CN102445162A

CN102445162A - 一种旋转激光束呈锥面扫描的测量装置的参数标定方法

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Publication number: CN102445162A
Application number: CN2011102806108A
Authority: CN
Inventors: 李明; 梁爽; 赵幸福; 杨恢; 盛翠园; 梅沛; 李娜; 李伟; 田应仲
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: CN102445162B

Abstract

本发明提出一种旋转光束呈锥面扫描的测量装置的参数标定方法，在实际测量前，对旋转激光束呈锥面扫描的测量装置进行参数标定。采用直接标定和间接标定相结合的方法对测量装置参数进行标定，标定步骤为呈锥面扫描光束的参数标定和上下传动轴在呈锥面扫描光束的坐标系下的方位标定。本标定方法充分利用了直接标定和间接标定的优点，间接标定所需标定装置简单，成本低，且易于实现。间接标定算法采用最优化方法，能够最大限度地减小误差的影响，提高标定精度。

Description

一种旋转激光束呈锥面扫描的测量装置的参数标定方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置的参数标定方法，特别是一种旋转光束呈锥面扫描的测量装置的参数标定方法，属于工业测量领域。

背景技术

测量装置的标定方法从技术手段上讲主要分为两种，一种是直接标定，采用高精度测量仪器对测量装置的参数直接进行测量。这种标定方法比较容易实现，精度较高，但是有一个前提，测量装置的参数必须可以直接测量或是可引出测量。另一种是间接标定，利用该测量装置扫描对标准块（比如高精度球面等）进行测量，以此来间接标出测量装置的参数，这种方法可以对不能直接测量的参数进行标定，但是对算法和标准件精度的要求较高。

李明等发明了一种旋转激光束呈锥面扫描的测量装置（申请号：201110236707.9），该测量装置由上下传动轴，上下传动轴伺服电机，旋转伺服电机，连接件和激光位移传感器组成。上下传动轴伺服电机通过上下传动轴驱动旋转伺服电机上下移动，激光位移传感器通过连接件与旋转伺服电机连接，旋转伺服电机通过连接件驱动激光位移传感器旋转，并带动激光位移传感器上下移动，调整激光位移传感器在连接件上的工位，使激光位移传感器的激光发射方向与旋转伺服电机的旋转轴呈一定夹角，当旋转伺服电机带动激光位移传感器旋转时，激光位移传感器发射出的激光呈锥面地对待测工件进行扫描测量。

此测量装置应用在实际测量之前需要对测量装置的参数进行标定，限于传感器实际的工位和安装精度，激光位移传感器作为扫描测量元件使用，伺服电机带动传感器旋转时，光束形成的锥面并不是标准的圆锥面。由于激光的不可直接测量性，高精度的测量仪器不能完成对整个测量装置参数的直接标定。而如果用采间接的标定方法，由于整个系统需要标定的参数过多，导致算法过于复杂，难以得出参数解。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出一种旋转光束呈锥面扫描的测量装置的参数标定方法，针对测量装置中扫描光束参数的不可直接测量性，提出一种直接标定和基于标准面的间接标定相结合的参数标定方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

实际的测量过程中，所述旋转伺服电机带动所述激光位移传感器旋转时，激光束所形成的锥面并不是一个标准锥面，所述上下传动轴带动旋转伺服电机上下移动时，激光束形成的锥面也并不一定是沿着锥面的旋转中心平移。因此，整个测量装置的标定分为两个部分：

1) 呈锥面扫描的光束的参数标定

实际测量过程中，呈锥面扫描的光束的数学模型为：以激光光线和旋转轴的公垂线在旋转轴上的垂足为原点，Y轴沿公垂线方向，Z轴沿旋转轴方向，X轴则由右手法则确定。此时，整个数学模型有三个参数需要标定，分别为：公垂线距离r，激光发射点距公垂线垂足的偏距l，以及锥角θ。同时，测量点在该数学模型坐标系下的坐标可用这三个参数表示出来。

呈锥面扫描的光束不可直接测量，因此它的参数标定采用间接标定方法，间接标定采用的标准块包括平面、圆柱面、圆锥面或球面等高精度标准型面。由于间接标定采用优化拟合的方式，圆柱面、圆锥面和球面作为二次曲面，拟合的难度要大于平面，拟合精度也不如平面，因此，呈锥面扫描的光束参数的标定标准块的标准型面推荐选用平面。将该标准块固定，手动操作测量装置对标准块的标准型面进行扫描测量，测量过程中保持上下传动轴的位置不变，得到所述标准型面点云的原始数据。

由于测量点均在标准型面上，而测量点在呈锥面扫描的光束坐标系下的坐标可用需要标定的参数表示出来，故采用迭代寻优的最优化方法求出呈锥面扫描的光束的三个参数的最优值，目标方程为测量点到标准型面的距离的加权平方和。

2) 上下传动轴在呈锥面扫描的光束坐标系下的方位标定

实际的测量中，上下传动轴带动传感器上下移动的过程相当于呈锥面扫描的光束坐标系沿空间一条直线平移的过程，因此，必须进行呈锥面扫描的光束坐标系与这条空间直线，即上下传动轴的位置关系标定。由于光束及光束的旋转轴不能被直接测量，而上下传动轴的方位可以用激光跟踪仪等高精度测量仪器直接测量，因此采用直接标定和间接标定相结合的方式进行上下传动轴在呈锥面扫描的光束坐标系下的方位标定。

利用激光跟踪仪对上下传动轴进行测量时，测得上下传动轴的方位坐标是在激光跟踪仪所建立的标定坐标系下，因此间接标定的方法要建立标定坐标系和呈锥面扫描的光束坐标系之间的转换关系。这一转换关系通过标准块间接标定出来。所述标准块由三个相互垂直的平板装配而成，其中标准块的三个内表面作为标定基准平面，各自的平面度和相互间的垂直度均应小于被标定测量装置所要求的测量精度。由于三个基准平面相对位置固定且互相垂直，则存在一个基准坐标系，使得这个坐标系上的XOY平面、YOZ平面和ZOX平面分别对应这三个基准平面。对所述标定块的三个基准平面进行测量，由于测量点均在所对应的基准平面上，而测量点的坐标已知，将所述标定块的三个基准平面参数化，采用迭代寻优的最优化方法可求出这三个基准平面的方位，从而得出一个最优基准坐标系，使得三个平面上所测得的点云尽可能地均匀分布在最优基准坐标系中对应XOY平面、YOZ平面和ZOX平面的两侧。所述最优化方法的目标方程为测量点到所对应标准型面的距离的加权平方和。

第一步，将所述标准块固定，利用所述高精度测量仪器对所述标准块的三个标准平面和测量装置上下轴的方位进行测量，由所测得点云得出最优基准坐标系，进而得出标定坐标系与最优基准坐标系的坐标转换关系，从而将上下传动轴方位从标定坐标系转换到这个最优基准坐标系下，此时得出上下传动轴在最优基准坐标系下的方位。

第二步，手动操作测量装置对所述标准块的三个标准平面进行测量，测量过程中保持上下传动轴的位置不变，利用呈锥面扫描的光束参数将测量点云的原始数据转化为测量点云在呈锥面扫描的光束坐标系下的坐标值。采用与第一步类似的方法得出最优基准坐标系和最优基准坐标系到呈锥面扫描的光束坐标系的转换关系。由此，上下传动轴在呈锥面扫描的光束坐标系下的方位可以得出。

至此，整个测量装置的参数标定完毕。

在对测量点云进行算法处理时，必需进行异常点的剔除操作，以降低异常点对测量装置精度的影响，提高整个测量装置的测量精度。

本发明与现有技术相比，有如下优点：

1. 针对测量装置的特点，采用直接标定与间接标定相结合的方法进行标定，充分利于了两种标定方法的优点。

2. 间接标定所需要的标准块结构简单，容易加工，成本低，可有效标定出呈锥面扫描的光束参数和上下传动轴在呈锥面扫描的光束坐标系下的方位。

3. 标定算法采用数据拟合和最优化方法，能够最大限度地减小误差的影响，提高标定精度。

附图说明

图1是本发明的标定方法流程图。

图2是本发明所标定的旋转激光束呈锥面扫描的测量装置结构示意图。

图3是本发明的呈锥面扫描的光束的数学模型。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本发明并不限于本实施例，凡采用与本发明相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图2所示，本发明所标定的一种测量光束呈锥面扫描的测量装置，包括伺服电机1，上下传动轴2，旋转伺服电机3，连接件4，激光位移传感器5。所述伺服电机1通过所述上下传动轴2驱动所述旋转伺服电机3上下移动，所述激光位移传感器5通过所述连接件4与所述旋转伺服电机3连接，所述旋转伺服电机3通过所述连接件4驱动所述激光位移传感器5旋转，并带动所述激光位移传感器5上下移动，调整所述激光位移传感器5在所述连接件4上的工位使激光发射方向与所述旋转伺服电机3的旋转轴呈45o夹角。

本发明的具体实施过程如图1所示：

标准型面采用平面，平面的平面度要低于整个测量装置的精度要求。将含有所述标准平面的平板固定，手动操作测量装置对所述平面进行扫描测量，测量过程中保持上下传动轴的位置不变，得到所述平面上点云的原始数据（旋转电机转角

Figure 2011102806108100002DEST_PATH_IMAGE002

和激光位移传感器示数

）。在图3所示坐标系下，当电机转角为

时，测量点P的坐标表示如下：

(1)

由于扫描到的点在所述平面上，因此可以得到最小二乘拟合的目标方程：

(2)

式(2)中

为测量点的加权系数，可以凭经验设定。代表测量点到型面的距离，具体表达式为：

(3)

式(2)和式(3)中，

所代表的参数为：呈锥面扫描的光束参数

和平面参数

。

对各个参数的偏微分表示如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，在上述式子中，有：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

通过一定的数值分析方法求出

最小值

所对应的各个参数值。由于目标函数为非线性函数，因此可以采用非线性最小二乘最优化方法（如Gauss-Newton法、Levenberg-Marquardt法、Dog Leg法等）求出最优解。这个最优解包含呈锥面扫描的光束经标定后的最优参数值

。

利用激光跟踪仪等高精度测量仪器，建立起标定坐标系。固定好标准块，利用所述高精度测量仪器测量标准块的三个基准平面在标定坐标系下的方位，并记录此时上下传动轴在标定坐标系下的方位。

由于测量点均在所述标准块的对应基准平面上，而测量点的坐标已知，对所述标定块的三个基准平面进行参数化如下：

(19)

其中，有：

(20)

这样，三个互相垂直的平面可由六个参数表示出来。采用与求解呈锥面扫描的光束参数所用算法类似的迭代寻优的最优化方法，目标方程为测量点到所对应标准型面的距离的加权平方和：

(21)

式(21)中，

为测量点的加权系数，凭经验设定。

为测量点到对应平面的距离：

(22)

由此得出标定坐标系下三个基准平面的方位，从而建立起最优基准坐标系，进而可得出标定坐标系和最优基准坐标系之间的转换关系，并将上下传动轴在标定坐标系下的方位转换到最优基准坐标系下。

手动操作测量装置对所述标准块的三个基准平面进行测量，测量过程中保持上下传动轴的位置不变，利用呈锥面扫描的光束参数将测量点云的原始数据转化为测量点在呈锥面扫描的光束坐标系下的坐标值。采用同样的方法得出呈锥面扫描的光束坐标系下三个基准平面的方位，从而建立起最优基准坐标系，进而得出最优基准坐标系和呈锥面扫描的光束坐标系的转换关系。由此，上下传动轴在呈锥面扫描的光束坐标系下的方位可以得出。

Claims

1.一种旋转光束呈锥面扫描的测量装置的参数标定方法，其特征在于，采用直接标定和间接标定相结合的方法对测量装置参数进行标定，其步骤如下：

1）呈锥面扫描光束的参数标定：采用间接标定方法，间接标定采用的标准块包括平面、圆柱面、圆锥面或球面等高精度标准型面；

首先，对呈锥面扫描的光束进行数学建模，建立呈锥面扫描的光束坐标系；

其次，手动操作测量装置对标准块的标准型面进行扫描测量，测量过程中保持上下传动轴的位置不变，由于所得测量点云的点全部在标准型面上，采用相关算法对测量点云进行最优化处理，得出锥形扫描光束参数的最优解；

2）呈锥面扫描光束的坐标系和上下传动轴基准点坐标系位置关系标定：

采用直接标定和间接标定相结合的方法，间接标定采用的标准块由三个相互垂直的平板装配而成，其中标准块的三个内表面作为标定基准平面，各自的平面度和相互间的垂直度均应小于被标定测量装置所要求的测量精度；

首先，利用激光跟踪仪等高精度测量仪器建立标定坐标系，对标准块三个基准平面和测量装置上下传动轴的方位进行测量，采用相关算法由所述三个相对位置固定且互相垂直的基准平面上的点云得出最优基准坐标系和标定坐标系与最优基准坐标系的坐标转换关系，并将上下传动轴方位从标定坐标系转换到这个最优基准坐标系下，此时得出上下传动轴在最优基准坐标系下的方位；

其次，手动操作测量装置对所述标准块的三个基准平面进行测量，测量过程中保持上下传动轴的位置不变，利用锥形扫描光束参数将测量点云的原始数据转化为测量点云在呈锥面扫描的光束坐标系下的坐标值；得出最优基准坐标系和最优基准坐标系与呈锥面扫描的光束坐标系的坐标转换关系；由此，得出呈锥面扫描的光束坐标系和上下传动轴位置关系。

2.根据权利要求1所述的一种旋转光束呈锥面扫描的测量装置的参数标定方法，其特征在于，所述步骤1)中呈锥面扫描的光束的数学模型为：以光束和旋转轴的公垂线在旋转轴上的垂足为原点，Y轴沿公垂线方向，Z轴沿旋转轴方向，X轴方向由右手法则确定；标定所述数学模型的三个参数，分别为：公垂线距离r，激光发射点距公垂线垂足的偏距l，以及锥角θ。

3.根据权利要求1所述的一种旋转光束呈锥面扫描的测量装置的参数标定方法，其特征在于，所述步骤1)中最优化算法为：测量点均在标准型面上，而测量点在锥形扫描光束坐标系下的坐标可用呈锥面扫描的光束参数表示出来，采用迭代寻优的最优化方法求出呈锥面扫描的光束参数的最优解，所述最优化方法的目标方程为测量点云到标准型面的距离的加权平方和。

4.根据权利要求1所述的一种旋转光束呈锥面扫描的测量装置的参数标定方法，其特征在于，所述步骤2)中最优基准坐标系的建立算法为：由于测量点均在所述三个相对位置固定且互相垂直的基准平面上，而测量点云的坐标已知，对所述三个相对位置固定且互相垂直的基准平面进行参数化，采用迭代寻优的最优化方法可求出这三个基准平面的方位，从而得出一个最优基准坐标系，使得三个平面上所测得的点云尽可能地均匀分布在最优基准坐标系中对应XOY平面、YOZ平面和ZOX平面的两侧；所述最优化方法的目标方程为测量点到所对应标准型面的距离的加权平方和。