CN111006706B - 一种基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法 - Google Patents
一种基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法，包括如下步骤：(1)线激光视觉传感器的安装；(2)标定工具的设置；(3)确定外部坐标系；(4)标定圆圆心在外部坐标系中坐标的确定；(5)分析计算标定圆圆心在线激光传感器坐标系中的坐标：对线激光视觉传感器采集的图像上的标定圆进行拟合，得到标定圆圆心在线激光传感器中的坐标；(6)进行拟合运算，得到标定圆圆心在线激光传感器中的坐标和外部坐标系中的坐标的变换关系的最佳值。本发明的使用，解决了非标准空间直角坐标系(当一个坐标轴为旋转轴)时的相机标定问题，标定过程简单、操标定精度高，同时本发明拓宽了线激光在工业机器人领域的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于传感器标定技术领域，具体涉及一种基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法。
背景技术
线结构光传感器是一种非接触式测量装置，主要由相机和线激光器组成。具有结构简单、非接触、测量速度快，精度高等优点，在工业领域的高精度测量中有大量的应用需求。而在使用线激光传感器前需要先对其进行标定，标定的精度将直接影响铸件打磨的准确性和安全可靠性，目前线激光应用比较广泛的是高精度测量，而本发明所用的线激光主要用于机器人工业智能应用领域，对传感器的标定精度具有较高的要求。
对于线激光传感器的机器人手眼变换矩阵标定，采用目前标定方法最后得到的结果主要为相机相对某个坐标系的旋转与偏移量。而这个坐标系通常都是空间直角坐标系。而这种标定方法在非标准空间直角坐标系，如当一个坐标轴为旋转轴的时候并不实用。
现有技术中的标定方式常有以下几种形式：1.通过非接触式标定方法进行线激光手眼变换矩阵的标定。2.使用接触式的标定方式，借助各种标定工具如标定针，标定球、标定工装等工具进行线激光的手眼变换矩阵的标定。3.通过使用多台机器人或使用专门的数控移动平台，以及使用具有固定结构的标定板完成线激光手眼变换矩阵的标定。但是上述方式存在如下缺陷：现有的线激光静态标定方法要么是需要专门的机械运动执行机构携带标定板在激光相机的视野范围内运动，需要增加额外的高精度运动机构，要么，需要多台机器人协同工作，共同完成手眼标定，实际应用时可能没有这么多的机器人供使用。在不借助第二台机器人及额外的运动执行机构时需要在机械臂末端安装已知位置关系的工装或工件，且需要工装或工件上具有多个较明显的特征，此种方式前期准备工作较多，需要额外专门设计的设备，且在机器人携带工装与线激光配合进行扫图的时候，难以操作。采用借助外部工装或工件进行标定时，受标定点特征加工精度的影响，影响标定精度。标定过程复杂，受线激光视野范围的限制，标定时运动机构的运动范围同样受限，标定精度较低，所以这种标定方式用的比较少。
综上所述，亟需提供一种标定过程简单、标定精度高，适用于非标准空间直角坐标系时的相机标定的基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种标定过程简单、标定精度高，适用于非标准空间直角坐标系时的相机标定的基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法。
上述目的是通过如下技术方案实现：一种基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法，包括如下步骤：
(1)线激光视觉传感器的安装；
(2)标定工具的设置：将标定工具贴附在旋转轴的侧面，标定工具包括多个标定圆；
(3)确定外部坐标系：旋转轴边缘处上标定一个点作为外部坐标系原点，绕转轴旋转的方向作为Y方向，沿旋转轴轴线的方向作为X方向；
(4)标定圆圆心在外部坐标系中坐标的确定：匀速转动旋转轴，记录线激光视觉传感器收到触发信号时旋转轴初始转动的位置以及标定圆位于线激光视觉传感器下方时旋转轴的位置，以此作为标定圆在外部坐标系中的坐标；
(5)分析计算标定圆圆心在线激光传感器坐标系中的坐标：对线激光视觉传感器采集的图像上的标定圆进行拟合，得到标定圆圆心在线激光传感器坐标系中的坐标。
(6)进行拟合运算，得到标定圆圆心在线激光传感器中的坐标和外部坐标系中的坐标的变换关系的最佳值。
进一步的技术方案是，所述步骤(4)中，采用伺服电机匀速驱动旋转轴旋转，采用plc利用触发的方式控制线激光视觉传感器进行拍照。
进一步的技术方案是，所述步骤(4)中，记录旋转轴初始转动时旋转的角度α0，并依次记录标定圆圆心与激光线重合时旋转轴的角度值αi,并记录此时该圆心X方向上的偏移值xi，直至标定工具上所有标定圆全部扫描标定完成。
进一步的技术方案是，所述步骤(4)中，将该外部坐标系转换为笛卡尔坐标系时，Y方向坐标值计算方式为：Y＝α×R，其中，α为旋转轴的旋转角度，R为旋转轴的转轴半径。
进一步的技术方案是，所述步骤(6)中，根据标定圆圆心在外部坐标系和线激光传感器坐标系中的位置矩阵采用最小二乘法求解线激光视觉传感器与外部坐标系的手眼标定矩阵。
进一步的技术方案是，所述步骤(6)中具体步骤如下：
(6.1)设外部坐标系为Q，线激光传感器坐标系为P，P到Q的旋转矩阵和偏移矩阵分别为R和T，设空间某一点B在Q和P坐标系下的齐次坐标分别为Qb(X,Y,1)，Pb(x,y,1)，Pb和Qb之间转换关系如公式(1)所示：
其中R代表线激光传感器坐标系到外部坐标系的旋转矩阵，T代表偏移量，SToBMat2D为标定圆圆心在线激光传感器中的坐标和外部坐标系中的坐标的变换关系；
(6.2)给定一个最小误差限值Minimum，将所有标定点在外部坐标系中的坐标Qi(x,y,)和在线激光传感器坐标系中的坐标Pi(x,y,)代入到公式(2)中，通过不断迭代得到SToBMat2D的最佳拟合值，将到SToBMat2D的最佳拟合值代入公式(1)中得到线激光传感器坐标系到外部坐标系的旋转矩阵R与偏移矩阵T；
其中，Qx[i]表示第i个标定点在外部坐标系中的X方向的坐标值，Qy[i]表示第i个标定点在外部坐标系中的Y方向的坐标值，Px[i]表示第i个标定点在线激光传感器坐标系中的的X方向的坐标值，Py[i]表示第i个标定点在线激光传感器坐标系中的的Y方向的坐标值。
进一步的技术方案是，所述标定工具为标定纸，所述标定纸上的标定圆为黑色实心圆，所述标定圆的数量大于10个，所述标定纸平整粘贴于旋转轴上。
进一步的技术方案是，所述标定圆的数量为12个。
本发明的使用，解决了非标准空间直角坐标系(当一个坐标轴为旋转轴)时的相机标定问题，本发明可解决线激光传感器使用过程中安装位置固定且不发生空间移动时的外部参数标定问题，降低基于激光视觉传感器应用***外部设备间的误差，标定过程简单、操作简便、标定精度高，同时本发明拓宽了线激光在工业机器人领域的应用范围。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种实施方式所涉及的标定装置原理结构示意图；
图2为本发明一种实施方式所涉及的基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法的标定流程示意图。
图中：
1固定支架 2线激光传感器 3旋转轴 4标定纸
5旋转轴转动方向
6线激光传感器发出的激光线形成的光平面
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明实施例如下，参照图1和图2，一种基于线激光视觉传感器的旋转轴3标定方法，包括如下步骤：
(1)线激光视觉传感器的安装；
(2)标定工具的设置：将标定工具贴附在旋转轴3的侧面，标定工具包括多个标定圆；
(3)确定外部坐标系：旋转轴3边缘处上标定一个点作为外部坐标系原点，绕转轴旋转的方向作为Y方向，沿旋转轴3轴线的方向作为X方向；
(4)标定圆圆心在外部坐标系中坐标的确定：匀速转动旋转轴3，记录线激光视觉传感器收到触发信号时旋转轴3初始转动的位置以及标定圆位于线激光视觉传感器下方时旋转轴3的位置，以此作为标定圆在外部坐标系中的坐标；
(5)分析计算标定圆圆心在线激光传感器坐标系中的坐标：对线激光视觉传感器采集的图像上的标定圆进行拟合，得到标定圆圆心在线激光传感器坐标系中的坐标。
(6)进行拟合运算，得到标定圆圆心在线激光传感器2中的坐标和外部坐标系中的坐标的变换关系的最佳值。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述步骤(4)中，采用伺服电机匀速驱动旋转轴3旋转，采用plc利用触发的方式控制线激光视觉传感器进行拍照。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述步骤(4)中，记录旋转轴3初始转动时旋转的角度α0，并依次记录标定圆圆心与激光线重合时旋转轴3的角度值αi,并记录此时该圆心X方向上的偏移值xi，直至标定工具上所有标定圆全部扫描标定完成。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述步骤(4)中，将该外部坐标系转换为笛卡尔坐标系时，Y方向坐标值计算方式为：Y＝α×R，其中，α为旋转轴3的旋转角度，R为旋转轴3的转轴半径。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述步骤(6)中，根据标定圆圆心在外部坐标系和线激光传感器坐标系中的位置矩阵采用最小二乘法求解线激光视觉传感器与外部坐标系的手眼标定矩阵。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述步骤(6)中具体步骤如下：
(6.1)设外部坐标系为Q，线激光传感器坐标系为P，P到Q的旋转矩阵和偏移矩阵分别为R和T，设空间某一点B在Q和P坐标系下的齐次坐标分别为Qb(X,Y,1)，Pb(x,y,1)，Pb和Qb之间转换关系如公式(1)所示：
其中R代表线激光传感器坐标系到外部坐标系的旋转矩阵，T代表偏移量，SToBMat2D为标定圆圆心在线激光传感器2中的坐标和外部坐标系中的坐标的变换关系；
(6.2)给定一个最小误差限值Minimum，将所有标定点在外部坐标系中的坐标Qi(x,y,)和在线激光传感器坐标系中的坐标Pi(x,y,)代入到公式(2)中，通过不断迭代得到SToBMat2D的最佳拟合值，将到SToBMat2D的最佳拟合值代入公式(1)中得到线激光传感器坐标系到外部坐标系的旋转矩阵R与偏移矩阵T；
其中，Qx[i]表示第i个标定点在外部坐标系中的X方向的坐标值，Qy[i]表示第i个标定点在外部坐标系中的Y方向的坐标值，Px[i]表示第i个标定点在线激光传感器坐标系中的的X方向的坐标值，Py[i]表示第i个标定点在线激光传感器坐标系中的的Y方向的坐标值。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图1，所述标定工具为标定纸4，所述标定纸4上的标定圆为黑色实心圆，所述标定圆的数量大于10个，所述标定纸4平整粘贴于旋转轴3上。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，如图1，所述标定圆的数量为12个。
本发明的使用，解决了非标准空间直角坐标系(当一个坐标轴为旋转轴3)时的相机标定问题，本发明可解决线激光传感器2使用过程中安装位置固定且不发生空间移动时的外部参数标定问题，降低基于激光视觉传感器应用***外部设备间的误差，标定过程简单、操作简便、标定精度高，同时本发明拓了宽线激光在工业机器人领域的应用范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)线激光视觉传感器的安装；
(2)标定工具的设置：将标定工具贴附在旋转轴的侧面，标定工具包括多个标定圆；
(3)确定外部坐标系：旋转轴边缘处上标定一个点作为外部坐标系原点，绕转轴旋转的方向作为Y方向，沿旋转轴轴线的方向作为X方向；
(4)标定圆圆心在外部坐标系中坐标的确定：匀速转动旋转轴，记录线激光视觉传感器收到触发信号时旋转轴初始转动的位置以及标定圆位于线激光视觉传感器下方时旋转轴的位置，以此作为标定圆在外部坐标系中的坐标；
(5)分析计算标定圆圆心在线激光传感器坐标系中的坐标：对线激光视觉传感器采集的图像上的标定圆进行拟合，得到标定圆圆心在线激光传感器坐标系中的坐标；
(6)进行拟合运算，得到标定圆圆心在线激光传感器中的坐标和外部坐标系中的坐标的变换关系的最佳值。
2.根据权利要求1所述的基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法，其特征在于，所述步骤(4)中，采用伺服电机匀速驱动旋转轴旋转，采用plc利用触发的方式控制线激光视觉传感器进行拍照。
3.根据权利要求2所述的基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法，其特征在于，所述步骤(4)中，记录旋转轴初始转动时旋转的角度α0，并依次记录标定圆圆心与激光线重合时旋转轴的角度值αi,并记录此时该圆心X方向上的偏移值xi，直至标定工具上所有标定圆全部扫描标定完成。
4.根据权利要求3所述的基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将该外部坐标系转换为笛卡尔坐标系时，Y方向坐标值计算方式为：Y＝α×R，其中，α为旋转轴的旋转角度，R为旋转轴的转轴半径。
5.根据权利要求4所述的基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法，其特征在于，所述步骤(6)中，根据标定圆圆心在外部坐标系和线激光传感器坐标系中的位置矩阵采用最小二乘法求解线激光视觉传感器与外部坐标系的手眼标定矩阵。
6.根据权利要求5所述的基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法，其特征在于，所述步骤(6)中具体步骤如下：
(6.1)设外部坐标系为Q，线激光传感器坐标系为P，P到Q的旋转矩阵和偏移矩阵分别为R和T，设空间某一点B在Q和P坐标系下的齐次坐标分别为Qb(X,Y,1)，Pb(x,y,1)，Pb和Qb之间转换关系如公式(1)所示：
其中R代表线激光传感器坐标系到外部坐标系的旋转矩阵，T代表偏移量，SToBMat2D为标定圆圆心在线激光传感器中的坐标和外部坐标系中的坐标的变换关系；
(6.2)给定一个最小误差限值Minimum，将所有标定点在外部坐标系中的坐标Qi(x,y,)和在线激光传感器坐标系中的坐标Pi(x,y,)代入到公式(2)中，通过不断迭代得到SToBMat2D的最佳拟合值，将到SToBMat2D的最佳拟合值代入公式(1)中得到线激光传感器坐标系到外部坐标系的旋转矩阵R与偏移矩阵T；
其中，Qx[i]表示第i个标定点在外部坐标系中的X方向的坐标值，Qy[i]表示第i个标定点在外部坐标系中的Y方向的坐标值，Px[i]表示第i个标定点在线激光传感器坐标系中的的X方向的坐标值，Py[i]表示第i个标定点在线激光传感器坐标系中的的Y方向的坐标值。
7.根据权利要求5所述的基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法，其特征在于，所述标定工具为标定纸，所述标定纸上的标定圆为黑色实心圆，所述标定圆的数量大于10个，所述标定纸平整粘贴于旋转轴上。
8.根据权利要求7所述的基于线激光视觉传感器的旋转轴标定方法，其特征在于，所述标定圆的数量为12个。
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