CN111043957A - 一种轮廓点云坐标采集方法 - Google Patents

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杨长祺
金永乔
罗志强
郭具涛
许正昊
艾百运
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Abstract

本发明一种轮廓点云坐标采集方法。该方法在一个绳驱动的平台上固定一个轮廓点采集装置，该平台表面贴标记点，该标记点由视觉跟踪装置进行跟踪，并可实时记录标记点对应平台的位姿信息。轮廓点采集装置采集的工件轮廓点云坐标信息通过跟踪装置的位姿关系，可换算至视觉跟踪装置的坐标信息。绳驱动装置将按设定路径，驱动轮廓点采集装置采集工件的所有轮廓，并将所有轮廓坐标值反馈至视觉跟踪装置，则完成了工件轮廓的全部点云采集。通过本发明方法，可减少驱动装置尺寸，适用于大型、复杂构件的点云采集，提高检测响应速度，提升点云采集***柔性，降低成本。

Description

一种轮廓点云坐标采集方法
技术领域
本发明涉及的是一种点云采集方法，特别是一种用于工件表面轮廓坐标数据采集方法，属于检测工程领域。
背景技术
激光位移传感器以其小尺寸、高频率，高精度，环境适应性强等优点，作为高精度测量在各行业应用十分广泛。绳驱动有工作空间大、运动速度快、承载能力强、柔顺性好等特点。对于大尺寸复杂异型构件检测的轮廓数据采集，手持式检测设备虽柔性强，但效率低，劳动强度大；采用龙门等其他定制化检测设备成本高，周期长。专利号201610865363.0公开的结合工业机器人与线性导轨的线激光扫描测量***及方法有效地结合了机器人高柔性、适应性广与线激光器高精度、小尺寸的特点，解决了复杂构件内外点云采集的关键问题。适用于中小尺寸工件的点云数据采集，但无法满足大尺寸工件尺寸检测。
鉴于以上，有必要研究一种方法，集成绳驱动高柔性，大工作空间、高速的特点，大幅提高工件轮廓点云数据采集效率，降低***研制成本。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服大尺寸构件，尤其是复杂异型构件检测效率低、设备研制成本高等问题，提供一种轮廓点云坐标采集方法，提高轮廓点云坐标数据采集效率、降低***研制成本。
本发明的技术方案如下：一种轮廓点云坐标采集方法，涉及的装置包括轮廓点采集装置、绳驱动装置、控制***、视觉跟踪装置和计算机；轮廓点采集装置被加装在绳驱动装置上，用于采集工件部分表面轮廓点云三维坐标数据，并由绳驱动装置进行驱动；控制***控制绳驱动装置的运动轨迹；轮廓点采集装置位姿由视觉跟踪装置进行跟踪，并将位姿信息反馈至计算机，计算机记录所有路径对应位置的轮廓信息，得到工件轮廓点云三维坐标数据；具体采集步骤如下：
1)视觉跟踪装置固定于地面，跟踪并高频采集轮廓点采集装置表面的标记点坐标信息，求得轮廓点采集装置相比视觉跟踪装置的位姿关系R1、T1，其中R1为旋转矩阵，T1为平移向量；
2)根据轮廓点采集装置采集的在其本身坐标系下的点云坐标值P0＝{p01，p02，p03...p0m,p0i∈R3}，通过标定以及视觉跟踪装置求得的位姿变换关系P'0＝R1*P0+T1，计算得到工件轮廓在视觉跟踪装置坐标系下的坐标值P'0＝{p'01，p'02，p'03...p'0m,p'0i∈R3}；
3)轮廓点采集装置由控制***按设定轨迹控制绳驱动装置运行至下一个姿态，求得轮廓点采集装置相比视觉跟踪装置的位姿关系R2、T2；
4)根据轮廓点采集装置采集的在其本身坐标系下的点云坐标值P1＝{p11，p12，p13...p1m,p1i∈R3}，通过标定以及视觉跟踪装置求得的位姿变换关系P'1＝R1*P1+T1，计算得到工件轮廓在视觉跟踪装置坐标系下的坐标值P'1＝{p'11，p'12，p'13...p'1m,p'1i∈R3}；
5)轮廓点采集装置由控制***按设定轨迹控制绳驱动装置运行至下一个姿态，求得轮廓点采集装置相比视觉跟踪装置的位姿关系R3、T3；
6)根据轮廓点采集装置采集的在其本身坐标系下的点云坐标值P1＝{p11，p12，p13...p1m,p1i∈R3}，通过标定以及视觉跟踪装置求得的位姿变换关系P'1＝R1*P1+T1，可求解工件轮廓在视觉跟踪装置坐标系下的点云坐标值P'1＝{p'11，p'12，p'13...p'1m,p'1i∈R3}；
7)重复步骤5)-6)，求得点云坐标值P'2＝{p'21，p'22，p'23...p'2m,p'2i∈R3}，直到轮廓点采集装置所有姿态均已完成点云采集P'3、P'4......P'n。
轮廓点采集装置采用非接触式激光扫描方式，轮廓点采集装置表面含有多个标记点，且所有标记点与轮廓点采集装置的坐标系已经过标定。
视觉跟踪装置采集轮廓点采集装置表面的标记点不少于3个，且不在同一条直线上。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、现有大尺寸工件点云采集大多采用分段采集后拼接方式，依靠驱动机构驱动点云传感器，采集工件轮廓信息，驱动机构大多拥有3个自由度以上，行程较大场合成本高，装备开发、点云采集周期长。绳驱动有着尺寸小，运动范围大、柔性高、成本低、运动速度快的特点，尤其适合于工件结构复杂，尺寸大以及需快速点云采集及测量的场合，相比人工方式，本发明劳动强度小，可测范围更大；相比龙门、机器人或其他定制化的驱动方式，可大幅降低研制成本，缩短研制周期，同时有着更强的柔性。
2、部分点云采集装备及技术采用驱动机构绝对精度来保证检测精度，如带扫描功能的三坐标测量机，定制化测量装备等，装备成本高。而本发明的装备在点云采集过程中，视觉跟踪装置与轮廓点采集装置同时采集各自目标信息，并通过换算得到工件轮廓点云相比世界坐标系的三维坐标值，采集的点云坐标精度与绳驱动平台的运动精度无关，因此，本发明可避免绳驱动平台运动精度差的缺点，降低了绳驱动平台的研制难度，可进一步降低开发成本。
附图说明
图1是一种轮廓点云坐标采集***示意图。
图2是轮廓点云坐标采集原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例，进一步阐述本发明。这些实施案例应理解为仅用于说明本发明，不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容后，本领域技术人员可对本发明做各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明专利权利要求所限定的范围。
本发明原理图见图1、2所示，4轮廓点采集装置由1绳驱动平台驱动，并按设定的路径运动，4轮廓点采集装置采集2工件部分轮廓相比4轮廓点采集装置坐标系下的坐标信息，3视觉跟踪装置可按设定频率(不低于50Hz)采集4轮廓点采集装置表面的标记点，该标记点与4轮廓点采集装置坐标系已标定，通过3视觉跟踪装置采集跟踪的标记点坐标值，可求得4轮廓点采集装置坐标系在3视觉跟踪装置坐标系下的位置及姿态，通过换算可求得工件轮廓点相比视觉跟踪装置坐标系下的坐标值，1绳驱动平台驱动4轮廓点采集装置对工件所有轮廓点进行采集，则得到了工件所有轮廓点相比视觉跟踪装置坐标系的点云坐标值，进而完成了工件表面所有轮廓的点云采集。
本发明一种轮廓点云坐标采集方法，涉及的装置包括轮廓点采集装置1、绳驱动装置2、控制***4、视觉跟踪装置5和计算机6；轮廓点采集装置1被加装在绳驱动装置2上，用于采集工件3部分表面轮廓点云三维坐标数据，并由绳驱动装置2进行驱动；控制***4控制绳驱动装置2的运动轨迹；轮廓点采集装置1位姿由视觉跟踪装置5进行跟踪，并将位姿信息反馈至计算机6，计算机6记录所有路径对应位置的轮廓信息，得到工件轮廓点云三维坐标数据；具体采集步骤如下：
1、视觉跟踪装置5固定于地面，跟踪并高频采集轮廓点采集装置1表面的标记点坐标信息，求得轮廓点采集装置1相比视觉跟踪装置5的位姿关系R1、T1，其中R1为旋转矩阵，T1为平移向量；
2、根据轮廓点采集装置1采集的在其本身坐标系下的点云坐标值P0＝{p01，p02，p03...p0m,p0i∈R3}，通过标定以及视觉跟踪装置5求得的位姿变换关系P'0＝R1*P0+T1，计算得到工件3轮廓在视觉跟踪装置5坐标系下的坐标值P'0＝{p'01，p'02，p'03...p'0m,p'0i∈R3}；
3、轮廓点采集装置1由控制***4按设定轨迹控制绳驱动装置2运行至下一个姿态，求得轮廓点采集装置1相比视觉跟踪装置5的位姿关系R2、T2；
4、根据轮廓点采集装置1采集的在其本身坐标系下的点云坐标值P1＝{p11，p12，p13...p1m,p1i∈R3}，通过标定以及视觉跟踪装置5求得的位姿变换关系P'1＝R1*P1+T1，计算得到工件3轮廓在视觉跟踪装置5坐标系下的坐标值P'1＝{p'11，p'12，p'13...p'1m,p'1i∈R3}；
5、轮廓点采集装置1由控制***4按设定轨迹控制绳驱动装置2运行至下一个姿态，求得轮廓点采集装置相比视觉跟踪装置5的位姿关系R3、T3；
6、根据轮廓点采集装置1采集的在其本身坐标系下的点云坐标值P1＝{p11，p12，p13...p1m,p1i∈R3}，通过标定以及视觉跟踪装置5求得的位姿变换关系P'1＝R1*P1+T1，可求解工件3轮廓在视觉跟踪装置5坐标系下的点云坐标值P'1＝{p'11，p'12，p'13...p'1m,p'1i∈R3}；
7、重复步骤5-6，求得点云坐标值P'2＝{p'21，p'22，p'23...p'2m,p'2i∈R3}，直到轮廓点采集装置1所有姿态均已完成点云采集P'3、P'4......P'n。
轮廓点采集装置1采用非接触式激光扫描方式，轮廓点采集装置1表面含有多个标记点，且所有标记点与轮廓点采集装置1的坐标系已经过标定。
视觉跟踪装置5采集轮廓点采集装置1表面的标记点不少于3个，且不在同一条直线上。

Claims (3)

1.一种轮廓点云坐标采集方法，涉及的装置包括轮廓点采集装置(1)、绳驱动装置(2)、控制***(4)、视觉跟踪装置(5)和计算机(6)；轮廓点采集装置(1)被加装在绳驱动装置(2)上，用于采集工件(3)部分表面轮廓点云三维坐标数据，并由绳驱动装置(2)进行驱动；控制***(4)控制绳驱动装置(2)的运动轨迹；轮廓点采集装置(1)位姿由视觉跟踪装置(5)进行跟踪，并将位姿信息反馈至计算机(6)，计算机(6)记录所有路径对应位置的轮廓信息，得到工件轮廓点云三维坐标数据；其特征在于具体采集步骤如下：
1)视觉跟踪装置(5)固定于地面，跟踪并高频采集轮廓点采集装置(1)表面的标记点坐标信息，求得轮廓点采集装置(1)相比视觉跟踪装置(5)的位姿关系R1、T1，其中R1为旋转矩阵，T1为平移向量；
2)根据轮廓点采集装置(1)采集的在其本身坐标系下的点云坐标值P0＝{p01，p02，p03...p0m,p0i∈R3}，通过标定以及视觉跟踪装置(5)求得的位姿变换关系P'0＝R1*P0+T1，计算得到工件(3)轮廓在视觉跟踪装置(5)坐标系下的坐标值P'0＝{p'01，p'02，p'03...p'0m,p'0i∈R3}；
3)轮廓点采集装置(1)由控制***(4)按设定轨迹控制绳驱动装置(2)运行至下一个姿态，求得轮廓点采集装置(1)相比视觉跟踪装置(5)的位姿关系R2、T2；
4)根据轮廓点采集装置(1)采集的在其本身坐标系下的点云坐标值P1＝{p11，p12，p13...p1m,p1i∈R3}，通过标定以及视觉跟踪装置(5)求得的位姿变换关系P'1＝R1*P1+T1，计算得到工件(3)轮廓在视觉跟踪装置(5)坐标系下的坐标值P'1＝{p'11，p'12，p'13...p'1m,p'1i∈R3}；
5)轮廓点采集装置(1)由控制***(4)按设定轨迹控制绳驱动装置(2)运行至下一个姿态，求得轮廓点采集装置相比视觉跟踪装置(5)的位姿关系R3、T3；
6)根据轮廓点采集装置(1)采集的在其本身坐标系下的点云坐标值P1＝{p11，p12，p13...p1m,p1i∈R3}，通过标定以及视觉跟踪装置(5)求得的位姿变换关系P'1＝R1*P1+T1，可求解工件(3)轮廓在视觉跟踪装置(5)坐标系下的点云坐标值P'1＝{p'11，p'12，p'13...p'1m,p'1i∈R3}；
7)重复步骤5)-6)，求得点云坐标值P'2＝{p'21，p'22，p'23...p'2m,p'2i∈R3}，直到轮廓点采集装置(1)所有姿态均已完成点云采集P'3、P'4......P'n。
2.根据权利要求1所述的该种轮廓点云坐标采集方法，其特征在于：轮廓点采集装置(1)采用非接触式激光扫描方式，轮廓点采集装置(1)表面含有多个标记点，且所有标记点与轮廓点采集装置(1)的坐标系已经过标定。
3.根据权利要求1所述的该种轮廓点云坐标采集方法，其特征在于：视觉跟踪装置(5)采集轮廓点采集装置(1)表面的标记点不少于3个，且不在同一条直线上。
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