CN106066185B - 一种面向焊缝跟踪的线激光传感器自动标定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向焊缝跟踪的线激光传感器自动标定装置，包括第一手动转台、第二手动转台、十字滑台机构、载物台，第一手动转台的固定端连接第一直角连接接板，旋转端通过第二直角连接板与第二手动转台的固定端相连接，第二手动转台的旋转端连接第三直角连接板，十字滑台机构设置在所述第三直角连接板上，载物台设置在所述十字滑台机构上，所述的载物台上设置有点阵式标定板及光源。本发明还公开了一种面向焊缝跟踪的线激光传感器自动标定方法。本发明搭建了四自由度线激光传感器标定装置，提高了标定过程中图像采集的操作简易性和标定准确性，线激光传感器的测量精度达到±0.02mm，为后续的焊缝跟踪测量提供了精准的位姿关系。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域。尤其涉及一种面向焊缝跟踪的线激光传感器自动标定装置及方法。
背景技术
焊接是工业生产中必不可少的一个生产工艺。在日常的生产生活中，随处可见焊接产品，大到航空航天，小到简简单单的铁门，都有焊接工艺的应用的用途。人工焊接仍是目前焊接工艺的主力军，但培养一个优秀焊工需要花费较大的成本和时间，而焊接工作的环境往往是具有高危性和污染性。因此，焊接机器人将是工业化发展的一个重要方向。
面对各种各样的焊接环境，存在各式各样的焊缝。传统的示教再现型是无法满足复杂的焊接环境。焊缝自动跟踪技术将弥补示教再现性的补足，线激光传感器是焊接机器人在焊缝跟踪时进行准确识别判断的辅助仪器。
要对焊缝进行精确的测量，首先要对线激光器和相机传感器的位置进行标定，获得激光和摄像机的位姿关系。线激光器标定技术是指利用外界辅助标定设备(标定平台)，对相机传感器内参数，采集不同平面投射下的激光线图像，利用标定得到的平面外参数提取激光线坐标，进而获得空间中激光线平面方程，再利用算法计算激光线平面相对于相机坐标系的位姿关系。但目前在国内，还没有面向焊缝跟踪的线激光传感器标定技术，本发明依此提出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向焊缝跟踪的线激光传感器自动标定装置及方法，通过此标定装置及方法，能精确标定出线激光器传感器和相机之间的位置关系，为焊缝跟踪及测量提供了精确的位姿关系，通过采集焊接时激光线的图像就可以准确地反映焊缝的三维信息，实现焊缝跟踪的精密化。
为达到上述目的，本发明一方面提供了一种面向焊缝跟踪的线激光传感器自动标定装置，包括第一手动转台、第二手动转台、十字滑台机构、载物台，
所述第一手动转台的固定端连接第一直角连接接板，旋转端通过第二直角连接板与第二手动转台的固定端相连接，所述第二手动转台的旋转端连接第三直角连接板，所述的十字滑台机构设置在所述第三直角连接板上，所述载物台设置在所述十字滑台机构上，所述的载物台上设置有点阵式标定板及光源。
进一步地，所述十字滑台机构每个方向的行程>80mm。
进一步地，所述第一手动转台、第二手动转台的回转角度为0°～360°。
本发明另一方面提供了一种基于所述装置的自动标定方法，包括步骤：
1)调整线激光传感器安装高度及光源光强，使光线在标定板上均匀分布；
2)调整十字滑台机构和手动转台，采集所述标定板在相机视场内各个位置和角度时的图像，获得标定板在不同位姿下的多幅图像，同时，选定两个高度差为H的固定平面作为参考位姿平面，采集标定板在这两个位姿下的图像；
3)将激光投射到所述的参考位姿平面，采集两平面上的激光线图像；
4)依次读取图像，标定出相机的内参数和两个参考位姿平面的外参数；
5)读取激光线图像，利用图像形态学原理提取所述激光线图像坐标，然后利用已标定的相机内参数和两个参考位姿平面的外参数将所述激光线图像坐标转换成相机坐标系的坐标，得到两组参考位姿平面上的激光线坐标组；
6)将所述的两组参考位姿平面上的激光线坐标组的三维坐标拟合成激光平面方程Ax+By+Cz+1＝0；
7)将激光平面方程转换成激光平面位姿，即激光平面外参数；
8)验证标定结果和精度。
进一步地，所述出相机的内参数包括f、k、sx、sy、cx、cy，其中，f为摄像机的焦距，k为摄像机的畸变系数，sx和sy为图像坐标系中缩放比例因子，cx和cy为光轴中心的垂直投影坐标；两个参考位姿平面的外参数包括rx、ry、rz、px、py、pz，表示世界坐标系和相机坐标系的变换关系，其中，rx、ry、rz表示两坐标系间对应轴的旋转角度，px、py、pz对应轴在正方向上的平移量。
进一步地，所述利用图像形态学原理提取所述激光线图像坐标的步骤包括：阈值分割、开闭运算，顶帽处理，求解连通域和骨架提取。
进一步地，所述激光平面方程的拟合过程具体包括：
61)将获得的两个激光线坐标组整合成(m+n)×3维的新数组(x,y,z)，新数组满足激光平面方程：
(x,y,z)·(A,B,C)T+D＝0，
式中，D为元素都是1的(m+n)×1维数组；
62)记E＝(x,y,z)，然后利用矩阵的最小二乘法拟合解出平面方程：
(A,B,C)T＝(ET·E)-1·ET·(-D)；
63)验证拟合精度，已知点到平面距离的公式为：
将已知点E＝(x,y,z)代入上式，并求就能算出拟合平面的平均残差。
进一步地，所述步骤7)具体包括：
71)xl轴的构造：由已知的激光平面方程知其平面上的单位法向量为
以激光平面单位法向量为xl轴，即xl＝n，记为xl＝(r11,r21,r31)；
72)zl轴的构造：设相机坐标系原点为(0,0,0)，取z轴上另一点Z100为(0,0,100)，在激光平面上投影向量的单位矢量即为zl轴，激光平面单位法向量为n，在激光平面法向量的投影向量为：
由向量之间的加减运算得激光坐标系z轴方向向量：
对获得的z轴方向向量进行单位化即得到zl＝(r13,r23,r33)；
73)yl轴的构：由激光坐标系的x轴和z轴做向量的外积运算就能得出yl轴：
yl＝xl×zl，
记为yl＝(r12,r22,r32)；
74)原点的构造：设定相机坐标系的原点沿激光线平面法向量方向投影得到的点就是激光坐标系的原点，相机坐标系原点到平面的距离为：
距离与法向量的内积就是激光平面原点的坐标值，则原点的坐标如下所示：
75)由激光位姿矩阵的关系式可得：
则平面外参数与平面位姿矩阵之间的关系式如下所示：
联立各关系式，将构造所得的激光位姿矩阵转换成激光平面外参数，记为(rxl,ryl,rzl,pxl,pyl,pzl)。
进一步地，步骤8)具体包括：
81)提取出激光线的图像坐标系的坐标，然后用标定得到的相机内参数(f,k,sx,sy,cx,cy)和激光平面的外参数(rxl,ryl,rzl,pxl,pyl,pzl)，重新将激光线的图像坐标系坐标转换成相机坐标系的坐标；
82)提取上参考位姿平面的激光线坐标组记为(x1',y1',z1')，这是一个n×3维的数组；提取到下参考位姿平面激光线的坐标组记为(x'2,y'2,z'2)，这是一个m×3维的数组；
83)求出两个数组中z坐标的平均值记为
84)计算比较Δz'和高度差H的差值即获得线激光传感器标定的精度。
本发明相对于现有技术具有如下优点和有益效果:
(1)本发明搭建了四自由度线激光传感器标定装置，极大程度提高了标定过程中图像采集的操作简易性和标定准确性；
(2)本发明利用图像形态学、空间解析几何、矩阵运算以及空间测量原理等方法建立了线激光器标定的数学模型；
(3)本发明根据建立的数学模型开发了线激光传感器标定过程程序；
(4)经过大量实验验证，本发明标定误差小于0.02mm；
(5)本发明为后续的焊缝跟踪测量提供了精准的位姿关系。
附图说明
图1是本发明实施例的自动标定装置结构示意图；
图2是本发明实施例中标定板结构示意图；
图3是本发明实施例的自动标定装置装配示意图；
图4是本发明实施例的线激光器传感器标定原理示意图一；
图5是本发明实施例的线激光器传感器标定原理示意图二；
图6是本发明实施例的线激光器传感器标定原理示意图三；
图7是本发明实施例的标定方法流程图。
图中所示为：1-第一直线运动模组；2-第二直线运动模组；3-第一转接板；4-第二转接板；5-第一手动转台；6-第三转接板；7-第四转接板；8-旋转手把；9-第二手动转台；10-第五转接板；11-载物台；12-第五转接板；13-光源；14-标定板；15-激光传感器；16-水平支架；17-竖直支架；18-工作台；19-相机；20-第一激光线；21-激光平面；22-第二激光线；23-第二平面；24-第一平面。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
如图1所示，一种面向焊缝跟踪的线激光传感器自动标定装置，其特征在于：包括第一手动转台5、第二手动转台9、十字滑台机构、载物台11，
所述第一手动转台5的固定端连接第一直角连接接板，旋转端通过第二直角连接板与第二手动转台9的固定端相连接，所述第二手动转台9的旋转端连接第三直角连接板，所述的十字滑台机构设置在所述第三直角连接板上，所述载物台11设置在所述十字滑台机构上，组合成一个4自由度的自动标定装置，所述的载物台11上设置有点阵式标定板14及光源13，标定板14能够沿着(x,y)两个方向进行旋转和平移，同时平移的范围覆盖整个相机19视场，旋转角度超过±90°，满足标定过程中标定板位置和姿态的要求。所述的第一直角连接接板包括相互垂直的第一转接板3和第二转接板4，所述的第二直角连接接板包括相互垂直的第三转接板6和第四转接板7，所述的第三直角连接接板包括相互垂直的第五转接板10和第六转接板12。
所述十字滑台机构包括相互垂直的第一直线运动模组1、第二直线运动模组2，每个方向的行程>80mm。
所述第一手动转台5、第二手动转台9的回转角度为0°～360°，规格为Φ110×30mm，均可以通过自带的旋转手把8进行调节回转角度。
如图2所示，所述的标定板14采用7×7点阵式标定板，整体尺寸为63×63×6mm，标定区域为30×30mm。所述光源13为条形光源，条形光源可动态调整光强，以提高图像采集的质量。
图3所示是自动标定装置整体装配图，自动标定装置安装在铝型材搭建的工作台18上；线激光传感器15安装在由水平支架16和竖直支架17组成的铝型材支架上，可对相机19和标定平面之间高度进行调整；光源13和标定板14固定在载物台11上。
图4至图6所示是线激光传感器标定原理示意图：
其中，图4中激光线投射到具有一定高度差的第二平面23、第一平面24上形成两条直线，即第一激光线20、第二激光线22，两条直线确定了激光平面21。图5中由提取到两条激光线坐标值，通过最小二乘拟合，获取激光平面方程。图6中由获得的激光平面方程构造激光平面坐标系，获取激光平面位姿(即激光平面的外参数)。
如图5所示，一种基于所述装置的自动标定方法，包括步骤：
S1、调整线激光传感器安装高度及光源光强，使光线在标定板上均匀分布；
S2、调整十字滑台机构和手动转台，采集所述标定板在相机视场内各个位置和角度时的图像，获得标定板在不同位姿下的多幅图像，同时，选定两个高度差为H的固定平面作为参考位姿平面，采集标定板在这两个位姿下的图像，具体可通过现有计算机中的图像采集程序结合相机19进行采集；
S3、将激光投射到所述的参考位姿平面，采集两平面上的激光线图像；
S4、依次读取图像，标定出相机的内参数和两个参考位姿平面的外参数；
S5、读取激光线图像，利用图像形态学原理提取所述激光线图像坐标，然后利用已标定的相机内参数和两个参考位姿平面的外参数将所述激光线图像坐标转换成相机坐标系的坐标，得到两组参考位姿平面上的激光线坐标组，记为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，所述(x1,y1,z1)是第一平面24上的激光线坐标组，其是一个n×3维的数组，所述(x2,y2,z2)是第二平面23上的激光线坐标组，其是一个m×3维的数组；
S6、将所述的两组参考位姿平面上的激光线坐标组的三维坐标拟合成激光平面方程Ax+By+Cz+1＝0；
S7、将激光平面方程转换成激光平面位姿，即激光平面外参数；
S8、验证标定结果和精度。
具体而言，所述出相机的内参数包括f、k、sx、sy、cx、cy，其中，f为摄像机的焦距，k为摄像机的畸变系数，sx和sy为图像坐标系中缩放比例因子，cx和cy为光轴中心的垂直投影坐标；两个参考位姿平面的外参数包括rx、ry、rz、px、py、pz，表示世界坐标系和相机坐标系的变换关系，其中，rx、ry、rz表示两坐标系间对应轴的旋转角度，px、py、pz对应轴在正方向上的平移量，，本实施例中，两个参考位姿平面的外参数分别为(rx1,ry1,rz1,px1,py1,pz1)和(rx2,ry2,rz2,px2,py2,pz2)。
具体而言，所述利用图像形态学原理提取所述激光线图像坐标的步骤包括：阈值分割、开闭运算，顶帽处理，求解连通域和骨架提取。
具体而言，所述激光平面方程的拟合过程具体包括：
S61、将获得的两个激光线坐标组整合成(m+n)×3维的新数组(x,y,z)，新数组满足激光平面方程：
(x,y,z)·(A,B,C)T+D＝0，
式中，D为元素都是1的(m+n)×1维数组；
S62、记E＝(x,y,z)，然后利用矩阵的最小二乘法拟合解出平面方程：
(A,B,C)T＝(ET·E)-1·ET·(-D)；
S63、验证拟合精度，已知点到平面距离的公式为：
将已知点E＝(x,y,z)代入上式，并求就能算出拟合平面的平均残差。
具体而言，所述步骤S7具体包括：
S71、xl轴的构造：由已知的激光平面方程知其平面上的单位法向量为
以激光平面单位法向量为xl轴，即xl＝n，记为xl＝(r11,r21,r31)；
S72、zl轴的构造：设相机坐标系原点为(0,0,0)，取z轴上另一点Z100为(0,0,100)，在激光平面上投影向量的单位矢量即为zl轴，激光平面单位法向量为n，在激光平面法向量的投影向量为：
由向量之间的加减运算得激光坐标系z轴方向向量：
对获得的z轴方向向量进行单位化即得到zl＝(r13,r23,r33)；
S73、yl轴的构造：由激光坐标系的x轴和z轴做向量的外积运算就能得出yl轴：
yl＝xl×zl，
记为yl＝(r12,r22,r32)；
S74、原点的构造：设定相机坐标系的原点沿激光线平面法向量方向投影得到的点就是激光坐标系的原点，相机坐标系原点到平面的距离为：
距离与法向量的内积就是激光平面原点的坐标值，则原点的坐标如下所示：
S75、由激光位姿矩阵的关系式可得：
则平面外参数与平面位姿矩阵之间的关系式如下所示：
联立各关系式，将构造所得的激光位姿矩阵转换成激光平面外参数，记为(rxl,ryl,rzl,pxl,pyl,pzl)。
具体而言，步骤S8具体包括：
S81、提取出激光线的图像坐标系的坐标，然后用标定得到的相机内参数(f,k,sx,sy,cx,cy)和激光平面的外参数(rxl,ryl,rzl,pxl,pyl,pzl)，重新将激光线的图像坐标系坐标转换成相机坐标系的坐标；
S82、提取上参考位姿平面的激光线坐标组记为(x1',y1',z1')，这是一个n×3维的数组；提取到下参考位姿平面激光线的坐标组记为(x'2,y'2,z'2)，这是一个m×3维的数组；
S83、求出两个数组中z坐标的平均值记为
S84、计算比较Δz'和高度差H的差值即获得线激光传感器标定的精度。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种面向焊缝跟踪的线激光传感器自动标定方法，基于面向焊缝跟踪的线激光传感器自动标定装置，所述的面向焊缝跟踪的线激光传感器自动标定装置包括第一手动转台(5)、第二手动转台(9)、十字滑台机构、载物台(11)，所述第一手动转台(5)的固定端连接第一直角连接接板，旋转端通过第二直角连接板与第二手动转台(9)的固定端相连接，所述第二手动转台(9)的旋转端连接第三直角连接板，所述的十字滑台机构设置在所述第三直角连接板上，所述载物台(11)设置在所述十字滑台机构上，所述的载物台(11)上设置有点阵式标定板(14)及光源(13)；所述十字滑台机构每个方向的行程>80mm；所述第一手动转台(5)、第二手动转台(9)的回转角度为0°～360°；其特征在于，所述方法包括步骤：
1)调整线激光传感器安装高度及光源光强，使光线在标定板上均匀分布；
2)调整十字滑台机构和手动转台，采集所述标定板在相机视场内各个位置和角度时的图像，获得标定板在不同位姿下的多幅图像，同时，选定两个高度差为H的固定平面作为参考位姿平面，采集标定板在这两个位姿下的图像；
3)将激光投射到所述的参考位姿平面，采集两平面上的激光线图像；
4)依次读取图像，标定出相机的内参数和两个参考位姿平面的外参数；
5)读取激光线图像，利用图像形态学原理提取所述激光线图像坐标，然后利用已标定的相机内参数和两个参考位姿平面的外参数将所述激光线图像坐标转换成相机坐标系的坐标，得到两组参考位姿平面上的激光线坐标组；
6)将所述的两组参考位姿平面上的激光线坐标组的三维坐标拟合成激光平面方程Ax+By+Cz+1＝0；
7)将激光平面方程转换成激光平面位姿，即激光平面外参数；
8)验证标定结果和精度。
2.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于：所述出相机的内参数包括f、k、sx、sy、cx、cy，其中，f为摄像机的焦距，k为摄像机的畸变系数，sx和sy为图像坐标系中缩放比例因子，cx和cy为光轴中心的垂直投影坐标；两个参考位姿平面的外参数包括rx、ry、rz、px、py、pz，表示世界坐标系和相机坐标系的变换关系，其中，rx、ry、rz表示两坐标系间对应轴的旋转角度，px、py、pz对应轴在正方向上的平移量。
3.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于：所述利用图像形态学原理提取所述激光线图像坐标的步骤包括：阈值分割、开闭运算，顶帽处理，求解连通域和骨架提取。
4.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于：所述激光平面方程的拟合过程具体包括：
61)将获得的两个激光线坐标组整合成(m+n)×3维的新数组(x,y,z)，新数组满足激光平面方程：
(x,y,z)·(A,B,C)T+D＝0，
式中，D为元素都是1的(m+n)×1维数组；
62)记E＝(x,y,z)，然后利用矩阵的最小二乘法拟合解出平面方程：
(A,B,C)T＝(ET·E)-1·ET·(-D)；
63)验证拟合精度，已知点到平面距离的公式为：
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将已知点E＝(x,y,z)代入上式，并求就能算出拟合平面的平均残差。
5.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于，所述步骤7)具体包括：
71)xl轴的构造：由已知的激光平面方程知其平面上的单位法向量为
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以激光平面单位法向量为xl轴，即xl＝n，记为xl＝(r11,r21,r31)；
72)zl轴的构造：设相机坐标系原点为(0,0,0)，取z轴上另一点Z100为(0,0,100)，在激光平面上投影向量的单位矢量即为zl轴，激光平面单位法向量为n，在激光平面法向量的投影向量为：
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对获得的z轴方向向量进行单位化即得到zl＝(r13,r23,r33)；
73)yl轴的构：由激光坐标系的x轴和z轴做向量的外积运算就能得出yl轴：
yl＝xl×zl，
记为yl＝(r12,r22,r32)；
74)原点的构造：设定相机坐标系的原点沿激光线平面法向量方向投影得到的点就是激光坐标系的原点，相机坐标系原点到平面的距离为：
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75)由激光位姿矩阵的关系式可得：
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则平面外参数与平面位姿矩阵之间的关系式如下所示：
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<mo>,</mo>
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联立各关系式，将构造所得的激光位姿矩阵转换成激光平面外参数，记为(rxl,ryl,rzl,pxl,pyl,pzl)。
6.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于，步骤8)具体包括：
81)提取出激光线的图像坐标系的坐标，然后用标定得到的相机内参数(f,k,sx,sy,cx,cy)和激光平面的外参数(rxl,ryl,rzl,pxl,pyl,pzl)，重新将激光线的图像坐标系坐标转换成相机坐标系的坐标；
82)提取上参考位姿平面的激光线坐标组记为(x1',y1',z1')，这是一个n×3维的数组；提取到下参考位姿平面激光线的坐标组记为(x'2,y'2,z'2)，这是一个m×3维的数组；
83)求出两个数组中z坐标的平均值记为
<mrow>
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84)计算比较Δz'和高度差H的差值即获得线激光传感器标定的精度。
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