5.将异形标定件固定到旋转坐标系上，用高精度转台旋转异形标定件，找到A₀；

则

至此，线结构光传感器的坐标关系标定完毕。