CN103175470B - 基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密测量方法。本满足柔性测量系统中同一线结构光视觉传感器同时具备测量空间圆孔、棱线和基准球等多种特征的能力要求，也满足机器人温度补偿校准中基准球的定位测量需要，本发明采取的技术方案是，基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法，包括下列步骤：在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条；采集经基准球面调制的圆弧光条图像，并进行光条提取；利用给定的基准球半径R₀及已求得的截面圆半径R_l，计算基准球球心O₀，从而实现基准球的定位测量。本发明主要应用于基准球的定位测量。

Description

基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法

技术领域

本发明属于精密测量方法，特别涉及一种基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法。具体讲，涉及基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法。

背景技术

线结构光视觉传感器主要由线结构光投射器（线型激光器）和摄像机组成，结构简单、体积小、重量轻、成本较低，而且校准方便，具有较高的测量精度，因此在工业视觉测量各领域有着广泛的应用。尤其是基于工业机器人的柔性测量系统中，出于运动和空间等方面的考虑，相比较立体（双目或多目）视觉传感器而言，线结构光视觉传感器更显示出突出的优势。

对于柔性测量系统，每台机器人通常只配置一个线结构光视觉传感器，根据其测量原理，理论上只能实现结构光光平面上点的定位测量。实际应用中待测特征多种多样，如棱线、圆孔（或椭圆孔）、方孔（或长方孔）、基准球等，目前基于线结构光视觉传感器实现棱线、圆孔（或椭圆孔）、方孔（或长方孔）等特征的测量方法已较为成熟。对于基准球定位测量来说，若结构光光平面与基准球最大圆截面正好相交，截面圆圆心即为基准球球心，则根据线结构光视觉传感器的测量模型及空间圆拟合算法可以实现其定位测量。但此条件一般无法保证，因此对于通常结构光光平面与基准球相交截面不是最大圆截面的情况，仍缺乏有效的基于线结构光视觉传感器实现基准球的定位测量方法。

此外，柔性测量系统以工业机器人为运动平台，一般的工业机器人其重复性定位精度较高，但绝对定位误差较大。而且随着机器人运动，其各关节电机会产生大量热量，导致关节长度等参数发生明显变化。由于关节温度场的分布极其复杂，建立精确温度场分布模型进行参数计算比较困难，所以通常都采用借助外部辅助装置对机器人进行校准补偿的方法。其中，基准球作为一种空间几何对称的特征对象，对视觉传感器的测量姿态无严格要求，是机器人温度补偿校准中的理想辅助装置，提供定点物理约束。因此，基于线结构光视觉传感器实现基准球的定位测量至关重要。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种基于线结构光视觉传感器实现基准球的定位测量方法，满足柔性测量系统中同一线结构光视觉传感器同时具备测量空间圆孔、棱线和基准球等多种特征的能力要求，也满足机器人温度补偿校准中基准球的定位测量需要，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法，包括下列步骤：

在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条；

采集经基准球面调制的圆弧光条图像，并进行光条提取；

根据线结构光视觉传感器测量模型，计算圆弧光条的三维坐标，进行空间相交截面圆拟合，确定截面圆圆心O_l及其半径R_l；

根据线结构光视觉传感器的标定参数，确定结构光光平面的法向矢量：由于空间截面圆平面与结构光光平面本质上为同一平面，则结构光光平面的法向矢量即为截面圆平面的法向矢量，该法向矢量表征了基准球球心O₀相对光平面与基准球面相交空间截面圆圆心O_l的偏移方向；

利用给定的基准球半径R₀及已求得的截面圆半径R_l，求得空间截面圆圆心O_l相对基准球球心O₀的偏移量l，结合偏移方向，即可计算基准球球心O₀，从而实现基准球的定位测量。

与基准球面相交形成圆弧状光条具体为：摄像机及线激光投射器交向摆放组成线结构光视觉传感器，测量时，在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条。

进行光条提取后步骤进一步具体为：

建立线结构光视觉传感器的数学模型：假设三维笛卡尔世界坐标系为O_w-x_wy_wz_w，摄像机坐标系为O_c-x_cy_cz_c，其中O_c为摄像机光学中心，x_c、y_c轴分别与摄像机像面中列、行增加方向一致，z_c轴为摄像机光轴，垂直于摄像机光轴，距离O_c为1处建立摄像机归一化像平面π_n，并以π_n与光轴的交点O_n为坐标原点，x_n、y_n轴分别与x_c、y_c轴平行建立归一化像平面坐标系O_n-x_ny_n；将摄像机坐标系作为传感器测量坐标系，则线结构光视觉传感器的数学模型可以用摄像机坐标系下激光投射光平面π_s的方程来表示；

设光平面π_s上任意一点P_s在摄像机坐标系下的坐标为P_c＝(x_c,y_c,z_c)^T，相应的齐次坐标为则在摄像机坐标系下光平面π_s的一般式方程可表示为

$B\·{\tilde{P}}_c=0---\left(1\right)$

其中光平面π_s的方程系数B＝(a,b,c,d)，a、b、c、d为线结构光视觉传感器的结构参数,通过传感器校准精确标定；

设光平面π_s的法向矢量为根据一般式平面方程表示含义，可由光平面π_s的一般式方程系数构建，即

${\stackrel{\→}{V}}_s=(a,b,c)---\left(2\right)$

若P_s在归一化像平面π_n上的理想投影点为P_n，则P_s、O_c和P_n三点共线，设P_n在归一化像平面坐标系下的齐次坐标为该直线方程可表示为

$P_c-k\·{\tilde{P}}_n=0---\left(3\right)$

上式中k为不等于0的任意常数；

因此，若已知光平面方程系数B和光平面上任意一点P_s的归一化图像坐标联立（1）式和（3）式，则可以求出P_s在摄像机坐标系下的三维空间坐标P_c；

O₀为基准球球心，若光平面与基准球的相交截面为π_l，根据线结构光视觉传感器数学模型求得截面圆周上的光条圆弧空间坐标P_ci(x_ci,y_ci,z_ci)：由光条圆弧的空间坐标拟合截面圆周，进而可得光平面与基准球相交空间圆圆心O_l＝(x_l,y_l,z_l)^T及圆半径R_l。设截面圆平面π_l的法向矢量为，则法向矢量表征了截面圆圆心O_l相对基准球球心O₀的偏移方向。实际上，截面圆平面π_l与光平面π_s为同一平面，因此光平面π_s的法向矢量即为截面圆平面π_l的法向矢量则有

${(x_{\mathrm{ci}}-x_l)}^2+{(y_{\mathrm{ci}}-y_l)}^2+{(z_{\mathrm{ci}}-z_l)}^2=R_l^2---\left(4\right)$

${\stackrel{\→}{V}}_l=(a,b,c)---\left(5\right)$

过基准球球心O₀存在与π_l平行的最大截面圆π₀，假设π_l、π₀两平面间间距为l，l即为截面圆圆心O_l相对基准球球心O₀的偏移量，则

$l=\left|\right|O_0-O_l\left|\right|=\sqrt{R_0^2-R_l^2}---\left(6\right)$

另外，法向矢量与直线O₀O_l的方向矢量一致，因此O₀O_l直线方程可表示为

$O_0=O_l+{\stackrel{\→}{V}}_l^T\·t---\left(7\right)$

联立（4）～（7）式，可得

$t=l^2/\sqrt{a^2+b^2+c^2}---\left(8\right)$

将（8）式代入（7）式，即可得到基准球球心坐标O₀。

本发明的技术特点及效果：

本发明方法在结构光视觉传感器的光平面与基准球相交截面通常不是最大圆截面的情况下，实现了对基准球的定位测量，进一步促进了适用于现代工业混型生产线需求的柔性视觉测量技术的广泛应用，也为机器人温度补偿提供了较为理想的定点约束特征测量。

附图说明

图1为线结构光视觉传感器示意图。图中，1为线型激光投射器，2为光平面，3为被测基准球，4为空间圆面，5为摄像机视场，6为摄像机。

图2为线结构光视觉传感器数学测量模型。

图3为线结构光视觉传感器基准球定位测量原理图。

具体实施方式

基于线结构光视觉传感器实现基准球定位测量的方法，包括下列步骤：

在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条；

采集经基准球面调制的圆弧光条图像，并进行光条提取；

根据线结构光视觉传感器测量模型，计算圆弧光条的三维坐标，进行空间相交截面圆拟合，确定截面圆圆心O_l及其半径R_l；

根据线结构光视觉传感器的标定参数，确定结构光光平面的法向矢量由于空间截面圆平面与结构光光平面本质上为同一平面，则结构光光平面的法向矢量即为截面圆平面的法向矢量该法向矢量表征了基准球球心O₀相对光平面与基准球面相交空间截面圆圆心O_l的偏移方向；

利用给定的基准球半径R₀及已求得的截面圆半径R_l，求得空间截面圆圆心O_l相对基准球球心O₀的偏移量l，结合偏移方向即可计算基准球球心O₀，从而实现基准球的定位测量。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明一种全新的基于线结构光视觉传感器实现基准球的定位测量方法，其独特之处在于：根据线结构光视觉传感器测量模型，确定光平面与基准球相交截面圆的空间圆心及半径，结合给定的基准球标准半径，计算截面圆圆心相对基准球球心的偏移量；由光平面的法向矢量确定截面圆圆心相对基准球球心的偏移方向；在截面圆空间圆心的基础上，结合其相对基准球球心的偏移量和偏移方向，确定基准球的球心，从而实现基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量。

如图1所示，1只摄像机及1只线激光投射器交向摆放组成线结构光视觉传感器。测量时，在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条。

图2所示为线结构光视觉传感器的数学模型。如图中所示，假设三维笛卡尔世界坐标系为O_w-x_wy_wz_w，摄像机坐标系为O_c-x_cy_cz_c，其中O_c为摄像机光学中心，x_c、y_c轴分别与摄像机像面中列、行增加方向一致，z_c轴为摄像机光轴。垂直于摄像机光轴，距离O_c为1处建立摄像机归一化像平面π_n，并以π_n与光轴的交点O_n为坐标原点，x_n、y_n轴分别与x_c、y_c轴平行建立归一化像平面坐标系O_n-x_ny_n。将摄像机坐标系作为传感器测量坐标系，则线结构光视觉传感器的数学模型可以用摄像机坐标系下激光投射光平面π_s的方程来表示。

设光平面π_s上任意一点P_s在摄像机坐标系下的坐标为P_c＝(x_c,y_c,z_c)^T，相应的齐次坐标为则在摄像机坐标系下光平面π_s的一般式方程可表示为

$B\·{\tilde{P}}_c=0---\left(1\right)$

其中光平面π_s的方程系数B＝(a,b,c,d)，a、b、c、d为线结构光视觉传感器的结构参数,可通过传感器校准精确标定；

设光平面π_s的法向矢量为根据一般式平面方程表示含义，可由光平面π_s的一般式方程系数构建，即

${\stackrel{\→}{V}}_s=(a,b,c)---\left(2\right)$

若P_s在归一化像平面π_n上的理想投影点为P_n，则P_s、O_c和P_n三点共线，设P_n在归一化像平面坐标系下的齐次坐标为该直线方程可表示为

$P_c-k\·{\tilde{P}}_n=0---\left(3\right)$

上式中k为不等于0的任意常数。

因此，若已知光平面方程系数B和光平面上任意一点P_s的归一化图像坐标联立（1）式和（3）式，则可以求出P_s在摄像机坐标系下的三维空间坐标P_c。

图3所示为线结构光视觉传感器实现基准球定位测量的原理示意图。如图中所示，O₀为基准球球心，若光平面与基准球的相交截面为π_l，根据线结构光视觉传感器数学模型求得截面圆周上的光条圆弧空间坐标P_ci(x_ci,y_ci,z_ci)：由光条圆弧的空间坐标拟合截面圆周，进而可得光平面与基准球相交空间圆圆心O_l＝(x_l,y_l,z_l)^T及圆半径R_l。设截面圆平面π_l的法向矢量为则法向矢量表征了截面圆圆心O_l相对基准球球心O₀的偏移方向。实际上，截面圆平面π_l与光平面π_s为同一平面，因此光平面π_s的法向矢量即为截面圆平面π_l的法向矢量则有

${(x_{\mathrm{ci}}-x_l)}^2+{(y_{\mathrm{ci}}-y_l)}^2+{(z_{\mathrm{ci}}-z_l)}^2=R_l^2---\left(4\right)$

${\stackrel{\→}{V}}_l=(a,b,c)---\left(5\right)$

过基准球球心O₀存在与π_l平行的最大截面圆π₀，假设π_l、π₀两平面间间距为l，l即为截面圆圆心O_l相对基准球球心O₀的偏移量，则

$l=\left|\right|O_0-O_l\left|\right|=\sqrt{R_0^2-R_l^2}---\left(6\right)$

另外，法向矢量与直线O₀O_l的方向矢量一致，因此O₀O_l直线方程可表示为

$O_0=O_l+{\stackrel{\→}{V}}_l^T\·t---\left(7\right)$

联立（4）～（7）式，可得

$t=l^2/\sqrt{a^2+b^2+c^2}---\left(8\right)$

将（8）式代入（7）式，即可得到基准球球心坐标O₀。

Claims (2)

1.一种基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法，其特征是，包括如下步骤：

在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条；

采集经基准球面调制的圆弧光条图像，并进行光条提取；

根据线结构光视觉传感器测量模型，计算圆弧光条的三维坐标，进行空间相交截面圆拟合，确定截面圆圆心O_l及其半径R_l；

根据线结构光视觉传感器的标定参数，确定结构光光平面的法向矢量由于空间截面圆平面与结构光光平面本质上为同一平面，则结构光光平面的法向矢量即为截面圆平面的法向矢量该法向矢量表征了基准球球心O₀相对光平面与基准球面相交空间截面圆圆心O_l的偏移方向；

利用给定的基准球半径R₀及已求得的截面圆半径R_l，求得空间截面圆圆心O_l相对基准球球心O₀的偏移量l，结合偏移方向即可计算基准球球心O₀，从而实现基准球的定位测量；

其中，进行光条提取后的步骤进一步具体为：

建立线结构光视觉传感器的数学模型：假设三维笛卡尔世界坐标系为O_w-x_wy_wz_w，摄像机坐标系为O_c-x_cy_cz_c，其中O_c为摄像机光学中心，x_c、y_c轴分别与摄像机像面中列、行增加方向一致，z_c轴为摄像机光轴，垂直于摄像机光轴，距离O_c为1处建立摄像机归一化像平面π_n，并以π_n与光轴的交点O_n为坐标原点，x_n、y_n轴分别与x_c、y_c轴平行建立归一化像平面坐标系O_n-x_ny_n；将摄像机坐标系作为传感器测量坐标系，则线结构光视觉传感器的数学模型可以用摄像机坐标系下激光投射光平面π_s的方程来表示；

设光平面π_s上任意一点P_s在摄像机坐标系下的坐标为P_c＝(x_c,y_c,z_c)^T，相应的齐次坐标为则在摄像机坐标系下光平面π_s的一般式方程可表示为

其中光平面π_s的方程系数B＝(a,b,c,d)，a、b、c、d为线结构光视觉传感器的结构参数,通过传感器校准精确标定；

设光平面π_s的法向矢量为根据一般式平面方程表示含义，可由光平面π_s的一般式方程系数构建，即

若P_s在归一化像平面π_n上的理想投影点为P_n，则P_s、O_c和P_n三点共线，设P_n在归一化像平面坐标系下的齐次坐标为直线方程表示为

上式中k为不等于0的任意常数；

因此，若已知光平面方程系数B和光平面上任意一点P_s的归一化图像坐标联立

(1)式和(3)式，则可以求出P_s在摄像机坐标系下的三维空间坐标P_c；

O₀为基准球球心，若光平面与基准球的相交截面为π_l，根据线结构光视觉传感器数学模型求得截面圆周上的光条圆弧空间坐标P_ci(x_ci,y_ci,z_ci)：由光条圆弧的空间坐标拟合截面圆周，进而可得光平面与基准球相交空间圆圆心O_l＝(x_l,y_l,z_l)^T及圆半径R_l，设截面圆平面π_l的法向矢量为则法向矢量表征了截面圆圆心O_l相对基准球球心O₀的偏移方向，实际上，截面圆平面π_l与光平面π_s为同一平面，因此光平面π_s的法向矢量即为截面圆平面π_l的法向矢量则有

过基准球球心O₀存在与π_l平行的最大截面圆π₀，假设π_l、π₀两平面间间距为l，l即为截面圆圆心O_l相对基准球球心O₀的偏移量，则 

另外，法向矢量与直线O₀O_l的方向矢量一致，因此O₀O_l直线方程可表示为

联立(4)～(7)式，可得

将(8)式代入(7)式，即可得到基准球球心坐标O₀。

2.如权利要求1所述的基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法，其特征是，与基准球面相交形成圆弧状光条具体为：摄像机及线激光投射器交向摆放组成线结构光视觉传感器，测量时，在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条。