一種面向焊縫跟蹤的線激光傳感器自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種面向焊縫跟蹤的線激光傳感器自動(dòng)標(biāo)定裝置，包括第一手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)、載物臺(tái)，第一手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的固定端連接第一直角連接接板，旋轉(zhuǎn)端通過(guò)第二直角連接板與第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的固定端相連接，第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)端連接第三直角連接板，十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述第三直角連接板上，載物臺(tái)設(shè)置在所述十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)上，所述的載物臺(tái)上設(shè)置有點(diǎn)陣式標(biāo)定板及光源。本發(fā)明還公開(kāi)了一種面向焊縫跟蹤的線激光傳感器自動(dòng)標(biāo)定方法。本發(fā)明搭建了四自由度線激光傳感器標(biāo)定裝置，提高了標(biāo)定過(guò)程中圖像采集的操作簡(jiǎn)易性和標(biāo)定準(zhǔn)確性，線激光傳感器的測(cè)量精度達(dá)到±0.02mm，為后續(xù)的焊縫跟蹤測(cè)量提供了精準(zhǔn)的位姿關(guān)系。
【專利說(shuō)明】
-種面向焊縫跟蹤的線激光傳感器自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。尤其設(shè)及一種面向焊縫跟蹤的線激光傳感器自動(dòng)標(biāo)定 裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 焊接是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的一個(gè)生產(chǎn)工藝。在日常的生產(chǎn)生活中，隨處可見(jiàn)焊 接產(chǎn)品，大到航空航天，小到簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的鐵口，都有焊接工藝的應(yīng)用的用途。人工焊接仍是 目前焊接工藝的主力軍，但培養(yǎng)一個(gè)優(yōu)秀焊工需要花費(fèi)較大的成本和時(shí)間，而焊接工作的 環(huán)境往往是具有高危性和污染性。因此，焊接機(jī)器人將是工業(yè)化發(fā)展的一個(gè)重要方向。
[0003] 面對(duì)各種各樣的焊接環(huán)境，存在各式各樣的焊縫。傳統(tǒng)的示教再現(xiàn)型是無(wú)法滿足 復(fù)雜的焊接環(huán)境。焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)將彌補(bǔ)示教再現(xiàn)性的補(bǔ)足，線激光傳感器是焊接機(jī)器 人在焊縫跟蹤時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別判斷的輔助儀器。
[0004] 要對(duì)焊縫進(jìn)行精確的測(cè)量，首先要對(duì)線激光器和相機(jī)傳感器的位置進(jìn)行標(biāo)定，獲 得激光和攝像機(jī)的位姿關(guān)系。線激光器標(biāo)定技術(shù)是指利用外界輔助標(biāo)定設(shè)備(標(biāo)定平臺(tái)）， 對(duì)相機(jī)傳感器內(nèi)參數(shù)，采集不同平面投射下的激光線圖像，利用標(biāo)定得到的平面外參數(shù)提 取激光線坐標(biāo)，進(jìn)而獲得空間中激光線平面方程，再利用算法計(jì)算激光線平面相對(duì)于相機(jī) 坐標(biāo)系的位姿關(guān)系。但目前在國(guó)內(nèi)，還沒(méi)有面向焊縫跟蹤的線激光傳感器標(biāo)定技術(shù)，本發(fā)明 依此提出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種面向焊縫跟蹤的線激光傳感器 自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法，通過(guò)此標(biāo)定裝置及方法，能精確標(biāo)定出線激光器傳感器和相機(jī)之間 的位置關(guān)系，為焊縫跟蹤及測(cè)量提供了精確的位姿關(guān)系，通過(guò)采集焊接時(shí)激光線的圖像就 可W準(zhǔn)確地反映焊縫的Ξ維信息，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的精密化。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提供了一種面向焊縫跟蹤的線激光傳感器自動(dòng)標(biāo) 定裝置，包括第一手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)、載物臺(tái)，
[0007] 所述第一手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的固定端連接第一直角連接接板，旋轉(zhuǎn)端通過(guò)第二直角連接板 與第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的固定端相連接，所述第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)端連接第Ξ直角連接板，所述 的十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述第Ξ直角連接板上，所述載物臺(tái)設(shè)置在所述十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)上， 所述的載物臺(tái)上設(shè)置有點(diǎn)陣式標(biāo)定板及光源。
[000引進(jìn)一步地，所述十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)每個(gè)方向的行程〉80mm。
[0009] 進(jìn)一步地，所述第一手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度為0°~360°。
[0010] 本發(fā)明另一方面提供了 一種基于所述裝置的自動(dòng)標(biāo)定方法，包括步驟：
[0011] 1)調(diào)整線激光傳感器安裝高度及光源光強(qiáng)，使光線在標(biāo)定板上均勻分布；
[0012] 2)調(diào)整十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)和手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，采集所述標(biāo)定板在相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置和角度 時(shí)的圖像，獲得標(biāo)定板在不同位姿下的多幅圖像，同時(shí)，選定兩個(gè)高度差為Η的固定平面作 為參考位姿平面，采集標(biāo)定板在運(yùn)兩個(gè)位姿下的圖像；
[0013] 3)將激光投射到所述的參考位姿平面，采集兩平面上的激光線圖像；
[0014] 4)依次讀取圖像，標(biāo)定出相機(jī)的內(nèi)參數(shù)和兩個(gè)參考位姿平面的外參數(shù)；
[0015] 5)讀取激光線圖像，利用圖像形態(tài)學(xué)原理提取所述激光線圖像坐標(biāo)，然后利用已 標(biāo)定的相機(jī)內(nèi)參數(shù)和兩個(gè)參考位姿平面的外參數(shù)將所述激光線圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成相機(jī)坐標(biāo) 系的坐標(biāo)，得到兩組參考位姿平面上的激光線坐標(biāo)組；
[0016] 6)將所述的兩組參考位姿平面上的激光線坐標(biāo)組的Ξ維坐標(biāo)擬合成激光平面方 程 Ax+By+Cz+1=0;
[0017] 7)將激光平面方程轉(zhuǎn)換成激光平面位姿，即激光平面外參數(shù)；
[001引8)驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果和精度。
[001 9]進(jìn)一步地，所述出相機(jī)的內(nèi)參數(shù)包括f、k、Sx、Sy、Cx、Cy，其中，f為攝像機(jī)的焦距，k 為攝像機(jī)的崎變系數(shù)，Sx和Sy為圖像坐標(biāo)系中縮放比例因子，Cx和Cy為光軸中屯、的垂直投影 坐標(biāo);兩個(gè)參考位姿平面的外參數(shù)包括rx、ry、rz、化、Py、化，表示世界坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系的 變換關(guān)系，其中，:TxJyJz表示兩坐標(biāo)系間對(duì)應(yīng)軸的旋轉(zhuǎn)角度，Px、Py、piz對(duì)應(yīng)軸在正方向上的 平移量。
[0020]進(jìn)一步地，所述利用圖像形態(tài)學(xué)原理提取所述激光線圖像坐標(biāo)的步驟包括：闊值 分割、開(kāi)閉運(yùn)算，頂帽處理，求解連通域和骨架提取。
[0021 ]進(jìn)一步地，所述激光平面方程的擬合過(guò)程具體包括：
[0022] 61)將獲得的兩個(gè)激光線坐標(biāo)組整合成(m+n)X3維的新數(shù)組(x，y，z)，新數(shù)組滿足 激光平面方程：
[0023] (x，y，z) · (A，B，C)T+D = 0，
[0024] 式中，D為元素都是1的(m+n) X 1維數(shù)組；
[0025] 62)記E=(x，y，z)，然后利用矩陣的最小二乘法擬合解出平面方程：
[0026] (A，B，C)T=巧T · E)-i . eT . (-D);
[0027] 63)驗(yàn)證擬合精度，已知點(diǎn)到平面距離的公式為：
[002引
[0029] 將已知點(diǎn)E=(x，y，z)代入上式，并求
就能算出擬合平面的平均殘差。
[0030] 進(jìn)一步地，所述步驟7)具體包括：
[0031] 71)xi軸的構(gòu)造：由已知的激光平面方程知其平面上的單位法向量為
[0032]
[00削 ^激光平面單位法向量為義1軸，即義1 = 0，記為義1=(1'11，^，?。?br>[0034] 72)zi軸的構(gòu)造:設(shè)相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)為(0,0,0)，取Z軸上另一點(diǎn)Z100為(0,0，100)， 巧UX)在激光平面上投影向量的單位矢量即為Z1軸，激光平面單位法向量為n，巧胃在激光 平面法向量的投影向量為：
[0035] n_ = OZ Hin. ?1 ,
[0036] 由向量之間的加減運(yùn)算得激光坐標(biāo)系z(mì)軸方向向量：
[0037] :二（）Ζ?<ι(ι - Hz'
[003引對(duì)獲得的z軸方向向量進(jìn)行單位化即得到zl=(;rl3，r23，r33);
[0039] 73)yi軸的構(gòu)：由激光坐標(biāo)系的X軸和Z軸做向量的外積運(yùn)算就能得出yi軸：
[0040] yi = xiXzi,
[0041] 記為yi= (；Γ12,Γ22,Γ32);
[0042] 74)原點(diǎn)的構(gòu)造:設(shè)定相機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)沿激光線平面法向量方向投影得到的點(diǎn) 就是激光坐標(biāo)系的原點(diǎn)，相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)到平面的距離為：
[0043]
[0044] 距離與法向量的內(nèi)積就是激光平面原點(diǎn)的坐標(biāo)值，則原點(diǎn)的坐標(biāo)如下所示：
[0045]
[0046] 75)由激光位姿矩陣的關(guān)系式可得：
[0047]
[004引則平面外參數(shù)與平面位姿矩陣之間的關(guān)系式如下所示：
?
[0049]
[0050] 聯(lián)立各關(guān)系式，將構(gòu)造所得的激光位姿矩陣轉(zhuǎn)換成激光平面外參數(shù)，記為（。1， ryi,rzi,Pxi,Pyi,Pzi)〇
[0051 ] 進(jìn)一步地，步驟8)具體包括：
[0052] 81)提取出激光線的圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)，然后用標(biāo)定得到的相機(jī)內(nèi)參數(shù)(f，k，sx， Sy，Cx，Cy )和激光平面的外參數(shù)(。1，ryl，，Pxl，Pyl，Pzl )，重新將激光線的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo) 轉(zhuǎn)換成相機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)；
[0化3] 82)提取上參考位姿平面的激光線坐標(biāo)組記為(Xl'，yl'，Zl'），運(yùn)是一個(gè)nX3維的 數(shù)組;提取到下參考位姿平面激光線的坐標(biāo)組記為(x'2，y'2，z'2)，運(yùn)是一個(gè)mX3維的數(shù)組； [0化4] 83)求出兩個(gè)數(shù)組中Z坐標(biāo)的平均值記為
[ο化5]
[0化6] 84)計(jì)算&2=|馬-為|，比較Δ ζ'和高度差Η的差值即獲得線激光傳感器標(biāo)定的精 度。
[0057] 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0058] (1)本發(fā)明搭建了四自由度線激光傳感器標(biāo)定裝置，極大程度提高了標(biāo)定過(guò)程中 圖像采集的操作簡(jiǎn)易性和標(biāo)定準(zhǔn)確性；
[0059] (2)本發(fā)明利用圖像形態(tài)學(xué)、空間解析幾何、矩陣運(yùn)算W及空間測(cè)量原理等方法建 立了線激光器標(biāo)定的數(shù)學(xué)模型；
[0060] (3)本發(fā)明根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型開(kāi)發(fā)了線激光傳感器標(biāo)定過(guò)程程序；
[0061 ] (4)經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本發(fā)明標(biāo)定誤差小于0.02mm;
[0062] (5)本發(fā)明為后續(xù)的焊縫跟蹤測(cè)量提供了精準(zhǔn)的位姿關(guān)系。
【附圖說(shuō)明】
[0063] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的自動(dòng)標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0064] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中標(biāo)定板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0065] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的自動(dòng)標(biāo)定裝置裝配示意圖；
[0066] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的線激光器傳感器標(biāo)定原理示意圖一；
[0067] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例的線激光器傳感器標(biāo)定原理示意圖二；
[0068] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例的線激光器傳感器標(biāo)定原理示意圖Ξ;
[0069] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例的標(biāo)定方法流程圖。
[0070] 圖中所示為：1-第一直線運(yùn)動(dòng)模組;2-第二直線運(yùn)動(dòng)模組;3-第一轉(zhuǎn)接板;4-第二 轉(zhuǎn)接板;5-第一手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)；6-第Ξ轉(zhuǎn)接板;7-第四轉(zhuǎn)接板;8-旋轉(zhuǎn)手把;9-第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)；10- 第五轉(zhuǎn)接板；11-載物臺(tái)；12-第五轉(zhuǎn)接板；13-光源；14-標(biāo)定板；15-激光傳感器；16-水平支 架；17-豎直支架；18-工作臺(tái)；19-相機(jī);20-第一激光線;21-激光平面;22-第二激光線；23- 第二平面;24-第一平面。
【具體實(shí)施方式】
[0071] 為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。
[0072] 如圖1所示，一種面向焊縫跟蹤的線激光傳感器自動(dòng)標(biāo)定裝置，其特征在于:包括 第一手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)5、第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)9、十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)、載物臺(tái)11，
[0073] 所述第一手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)5的固定端連接第一直角連接接板，旋轉(zhuǎn)端通過(guò)第二直角連接 板與第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)9的固定端相連接，所述第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)9的旋轉(zhuǎn)端連接第Ξ直角連接板， 所述的十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述第Ξ直角連接板上，所述載物臺(tái)11設(shè)置在所述十字滑臺(tái)機(jī) 構(gòu)上，組合成一個(gè)4自由度的自動(dòng)標(biāo)定裝置，所述的載物臺(tái)11上設(shè)置有點(diǎn)陣式標(biāo)定板14及光 源13,標(biāo)定板14能夠沿著(x，y)兩個(gè)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，同時(shí)平移的范圍覆蓋整個(gè)相機(jī)19 視場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)角度超過(guò)±90%滿足標(biāo)定過(guò)程中標(biāo)定板位置和姿態(tài)的要求。所述的第一直角連 接接板包括相互垂直的第一轉(zhuǎn)接板3和第二轉(zhuǎn)接板4,所述的第二直角連接接板包括相互垂 直的第Ξ轉(zhuǎn)接板6和第四轉(zhuǎn)接板7,所述的第Ξ直角連接接板包括相互垂直的第五轉(zhuǎn)接板10 和第六轉(zhuǎn)接板12。
[0074] 所述十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)包括相互垂直的第一直線運(yùn)動(dòng)模組1、第二直線運(yùn)動(dòng)模組2,每 個(gè)方向的行程〉80mm。
[0075] 所述第一手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)5、第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)9的回轉(zhuǎn)角度為0°~360°，規(guī)格為Φ 110 X 30mm，均可W通過(guò)自帶的旋轉(zhuǎn)手把8進(jìn)行調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)角度。
[0076] 如圖2所示，所述的標(biāo)定板14采用7X7點(diǎn)陣式標(biāo)定板，整體尺寸為63X63X6mm，標(biāo) 定區(qū)域?yàn)?0X30mm。所述光源13為條形光源，條形光源可動(dòng)態(tài)調(diào)整光強(qiáng)，W提高圖像采集的 質(zhì)量。
[0077] 圖3所示是自動(dòng)標(biāo)定裝置整體裝配圖，自動(dòng)標(biāo)定裝置安裝在侶型材搭建的工作臺(tái) 18上；線激光傳感器15安裝在由水平支架16和豎直支架17組成的侶型材支架上，可對(duì)相機(jī) 19和標(biāo)定平面之間高度進(jìn)行調(diào)整;光源13和標(biāo)定板14固定在載物臺(tái)11上。
[0078] 圖4至圖6所示是線激光傳感器標(biāo)定原理示意圖：
[0079] 其中，圖4中激光線投射到具有一定高度差的第二平面23、第一平面24上形成兩條 直線，即第一激光線20、第二激光線22,兩條直線確定了激光平面21。圖5中由提取到兩條激 光線坐標(biāo)值，通過(guò)最小二乘擬合，獲取激光平面方程。圖6中由獲得的激光平面方程構(gòu)造激 光平面坐標(biāo)系，獲取激光平面位姿(即激光平面的外參數(shù)）。
[0080] 如圖5所示，一種基于所述裝置的自動(dòng)標(biāo)定方法，包括步驟：
[0081] S1、調(diào)整線激光傳感器安裝高度及光源光強(qiáng)，使光線在標(biāo)定板上均勻分布；
[0082] S2、調(diào)整十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)和手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，采集所述標(biāo)定板在相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置和角 度時(shí)的圖像，獲得標(biāo)定板在不同位姿下的多幅圖像，同時(shí)，選定兩個(gè)高度差為Η的固定平面 作為參考位姿平面，采集標(biāo)定板在運(yùn)兩個(gè)位姿下的圖像，具體可通過(guò)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)中的圖像 采集程序結(jié)合相機(jī)19進(jìn)行采集；
[0083] S3、將激光投射到所述的參考位姿平面，采集兩平面上的激光線圖像；
[0084] S4、依次讀取圖像，標(biāo)定出相機(jī)的內(nèi)參數(shù)和兩個(gè)參考位姿平面的外參數(shù)；
[0085] S5、讀取激光線圖像，利用圖像形態(tài)學(xué)原理提取所述激光線圖像坐標(biāo)，然后利用已 標(biāo)定的相機(jī)內(nèi)參數(shù)和兩個(gè)參考位姿平面的外參數(shù)將所述激光線圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成相機(jī)坐標(biāo) 系的坐標(biāo)，得到兩組參考位姿平面上的激光線坐標(biāo)組，記為（Xl，yi，Zl)和（X2，y2，Z2)，所述 (xi，yi，zi)是第一平面24上的激光線坐標(biāo)組，其是一個(gè)nX3維的數(shù)組，所述(X2，y2，z2)是第 二平面23上的激光線坐標(biāo)組，其是一個(gè)m X 3維的數(shù)組；
[0086] S6、將所述的兩組參考位姿平面上的激光線坐標(biāo)組的Ξ維坐標(biāo)擬合成激光平面方 程 Ax+By+Cz+1=0;
[0087] S7、將激光平面方程轉(zhuǎn)換成激光平面位姿，即激光平面外參數(shù)；
[0088] S8、驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果和精度。
[0089] 具體而言，所述出相機(jī)的內(nèi)參數(shù)包括f、k、Sx、Sy、Cx、Cy，其中，f為攝像機(jī)的焦距，k 為攝像機(jī)的崎變系數(shù)，Sx和Sy為圖像坐標(biāo)系中縮放比例因子，Cx和Cy為光軸中屯、的垂直投影 坐標(biāo);兩個(gè)參考位姿平面的外參數(shù)包括rx、ry、rz、化、Py、化，表示世界坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系的 變換關(guān)系，其中，:TxJyJz表示兩坐標(biāo)系間對(duì)應(yīng)軸的旋轉(zhuǎn)角度，Px、Py、piz對(duì)應(yīng)軸在正方向上的 平移量，，本實(shí)施例中，兩個(gè)參考位姿平面的外參數(shù)分別為(rxl，ryl，。1，Pxi，Pyl，Pzi)和(rx2， Γγ2 , Γζ2 , Ρχ2 , Py2 , Ρζ2 ) 〇
[0090]具體而言，所述利用圖像形態(tài)學(xué)原理提取所述激光線圖像坐標(biāo)的步驟包括：闊值 分割、開(kāi)閉運(yùn)算，頂帽處理，求解連通域和骨架提取。
[0091 ]具體而言，所述激光平面方程的擬合過(guò)程具體包括：
[0092] S61、將獲得的兩個(gè)激光線坐標(biāo)組整合成(m+n)X3維的新數(shù)組(x，y，z)，新數(shù)組滿 足激光平面方程：
[0093] (x，y，z) · (A，B，C)T+D = 0，
[0094] 式中，D為元素都是1的(m+n) X 1維數(shù)組；
[00M] S62、記E=(x，y，z)，然后利用矩陣的最小二乘法擬合解出平面方程：
[0096] (A，B，C)T=巧T · E)-i . eT . (-D);
[0097] S63、驗(yàn)證擬合精度，已知點(diǎn)到平面距離的公式為：
[009引
[0099] 將已知點(diǎn)E=(x，y，z)代入上式，并讀
就能算出擬合平面的平均殘差。
[0100] 具體而言，所述步驟S7具體包括：
[0101] S71、xi軸的構(gòu)造：由已知的激光平面方程知其平面上的單位法向量為
[0102]
[010；3] ^激光平面單位法向量為義1軸，即義1 = 〇，記為義1=(1'11，^，劇）；
[0104] S72、Z1軸的構(gòu)造：設(shè)相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)為（0,0,0)，取Z軸上另一點(diǎn)Z100為（0,0， 100)，巧1。。在激光平面上投影向量的單位矢量即為Z1軸，激光平面單位法向量為n，巧I。。在 激光平面法向量的投影向量為：
[01 化]化=(巧
[0106] 由向量之間的加減運(yùn)算得激光坐標(biāo)系Z軸方向向量：
[0107] Z 二（及-Hi,) -η。
[010引對(duì)獲得的Ζ軸方向向量進(jìn)行單位化即得到Zi=(ri3，r23，r33);
[0109] S73、yi軸的構(gòu)造：由激光坐標(biāo)系的X軸和Z軸做向量的外積運(yùn)算就能得出yi軸：
[0110] yi = xi X Z1,
[0111] 記為yi= (；Γ12,Γ22,Γ32);
[0112] S74、原點(diǎn)的構(gòu)造:設(shè)定相機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)沿激光線平面法向量方向投影得到的點(diǎn) 就是激光坐標(biāo)系的原點(diǎn)，相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)到平面的距離為：
[0113]
[0114] 距離與法向量的內(nèi)積就是激光平面原點(diǎn)的坐標(biāo)值，則原點(diǎn)的坐標(biāo)如下所示：
[0121] 聯(lián)立各關(guān)系式，將構(gòu)造所得的激光位姿矩陣轉(zhuǎn)換成激光平面外參數(shù)，記為（。1， ryi,rzi,Pxi,Pyi,Pzi)〇
[0122] 具體而言，步驟S8具體包括：
[0123] S81、提取出激光線的圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)，然后用標(biāo)定得到的相機(jī)內(nèi)參數(shù)(f，k，sx， Sy，Cx，Cy )和激光平面的外參數(shù)(。1，ryl，，Pxl，Pyl，Pzl )，重新將激光線的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo) 轉(zhuǎn)換成相機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)；
[0124] S82、提取上參考位姿平面的激光線坐標(biāo)組記為(Xl'，yl'，Zl'），運(yùn)是一個(gè)nX3維的 數(shù)組;提取到下參考位姿平面激光線的坐標(biāo)組記為(x'2，y'2，z'2)，運(yùn)是一個(gè)mX3維的數(shù)組； [01巧]S83、求出兩個(gè)數(shù)組中Z坐標(biāo)的平均值記為
[0126]
[0127] S84、計(jì)算=|fj-4| :，比較Δζ'和高度差Η的差值即獲得線激光傳感器標(biāo)定的精 度。
[0128] 本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明 的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可W做出 其它不同形式的變化或變動(dòng)。運(yùn)里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予W窮舉。凡在本發(fā)明的 精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種面向焊縫跟蹤的線激光傳感器自動(dòng)標(biāo)定裝置，其特征在于:包括第一手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái) (5)、第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（9)、十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)、載物臺(tái)（11)， 所述第一手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（5)的固定端連接第一直角連接接板，旋轉(zhuǎn)端通過(guò)第二直角連接板 與第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（9)的固定端相連接，所述第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（9)的旋轉(zhuǎn)端連接第三直角連接 板，所述的十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述第三直角連接板上，所述載物臺(tái)（11)設(shè)置在所述十字 滑臺(tái)機(jī)構(gòu)上，所述的載物臺(tái)（11)上設(shè)置有點(diǎn)陣式標(biāo)定板(14)及光源(13)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線激光傳感器自動(dòng)標(biāo)定裝置，其特征在于:所述十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu) 每個(gè)方向的行程>80mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線激光傳感器自動(dòng)標(biāo)定裝置，其特征在于:所述第一手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái) (5)、第二手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)（9)的回轉(zhuǎn)角度為0°~360°。4. 一種基于權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)項(xiàng)所述裝置的自動(dòng)標(biāo)定方法，其特征在于，包括步 驟： 1) 調(diào)整線激光傳感器安裝高度及光源光強(qiáng)，使光線在標(biāo)定板上均勻分布； 2) 調(diào)整十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)和手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，采集所述標(biāo)定板在相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置和角度時(shí)的 圖像，獲得標(biāo)定板在不同位姿下的多幅圖像，同時(shí)，選定兩個(gè)高度差為Η的固定平面作為參 考位姿平面，采集標(biāo)定板在這兩個(gè)位姿下的圖像； 3) 將激光投射到所述的參考位姿平面，采集兩平面上的激光線圖像； 4) 依次讀取圖像，標(biāo)定出相機(jī)的內(nèi)參數(shù)和兩個(gè)參考位姿平面的外參數(shù)； 5) 讀取激光線圖像，利用圖像形態(tài)學(xué)原理提取所述激光線圖像坐標(biāo)，然后利用已標(biāo)定 的相機(jī)內(nèi)參數(shù)和兩個(gè)參考位姿平面的外參數(shù)將所述激光線圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成相機(jī)坐標(biāo)系的 坐標(biāo)，得到兩組參考位姿平面上的激光線坐標(biāo)組； 6) 將所述的兩組參考位姿平面上的激光線坐標(biāo)組的三維坐標(biāo)擬合成激光平面方程Αχ+ By+Cz+1=0; 7) 將激光平面方程轉(zhuǎn)換成激光平面位姿，即激光平面外參數(shù)； 8) 驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果和精度。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動(dòng)標(biāo)定方法，其特征在于:所述出相機(jī)的內(nèi)參數(shù)包括f、k、sx、 Sy、CX、Cy，其中，f為攝像機(jī)的焦距，k為攝像機(jī)的畸變系數(shù)，S X和Sy為圖像坐標(biāo)系中縮放比例 因子，Cx和cy為光軸中心的垂直投影坐標(biāo);兩個(gè)參考位姿平面的外參數(shù)包括r x、ry、rz、px、py、 p z，表示世界坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系的變換關(guān)系，其中，rx、ry、rz表示兩坐標(biāo)系間對(duì)應(yīng)軸的旋 轉(zhuǎn)角度，p x、py、pz對(duì)應(yīng)軸在正方向上的平移量。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動(dòng)標(biāo)定方法，其特征在于:所述利用圖像形態(tài)學(xué)原理提取所 述激光線圖像坐標(biāo)的步驟包括:閾值分割、開(kāi)閉運(yùn)算，頂帽處理，求解連通域和骨架提取。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動(dòng)標(biāo)定方法，其特征在于:所述激光平面方程的擬合過(guò)程具 體包括： 61) 將獲得的兩個(gè)激光線坐標(biāo)組整合成(m+n)X3維的新數(shù)組(x，y，z)，新數(shù)組滿足激光 平面方程。 (x，y，z) · (A，B，C)T+D = 0， 式中，D為元素都是1的(m+n) XI維數(shù)組； 62) 記E=(X，y，Z)，然后利用矩陣的最小二乘法擬合解出平面方程： (Α,Β,〇τ=(Ετ·Ε)-1·Ετ· (-D)； 63)驗(yàn)證擬合精度，已知點(diǎn)到平面距離的公式為：將已知點(diǎn)E=(x，y，z)代入上式，并求，就能算出擬合平面的平均殘差。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動(dòng)標(biāo)定方法，其特征在于，所述步驟7)具體包括： 71. X1軸的構(gòu)造：由已知的激光平面方程知其平面上的單位法向量為以激光平面單位法向量為xl軸，即xl=n，記為χι= (ηι，Γ2?，Γ3?); 72) ζι軸的構(gòu)造:設(shè)相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)為(Ο,Ο,Ο)，0?^3 - ΑΖ1Ο(^(Ο,Ο，1ΟΟ)，^ΗΟ 在激光平面上投影向量的單位矢量即為21軸，激光平面單位法向量為在激光平面法 向量的投影向量為：11. = OZm) · tl ? 由向量之間的加減運(yùn)算得激光坐標(biāo)系Z軸方向向量： z = OZm - nz, 對(duì)獲得的Z軸方向向量進(jìn)行單位化即得到Z1 = 0-13，Γ23，Γ33 ); 73. yi軸的構(gòu)：由激光坐標(biāo)系的X軸和z軸做向量的外積運(yùn)算就能得出yi軸： yl = xl Xzl, 記為yi= (ri2，r22，r32); 74) 原點(diǎn)的構(gòu)造:設(shè)定相機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)沿激光線平面法向量方向投影得到的點(diǎn)就是 激光坐標(biāo)系的原點(diǎn)，相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)到平面的距離為：距離與法向量的內(nèi)積就是激光平面原點(diǎn)的坐標(biāo)值，則原點(diǎn)的坐標(biāo)如下所示：75) 由激光位姿矩陣的關(guān)系式可得： ^ Τ\\ Γ12 :Π.3 p:x、. r R P\ m n.i m py K〇 1 j ni Γ32 約3 pz v 0 0 〇 1, 則平面外參數(shù)與平面位姿矩陣之間的關(guān)系式如下所示： 〃0 Ο 0 λ f cosrv 0 sinn^j- foos.rz -sin^ 0) (m rn m、 R 二 0 eosrt -sinrx · 0 10· sin rz eosrz 0 = m r-n ra ~ 、0: siim cosrr J - sin n 0 cos λ j. ^ 0 0 l.J l、r.3i. ? . \ Ρ = ffy >： 、P--j 聯(lián)立各關(guān)系式，將構(gòu)造所得的激光位姿矩陣轉(zhuǎn)換成激光平面外參數(shù)，記為(rxl，ryl，r zl， Pxl ,Pyl ,Ρζ?) 〇9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動(dòng)標(biāo)定方法，其特征在于，步驟8)具體包括： 81) 提取出激光線的圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)，然后用標(biāo)定得到的相機(jī)內(nèi)參數(shù)(f，k，Sx，Sy，c x， Cy)和激光平面的外參數(shù)(rxi，ryi，rzi，pxi，Pyl，ρ ζι)，重新將激光線的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成 相機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)； 82) 提取上參考位姿平面的激光線坐標(biāo)組記為^ζ、），這是一個(gè)nX3維的數(shù)組； 提取到下參考位姿平面激光線的坐標(biāo)組記為(1'2,7'2,2'2)，這是一個(gè)111\3維的數(shù)組； 83) 求出兩個(gè)數(shù)組中z坐標(biāo)的平均值記為84) 計(jì)算Μ = |fi -爲(wèi)|，比較Δ z '和高度差Η的差值即獲得線激光傳感器標(biāo)定的精度。
【文檔編號(hào)】G01D18/00GK106066185SQ201610353024
【公開(kāi)日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日 公開(kāi)號(hào)201610353024.4, CN 106066185 A, CN 106066185A, CN 201610353024, CN-A-106066185, CN106066185 A, CN106066185A, CN201610353024, CN201610353024.4
【發(fā)明人】邱鵬程, 鄒焱飚
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)