CN114279326B - 一种三维扫描设备的全局定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维扫描设备的全局定位方法，其利用安装在工位的全局相机和装在机器人上的三维扫描仪完成；三维扫描设备使用可编程投影仪；步骤如下：1)预先获取投影仪坐标系与三维扫描设备坐标系的转换关系；示教获取全局定位点在工件坐标系下的坐标，记为点集I；2)获取待测工件点云数据，确定投影仪在工件坐标系下的位置；3)获取点集I中属于投影仪投射区域的点；4)将其三维坐标映射到投影平面上，生成图片，投射到待测工件表面；5)分别采集区域内全局定位点图片；6)将点云数据转换到工件坐标系，实现此片点云的拼接；7)重复步骤2)～6)，完成点云拼接。该方法能在保证最终结果精度的前提下，有效缩短测试时间。
Description
技术领域
本发明涉及视觉检测领域，具体涉及一种三维扫描设备的全局定位方法。
背景技术
随着高端先进制造技术的飞速发展，对几何量精密测量技术提出更高要求，其中高密度精细三维点云测量需求是一类典型问题。高质量的三维点云是特殊复杂形位公差分析必需的基础数据，如汽车车身特征线DLM参数测量、飞机蒙皮铆钉高差测量、船舶弯板曲面偏差测量等等。自动三维扫描***是利用三维扫描技术获取自由曲面精细三维点云，结合工业机器人自动化平台实现大型自由曲面表面高密度点云的自动化精密测量***，是满足汽车制造、航空航天、船舶制造等高端先进制造领域中高质量三维点云测量的有效手段。
由于三维扫描设备的测量范围受限，对于大型工件的测量还需要全局定位技术来确定三维扫描设备在空间中的测量位姿，从而将不同姿态下的点云数据拼接在同一坐标系下，实现对工件的高精度测量。目前全局定位的方式有两类：第一类、采用全局定位点的方式，需要在测量之前，在工件表面布置拼接点，并且对其坐标进行解算；在测量时，扫描点云的同时对部分拼接点进行测量，最终通过每个测量位姿下拍摄的拼接点将所有点云拼接在一起。这种方式使用的全局相机多与测量的视觉检测设备为一体设计，全局相机先采集全局定位点的图像，而后用于测量的相机再采集待测物的点云图像，测试时间长。第二类、在三维扫描设备外壳上布置跟踪点，***布置全局相机，全局相机与视觉检测设备为分体式设计。在三维扫描设备测量点云的同时，全局相机拍摄三维扫描设备外壳的跟踪点，实时计算三维扫描设备的测量位姿，从而将每一个测量点云转换到一个坐标系下。
第一类方法由于每次测量前都需要布置拼接点，因此会大大降低测量的效率，而且由于需要在工件表面进行拼接点的粘贴，也会对工件表面造成一定程度的破坏，无法做到100％非接触式；此外测试过程是先测全局再进行待测物检测，测试时间进一步延长。第二类方法是在三维扫描设备的外壳上布置跟踪点，则需要提前标定跟踪点的坐标，必然会存在由于标定带来的位姿计算***误差，而且由于在实际测量时三维扫描设备的位姿是完全随机的，该误差的影响也是随机的，无法进行后期的修正，点云数据的拼接误差必然会降低整体测测量精度。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种三维扫描设备的全局定位方法，其在保证最终***输出结果精度的前提下，同时获取全局定位点和待测物上特征，有效缩短测试时间。
为此，本发明的技术方案如下：
一种三维扫描设备的全局定位方法，其利用固定设置于检测工位内的至少两个全局相机获取全局定位点的图像，以实现所述三维扫描设备在不同位姿下获取图像的拼接；
所述三维扫描设备固定安装在机器人末端，其包括双目相机和投影仪，所述双目相机和投影仪在同一检测位姿下的位置相对固定；
所述投影仪为可编程投影仪；
该全局定位方法包括如下步骤：
1)预先获取投影仪坐标系与三维扫描设备坐标系的转换关系；
预先获取全局相机测量坐标系与工件坐标系的转换关系；
预先在一个示教工件上布置全局定位点，获取各个全局定位点在工件坐标系下的坐标，记为点集I；
将待测工件置于检测工位内；
2)机器人带动三维扫描设备到预设位姿，依据工件坐标系与机器人基坐标系、机器人基坐标系与机器人法兰坐标系、机器人法兰坐标系与三维扫描设备坐标系、三维扫描设备坐标系与投影仪坐标系的转换关系，确定投影仪在工件坐标系下的位置；
三维扫描设备获取待测工件在三维扫描设备坐标系下的点云数据，
3)依据投影仪在工件坐标系下的位置，获取点集I中属于投影仪投射区域内的点，记载为点集Ji，i取值为自然数，代表第i个位姿；
4)将点集Ji中点的三维坐标，依据成像投影原理映射到投影平面上，获得各点的二维坐标，生成投影图片，通过投影仪投射到待测工件表面；
5)全局相机采集点集Ji，获取其在工件坐标系下的坐标；
同时，所述三维扫描设备采集点集Ji，获取其在三维扫描设备坐标系下的坐标；
6)依据同名点刚体变换，获得此位姿下三维扫描设备与工件坐标系之间的转换关系，继而将此位姿下待测工件表面的点云数据转换到工件坐标系下，实现此片点云的拼接；
7)重复步骤2)～6)，直至实现所有点云的拼接。
进一步，步骤5)中同时至少有两个全局相机采集全局定位点。
进一步，所述步骤1)中的全局定位点为贴点或者示教工件表面的通孔或角点。
进一步，单个位姿下，投射到待测工件表面的点至少有三个。
进一步，单个位姿下，投射到待测工件表面的点与此时全局相机和三维扫描设备视场内待测工件表面特征点之和大于等于三。
进一步，所述投影仪投射到待测工件表面的点亮度等同或优于圆形标记点的亮度。
进一步，所述投影仪投射到待测工件表面的点的分辨力能达到高精度提取要求。
进一步，测试前预先获取工件坐标系与机器人基坐标系、机器人法兰坐标系与三维扫描设备坐标系的转换关系。
进一步，所述全局定位点为圆形、环形、方形或十字形。
该三维扫描设备的全局定位方法在保证最终***输出结果精度的前提下，同时获取全局定位点和待测物上特征，有效缩短测试时间，能高效且高精度的对三维扫描设备进行精确定位。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
一种三维扫描设备的全局定位方法，其利用固定设置于检测工位内的至少两个全局相机获取全局定位点的图像，以实现三维扫描设备在不同位姿下获取图像的拼接；
三维扫描设备固定安装在机器人末端，其包括双目相机和投影仪，双目相机和投影仪在同一检测位姿下的位置相对固定；
投影仪为可编程投影仪；
该全局定位方法包括如下步骤：
1)预先获取投影仪坐标系与三维扫描设备坐标系的转换关系；
预先获取全局相机测量坐标系与工件坐标系的转换关系；
预先在一个示教工件上布置全局定位点，获取各个全局定位点在工件坐标系下的坐标，记为点集I；该全局定位点为贴点或者示教工件表面的通孔或角点；进一步来说，贴点可以为圆形、环形、方形、十字形，或其它易于识别的形状；
将待测工件置于检测工位内；
2)机器人带动三维扫描设备到预设位姿，依据工件坐标系与机器人基坐标系、机器人基坐标系与机器人法兰坐标系、机器人法兰坐标系与三维扫描设备坐标系、三维扫描设备坐标系与投影仪坐标系的转换关系，确定投影仪在工件坐标系下的位置；
三维扫描设备获取待测工件在三维扫描设备坐标系下的点云数据，
3)依据投影仪在工件坐标系下的位置，获取点集I中属于投影仪投射区域内的点，记载为点集Ji，i取值为自然数，代表第i个位姿；
4)将点集Ji中点的三维坐标，依据成像投影原理映射到投影平面上，获得各点的二维坐标，生成投影图片，通过投影仪投射到待测工件表面；
投射到待测工件表面的点至少为三个，或者投射到待测工件表面的点与此时全局相机和三维扫描设备视场内待测工件表面特征点之和大于等于三；
5)至少有两个全局相机采集点集Ji，获取其在工件坐标系下的坐标；
同时，三维扫描设备采集点集Ji，获取其在三维扫描设备坐标系下的坐标；
6)依据同名点刚体变换，获得此位姿下三维扫描设备与工件坐标系之间的转换关系，继而将此位姿下待测工件表面的点云数据转换到工件坐标系下，实现此片点云的拼接；
7)重复步骤2)～6)，直至实现所有点云的拼接。
为了保证测试结果，投影仪投射到待测工件表面的点亮度等同或优于圆形标记点的亮度。此外，投影仪投射到待测工件表面的点的分辨力能达到高精度提取要求。
作为本领域技术人员公知的内容，为了保证三维扫描设备的正常运行，测试前预先获取工件坐标系与机器人基坐标系、机器人法兰坐标系与三维扫描设备坐标系的转换关系。
该三维扫描设备的全局定位方法在保证最终***输出结果精度的前提下，同时获取全局定位点和待测物上特征，有效缩短测试时间，能高效且高精度的对三维扫描设备进行精确定位。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。
Claims (9)
1.一种三维扫描设备的全局定位方法，其利用固定设置于检测工位内的至少两个全局相机获取全局定位点的图像，以实现所述三维扫描设备在不同位姿下获取图像的拼接；
所述三维扫描设备固定安装在机器人末端，其包括双目相机和投影仪，所述双目相机和投影仪在同一检测位姿下的位置相对固定；
其特征在于：所述投影仪为可编程投影仪；
该全局定位方法包括如下步骤：
1)预先获取投影仪坐标系与三维扫描设备坐标系的转换关系；
预先获取全局相机测量坐标系与工件坐标系的转换关系；
预先在一个示教工件上布置全局定位点，获取各个全局定位点在工件坐标系下的坐标，记为点集I；
将待测工件置于检测工位内；
2)机器人带动三维扫描设备到预设位姿，依据工件坐标系与机器人基坐标系、机器人基坐标系与机器人法兰坐标系、机器人法兰坐标系与三维扫描设备坐标系、三维扫描设备坐标系与投影仪坐标系的转换关系，确定投影仪在工件坐标系下的位置；
三维扫描设备获取待测工件在三维扫描设备坐标系的点云数据；
3)依据投影仪在工件坐标系下的位置，获取点集I中属于投影仪投射区域内的点，记载为点集Ji，i取值为自然数，代表第i个位姿；
4)将点集Ji中点的三维坐标，依据成像投影原理映射到投影平面上，获得各点的二维坐标，生成投影图片，通过投影仪投射到待测工件表面；
5)全局相机采集点集Ji，获取其在工件坐标系下的坐标；
同时，所述三维扫描设备采集点集Ji，获取其在三维扫描设备坐标系下的坐标；
6)依据同名点刚体变换，获得此位姿下三维扫描设备与工件坐标系之间的转换关系，继而将此位姿下待测工件表面的点云数据转换到工件坐标系下，实现此片点云的拼接；
7)重复步骤2)～6)，直至实现所有点云的拼接。
2.如权利要求1所述三维扫描设备的全局定位方法，其特征在于：步骤5)中同时至少有两个全局相机采集全局定位点。
3.如权利要求1所述三维扫描设备的全局定位方法，其特征在于：所述步骤1)中的全局定位点为贴点或者示教工件表面的通孔或角点。
4.如权利要求1所述三维扫描设备的全局定位方法，其特征在于：单个位姿下，投射到待测工件表面的点至少有三个。
5.如权利要求1所述三维扫描设备的全局定位方法，其特征在于：单个位姿下，投射到待测工件表面的点与此时全局相机和三维扫描设备视场内待测工件表面特征点之和大于等于三。
6.如权利要求1所述三维扫描设备的全局定位方法，其特征在于：所述投影仪投射到待测工件表面的点亮度等同或优于圆形标记点的亮度。
7.如权利要求1所述三维扫描设备的全局定位方法，其特征在于：所述投影仪投射到待测工件表面的点的分辨力能达到高精度提取要求。
8.如权利要求1所述三维扫描设备的全局定位方法，其特征在于：测试前预先获取工件坐标系与机器人基坐标系、机器人法兰坐标系与三维扫描设备坐标系的转换关系。
9.如权利要求1所述三维扫描设备的全局定位方法，其特征在于：所述全局定位点为圆形、环形、方形或十字形。
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