CN104551411A - 一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法，预先确定包含若干二维标志点的激光振镜加工图形，采用该激光振镜加工图形在激光振镜加工系统的景深内通过激光打标获得不同深度上的密集的空间标志点，采用双目视觉传感器测量得到空间标志点的三维坐标；根据激光振镜加工图形上的二维标志点的坐标和空间标志点的三维坐标之间的对应关系，获得表征双目视觉传感器和激光振镜加工系统间的映射关系的转换矩阵。本发明方法可有效建立双目视觉传感器与激光振镜加工系统间的鲁棒的映射关系，提高视觉反馈加工精度；本方法操作方便且稳定性高。

Description

一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法

技术领域

本发明涉及精密激光加工技术领域，特别是一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法。

背景技术

双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统是一种通过利用双目视觉传感器对传统激光振镜加工系统提供视觉引导来对复杂形貌工件进行加工的新型激光加工设备。双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统是由双目视觉传感器和激光振镜加工系统两部分组成的，其中，双目视觉传感器一般由安装在激光振镜加工系统两侧成一定角度的左右两个相机组成，激光振镜加工系统包括大功率激光器和振镜两个部分，激光器发出一束激光经过扩束后进入到振镜，激光通过在振镜中XY两个正交方向上的镜面上的反射和物镜前聚焦透镜聚焦到待加工物件的表面。双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的工作原理是首先由双目视觉传感器采集待加工物体的图像并重建待加工物件的三维模型，然后根据实际需要在三维模型上自动规划空间加工路径，然后该空间加工路径经过一个转换矩阵转换到激光振镜加工系统的激光振镜加工图形坐标系上生成二维加工路径，最后激光振镜加工系统按照该二维加工路径对物体进行加工。因此，双目立体视觉引导的激光振镜加工系统能根据待加工物体的特殊形貌来修改加工路径，实现对具有复杂形貌的待加工物体的视觉反馈加工。

现有的双目视觉引导的激光振镜系统不具备将双目视觉传感器重建的加工物体的三维图像精确地映射到振镜图像中，导致在激光加工中对物件的实际加工路径与预设的加工路径有所偏差，激光加工的精密性不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法，该方法可有效建立双目视觉传感器与激光振镜加工系统间的鲁棒的映射关系，提高视觉反馈加工精度；本方法操作方便且稳定性高。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法，预先确定包含若干二维标志点的激光振镜加工图形，采用该激光振镜加工图形在激光振镜加工系统的景深内通过激光打标获得不同深度上的密集的空间标志点，采用双目视觉传感器测量得到空间标志点的三维坐标；根据激光振镜加工图形上的二维标志点的坐标和空间标志点的三维坐标之间的对应关系，获得表征双目视觉传感器和激光振镜加工系统间的映射关系的转换矩阵。

作为本发明的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法进一步的优化方案，具体步骤如下，

步骤一、采用已知尺寸的棋盘靶标标定双目视觉传感器的结构参数，所述结构参数包括镜头焦距、传感器尺寸、基线长度以及两传感器之间的空间位置关系；

步骤二、将若干块平面靶标分别逐一放置在激光振镜加工系统的景深中的不同位置上，在每个位置上以包含若干二维标志点的激光振镜加工图形对平面靶标进行激光刻蚀，获得图像；

步骤三、采用双目视觉传感器采集步骤二中获得的图像；

步骤四、分析步骤三中双目视觉传感器采集的图像，定位并根据步骤一中获得的双目视觉传感器的结构参数来重建刻蚀在平面靶标上的与步骤二中所述二维标志点一一对应的空间标志点的三维坐标，获得密集三维标志点云；

步骤五、将步骤四中获得的密集三维标志点云的坐标与所述激光振镜加工图形坐标系上的二维标志点的坐标一一匹配后，计算得到转换矩阵。

作为本发明的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法进一步的优化方案，所述步骤二中的激光振镜加工图形是预先由标定用户定义的包含若干二维标志点的二维图形，所述二维标志点在激光振镜加工图形坐标系内的坐标是已知的。

作为本发明的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法进一步的优化方案，所述步骤五中的转换矩阵是通过最小二乘法计算得到。

作为本发明的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法进一步的优化方案，所述平面靶标的面积大于激光振镜加工系统的景深内的最大打标面积；所述平面靶标放置在一个方位可调的固定装置上，该装置能保证在每次激光刻蚀过程中所述平面靶标均处在激光振镜加工系统的景深内的不同位置上保持姿态固定，直至双目视觉传感器完成对其的图像采集。

作为本发明的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法进一步的优化方案，所述平面靶标上覆盖可替换的易于被激光刻蚀的材料。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明标定方法能为可靠实施立体视觉引导下的激光加工提供精度保证，标定过程易于操作，当双目视觉传感器和激光振镜加工系统的结构确定后，无需二次标定即可实现立体视觉反馈的精密激光加工；

(2)本发明的标定方法将双目传感器与激光振镜系统建立起联系，提高了激光加工的精密性，本发明方法可以实现精确的视觉反馈式激光加工，易操作，稳定性高。

附图说明

图1是本发明的具体实施例的双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的结构示意图。

图2是所述双目视觉传感器和激光振镜加工系统的映射关系图。

图3是本发明的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法的标定步骤流程图。

图4是本发明的具体实施例的预定义的激光振镜加工图形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法，它在激光振镜加工系统的景深内通过激光打标获得密集的标志点，然后通过这些标志点的三维坐标及它们在激光振镜加工系统的激光振镜加工图形坐标系中的二维坐标的对应关系来精确求解双目视觉传感器和激光振镜加工系统之间的映射关系，提高视觉反馈加工精度。

由于振镜系统可以近似表示为一个小孔成像模型，若用一个转换矩阵来表征了双目视觉传感器和激光振镜加工系统的映射关系，在激光振镜加工系统的景深内的通过双目视觉传感器重建的任意空间三维点均可通过这个转换矩阵投影到激光振镜加工系统的激光振镜加工图形坐标系上。这个转换矩阵可以通过采集足够多的空间标志点及其在激光振镜加工系统的激光振镜加工图形坐标系上的对应二维标志点来求解。并且，一旦双目视觉传感器和激光振镜加工系统的结构位置关系确定下来，两者的映射关系，即所述转换矩阵就是不变的。

在双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的加工过程中，由双目视觉传感器生成的三维加工路径需要转换到激光振镜加工系统中的二维加工路径，然后才能对待加工物件进行加工。为了精确的实现这一从三维到二维的转换，需要求解一个转换矩阵，该矩阵表征了双目视觉传感器到激光振镜加工系统的映射关系，一旦双目视觉传感器和激光振镜加工系统的结构参数及空间相对位置关系确定了以后，所述转换矩阵就随之确定并保持不变。显然，对这个转换矩阵的精确求解决定了视觉反馈加工的精度，把求解这一矩阵的过程称为双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定过程。

一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法，预先确定的包含若干二维标志点的激光振镜加工图形，采用该激光振镜加工图形在激光振镜加工系统的景深内通过激光打标获得不同深度上的密集的空间标志点，采用双目视觉传感器测量得到空间标志点的三维坐标；根据激光振镜加工图形上的二维标志点的坐标和空间标志点的三维坐标之间的对应关系，获得表征双目视觉传感器和激光振镜加工系统间的映射关系的转换矩阵。

如图1所示是本发明的具体实施例的双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的结构示意图，双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统主要包含一对双目视觉传感器，激光振镜加工系统和主控计算机三个部分。双目视觉传感器分别固定在激光振镜加工系统的两侧，且互成一定的角度对准激光振镜加工系统的加工区域。主控计算机则负责处理图形信息和对激光振镜加工系统、双目视觉传感器发送控制指令。激光振镜加工系统由大功率的激光器和振镜组成。振镜是由两个正交的反射镜组成，由驱动电机来改变反射镜的方向便可控制激光的出射方向。

双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的加工原理为：首先，双目视觉传感器采集待加工物件的图像后，再将这些图像传输到主控计算机上；然后，主控计算机通过双目立体视觉原理对待加工物件的三维模型，并在三维模型上规划空间加工路径；然后，所述空间加工路径通过一个转换矩阵投影到激光振镜加工系统上并形成二维的振镜加工路径；最后，主控计算机按振镜加工路径指挥激光振镜加工系统对待加工物体进行加工。

如图2所示是所述双目视觉传感器和激光振镜加工系统的映射关系图，定义双目视觉传感器到激光振镜加工系统的映射关系为一个转换矩阵H，一旦双目视觉传感器和激光振镜加工系统的结构位置关系确定下来，两者的映射关系，即所述转换矩阵H就是不变的。给定一个由双目视觉传感器重建获得的三维空间点坐标X，该空间点投影在激光振镜加工系统的激光振镜加工图形坐标系上的二维点坐标x可以通过所述转换矩阵H按下式转换得到：

x＝HX    (1)

当在激光振镜加工系统的景深内获得足够多的一一对应的二维点坐标x和三维点坐标X，由于它们都可以通过所述转换矩阵H联系起来，那么通过最小二乘法便可求解一个所述转换矩阵H的最优解。因此，求解所述转换矩阵H的问题可被转换为首先在激光振镜加工系统的景深内获取足够多的一一对应的激光振镜加工图形坐标系中的二维点坐标x和由所述双目视觉传感器重建获得的三维点坐标X，然后通过最小二乘法求解所述转换矩阵H的一个最优解。

根据上述原理，本发明提出的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法的标定流程，如图3所示是本发明的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法的标定步骤流程图。

步骤一、采用已知尺寸的棋盘靶标标定双目视觉传感器的结构参数，所述结构参数包括镜头焦距、传感器尺寸、基线长度以及两传感器之间的空间位置关系等；

步骤二、将若干块平面靶标分别逐一放置在激光振镜加工系统的景深中的不同位置上，在每个位置上以包含若干二维标志点的激光振镜加工图形对平面靶标进行激光刻蚀，获得图像；具体为：对平面靶标进行标志点的激光蚀刻：将所述平面靶标放置在一个方位可调的固定装置上，这个装置能保证在每次所述激光刻蚀过程中所述平面靶标均处在激光振镜加工系统的景深内的不同位置上保持姿态固定，直至双目视觉传感器完成对其的图像采集。然后,主控计算机控制激光振镜加工系统在固定好的所述平面靶蚀刻标志点，每次蚀刻的标志点在激光振镜加工图形都是由用户预设的，因此激光振镜加工图形坐标系上的每个二维标志点的坐标均为已知的。图4是本发明的具体实施例的预定义的激光振镜加工图形示意图，显示了一种具体的激光振镜加工图形，该图形由若干个十字标志组成，十字的交点可以认为是一个显著的标志点。

步骤三、采用双目视觉传感器采集步骤二中获得的图像；即在激光振镜加工系统完成对平面靶标的蚀刻后，双目视觉传感器对固定不动的平面靶标进行图像采集并上传到主控计算机中，在主控计算机中进行分析。

步骤四、分析步骤三中双目视觉传感器采集的图像，定位并根据步骤一中获得的双目视觉传感器的结构参数来重建刻蚀在平面靶标上的与步骤二中所述二维标志点一一对应的空间标志点的三维坐标，获得密集三维标志点云；主控计算机对采集的双目图像进行处理，提取两幅图像中平面靶标上蚀刻的空间标志点的位置并作三维重建，这一重建过程是利用双目视觉传感器的标定中获得的双目视觉传感器的结构参数来求解的。

可更换新的平面靶标，或更换覆盖在平面靶标上的可替换材料，然后重复上述步骤二到步骤四的激光蚀刻和三维重建过程，直至采集到足够多的空间标志点，为了系统标定的精确性，上述激光蚀刻过程至少要在不同的空间平面内重复三次。

步骤五、将步骤四中获得的密集三维标志点云的坐标与所述激光振镜加工图形坐标系上的二维标志点的坐标一一匹配后，计算得到转换矩阵。

经过以上标定过程，便可利用获得的转换矩阵来进行立体视觉引导下的激光加工：双目视觉传感器完成对待加工物件的三维重建后，系统将自动在该模型上按用户定义的标准生成空间加工路径，有了精确标定的转换矩阵，该空间切割路径在激光振镜加工系统的二维激光振镜加工图形坐标系上的加工路径便可由公式(1)求出，然后激光振镜加工系统便可根据该二维加工路径来对待加工物体进行加工。

所述步骤二中的激光振镜加工图形是预先由标定用户定义的包含若干二维标志点的二维图形，所述二维标志点在激光振镜加工图形坐标系内的坐标是已知的。

所述步骤五中的转换矩阵是通过最小二乘法或类似的优化求解方法计算得到。

选取适合的平面靶标，所述平面靶标的面积大于激光振镜加工系统的景深内的最大打标面积；所述平面靶标放置在一个方位可调的固定装置上，该装置能保证在每次激光刻蚀过程中所述平面靶标均处在激光振镜加工系统的景深内的不同位置上保持姿态固定，直至双目视觉传感器完成对其的图像采集；所述平面靶标上覆盖可替换的易于被激光刻蚀的材料，这样每次进行激光刻蚀后只需更换覆盖的材料，无需更换靶标。

本发明提出的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法可以有效地将安装在任意位置的双目传感器和激光振镜加工系统有机地结合起来，通过简单的激光蚀刻和三维重建过程便可完成上述两者之间的空间关系的标定，使得立体视觉引导下的激光加工得以实现。并且，整个标定的过程最大限度地保证了标定参数的稳定性和准确性，系统经过一次标定后便无需再进行二次标定，提高了实际操作的便利性。

Claims (6)

1.一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法，其特征在于，预先确定包含若干二维标志点的激光振镜加工图形，采用该激光振镜加工图形在激光振镜加工系统的景深内通过激光打标获得不同深度上的密集的空间标志点，采用双目视觉传感器测量得到空间标志点的三维坐标；根据激光振镜加工图形上的二维标志点的坐标和空间标志点的三维坐标之间的对应关系，获得表征双目视觉传感器和激光振镜加工系统间的映射关系的转换矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法，其特征在于，具体步骤如下，

步骤一、采用已知尺寸的棋盘靶标标定双目视觉传感器的结构参数，所述结构参数包括镜头焦距、传感器尺寸、基线长度以及两传感器之间的空间位置关系；

步骤二、将若干块平面靶标分别逐一放置在激光振镜加工系统的景深中的不同位置上，在每个位置上以包含若干二维标志点的激光振镜加工图形对平面靶标进行激光刻蚀，获得图像；

步骤三、采用双目视觉传感器采集步骤二中获得的图像；

步骤四、分析步骤三中双目视觉传感器采集的图像，定位并根据步骤一中获得的双目视觉传感器的结构参数来重建刻蚀在平面靶标上的与步骤二中所述二维标志点一一对应的空间标志点的三维坐标，获得密集三维标志点云； 

步骤五、将步骤四中获得的密集三维标志点云的坐标与所述激光振镜加工图形坐标系上的二维标志点的坐标一一匹配后，计算得到转换矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法，其特征在于，所述步骤二中的激光振镜加工图形是预先由标定用户定义的包含若干二维标志点的二维图形，所述二维标志点在激光振镜加工图形坐标系内的坐标是已知的。

4.根据权利要求2所述的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法，其特征在于，所述步骤五中的转换矩阵是通过最小二乘法计算得到。

5.根据权利要求2所述的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法，其特征在于，所述平面靶标的面积大于激光振镜加工系统的景深内的最大打标面积；所述平面靶标放置在一个方位可调的固定装置上，该装置能保证在每次激光刻蚀过程中所述平面靶标均处在激光振镜加工系统的景深内的不同位置上保持姿态固定，直至双目视觉传感器完成对其的图像采集。

6.根据权利要求2所述的一种双目立体视觉引导下的激光振镜加工系统的标定方法，其特征在于，所述平面靶标上覆盖可替换的易于被激光刻蚀的材料。