CN108286946A - 传感器位置标定和数据拼接的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了传感器位置标定和数据拼接的方法及系统，涉及传感器技术领域，包括：根据被测物体和传感器的参数特性将球面标准件和多个传感器设置于初始位置处；基于初始位置，通过传感器对球面标准件进行扫描，获得传感器坐标系下的第一点坐标；根据球面标准件的初始参数和第一点坐标建立第一最优化模型；对第一最优化模型进行计算，得到传感器相对于球面标准件的标定位置；根据标定位置对多个传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息。本发明可以提高标定和数据拼接的精准度，满足对不同型号、不同精度的传感器进行标定和数据拼接。

Description

传感器位置标定和数据拼接的方法及系统

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及传感器位置标定和数据拼接的方法及系统。

背景技术

在实际使用中有时为了扩展三维传感器的测量范围，需要使用多个三维传感器，比如对于较高分辨率的激光三维传感器，其测量范围往往比较小，为了扫描测量较大范围的被测件，一种方法是使用多个激光三维传感器进行扫描。为了扫描获得被测物体的内槽宽，就需要两个三维激光传感器布置在被测物体的两边对其进行扫描，同时还需要知道两个三维激光传感器的相对位置才能实现测量功能。目前实际使用的方法中，还有一种是使用一些带有沟槽等特定的结构件对两个三维传感器进行粗略的标定和数据拼接。

第一种方法得到的结果较为粗略，精度不高。这种方法主要是依据是标准件的的沟槽具有一定的直线度，来大致保证数据拼合效果。第二种方法在实际操作中发现不能对不同型号、不同精度的传感器进行标定和数据拼接。如果三维激光传感器安装位置未能覆盖整个凸台，将不能标定。有时为了完成标定需要对传感器的位置进行限制，以保证传感器能够覆盖至少一个凸台。更有甚者，如果有些激光三维传感器的测量范围没有凸台的尺寸宽，将不能完成标定。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供传感器位置标定和数据拼接的方法及系统，以提高标定和数据拼接的精准度，满足对不同型号、不同精度的传感器进行标定和数据拼接。

第一方面，本发明实施例提供了一种传感器位置标定和数据拼接的方法，其中，包括：

根据被测物体和传感器的参数特性将球面标准件和多个所述传感器设置于初始位置处；

基于所述初始位置，通过所述传感器对所述球面标准件进行扫描，获得传感器坐标系下的第一点坐标；

根据所述球面标准件的初始参数和所述第一点坐标建立第一最优化模型；

对所述第一最优化模型进行计算，得到所述传感器相对于所述球面标准件的标定位置；

根据所述标定位置对多个所述传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述初始位置包括第一位置和第二位置，所述根据被测物体和传感器的参数特性将球面标准件和多个所述传感器设置于初始位置处，包括：

根据所述被测物体和所述参数特性将多个所述传感器分别设置于不同的所述第一位置处；

选取所述球面标准件，并将所述球面标准件设置于所述被测物体所在的所述第二位置处。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述初始参数包括所述球面标准件的球面坐标系、球心坐标和球面半径，所述根据所述球面标准件的初始参数和所述第一点坐标建立第一最优化模型，包括：

根据下式建立所述第一最优化模型：

其中，且H_p为所述球面坐标系，为所述标定位置，P_si,k为第i个传感器获得的第k点的所述第一点坐标，P_i,k为所述第一点坐标在所述球面坐标系下的第二点坐标，O_p为所述球心坐标，R为所述球面半径。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述对所述第一最优化模型进行计算，得到所述传感器相对于所述球面标准件的标定位置，包括：

采用齐次坐标形式将所述第一最优化模型进行转换，得到第二最优化模型；

对所述第二最优化模型进行计算，得到所述标定位置。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述测量数据包括第三点坐标，所述拼接结果信息包括第一数据拼接结果信息，所述根据所述标定位置对多个所述传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息，包括：

根据所述标定位置，将每个所述传感器测量得到的所述第三点坐标均转换为相对于球面坐标系的第四点坐标，得到所述第一数据拼接结果信息。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述测量数据还包括第五点坐标，所述拼接结果信息包括第二数据拼接结果信息，所述根据所述标定位置对多个所述传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息，还包括：

根据所述标定位置并采用矩阵运算获得第i个传感器相对于第j个传感器的相对位置；

根据所述相对位置，将每个所述传感器测量得到的所述第五点坐标均转换为相对于第i个传感器的坐标系的第六点坐标，得到所述第二数据拼接结果信息。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述根据所述标定位置并采用矩阵运算获得第i个传感器相对于第j个传感器的相对位置，包括：

根据下式获得所述相对位置：

其中，为所述相对位置，为第i个传感器相对于球面标准件的标定位置，为第j个传感器相对于球面标准件的标定位置。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述传感器为激光三维传感器。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述球面标准件为至少一个。

第二方面，本发明实施例还提供一种传感器位置标定和数据拼接的系统，其中，包括：

安装单元，用于根据被测物体和传感器的参数特性将球面标准件和多个所述传感器设置于初始位置处；

扫描单元，用于基于所述初始位置，通过所述传感器对所述球面标准件进行扫描，获得传感器坐标系下的第一点坐标；

建立模型单元，用于根据所述球面标准件的初始参数和所述第一点坐标建立第一最优化模型；

位置标定单元，用于对所述第一最优化模型进行计算，得到所述传感器相对于所述球面标准件的标定位置；

数据拼接单元，用于根据所述标定位置对多个所述传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明提供的传感器位置标定和数据拼接的方法及系统，包括：根据被测物体和传感器的参数特性将球面标准件和多个传感器设置于初始位置处；基于初始位置，通过传感器对球面标准件进行扫描，获得传感器坐标系下的第一点坐标；根据球面标准件的初始参数和第一点坐标建立第一最优化模型；对第一最优化模型进行计算，得到传感器相对于球面标准件的标定位置；根据标定位置对多个传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息。本发明可以实现对多个传感器所获得的数据进行数据拼接，同时提高标定和数据拼接的精准度，满足对不同型号、不同精度的传感器进行标定和数据拼接。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的传感器位置标定原理示意图；

图2为本发明实施例一提供的传感器位置标定和数据拼接的方法流程图；

图3为本发明实施例二提供的传感器位置标定和数据拼接的系统示意图。

图标：

100-安装单元；200-扫描单元；300-建立模型单元；400-位置标定单元；500-数据拼接单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，为了扫描测量较大范围的被测件，一种方法是使用多个激光三维传感器进行扫描。该方法得到的结果较为粗略，精度不高。这种方法主要是依据是标准件的的沟槽具有一定的直线度，来大致保证数据拼合效果。还有一种方法是使用一些带有沟槽等特定的结构件对两个三维传感器进行粗略的标定和数据拼接。该方法在实际操作中发现不能对不同型号、不同精度的传感器进行标定和数据拼接。如果三维激光传感器安装位置未能覆盖整个凸台，将不能标定。有时为了完成标定需要对传感器的位置进行限制，以保证传感器能够覆盖至少一个凸台。更有甚者，如果有些激光三维传感器的测量范围没有凸台的尺寸宽，将不能完成标定。

基于此，本发明实施例提供的传感器位置标定和数据拼接的方法及系统，可以提高标定和数据拼接的精准度，满足对不同型号、不同精度的传感器进行标定和数据拼接。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的传感器位置标定和数据拼接的方法进行详细介绍。

实施例一：

图1为本发明实施例一提供的传感器位置标定原理示意图。

按照被测物体及传感器本身的参数特性对传感器进行布置安装，在布置安装时只需要考虑被测对像及传感器本身的特性及结构等。在需要标定时，如图1所示，采用至少一个已知半径的球面标准件，放置到被测对像的位置，将多个(图示为两个)三维传感器放置于球面标准件上方对其进行扫描，获得球面的数据，根据获得的数据进行计算即可得到这些传感器之间的相对位置关系，这个过程即为对多个三维传感器相对位置标定。利用标定得到的结果，可以实现对多个三维传感器所获得的数据进行数据拼接，从而实现测量效果。

传感器为常见的获得物体三维信息的传感器，可以为但不限于基于三角原理的线结构的激光三维传感器、基于条纹结构光的三维成像技术的传感器、基于散斑结构光、基于编码结构光或者基于TOF(Time OfFlight，飞行时间测距法)的三维信息获取技术的传感器。

对上述的传感器位置标定和数据拼接的方法的每一步骤展开详细的描述，参照图2，包括如下步骤：

步骤S01，根据被测物体和传感器的参数特性将球面标准件和多个传感器设置于初始位置处；

具体的，初始位置是指传感器的位置和球面标准件的位置。首先，根据被测物体和参数特性将多个传感器分别设置于不同的第一位置处(比如被测物体处于A位置，传感器分别处于B₁、B₂位置)；然后，选取球面标准件，并将球面标准件设置于被测物体所在的第二位置处(即，将球面标准件替换至A位置处)。

步骤S02，基于初始位置，通过传感器对球面标准件进行扫描，获得传感器坐标系下的第一点坐标P_si,k；

具体的，传感器获得的三维信息可以视为相对于该传感器原点的点集{P}。在传感器的位置标定过程中所获得的点均来自于球面标准件，所以这些点到球心的距离等于球的半径。在球心处建立坐标系H_p，球心坐标为O_p。设第i个激光器相对于球面坐标系的标定位置的坐标为则该传感器通过扫描球面标准件所获得的第k点P记为P_si,k，为第一点坐标。在球面坐标系H_p下，该点转换为第二点坐标P_i,k，如公式(1)所示：

点P_i,k到球心的距离为球面的半径R。原理上应该满足公式(2)：

||P_i,k-O_p||-R＝0 (2)，

但是，由于传感器的安装存在误差等因素，公式(2)并不一定成立。越准确，上式左边越接近零。接下来通过求解最优化问题来获得准确度较高的

步骤S03，根据球面标准件的初始参数和第一点坐标建立第一最优化模型；

具体的，初始参数为上述的球面坐标系H_p、球心坐标O_p和球面半径R，根据公式(2)求一个使得sum((||p_i,k-O_p||-R)²)最小，即建立第一最优化模型，如公式(3)所示：

步骤S04，对第一最优化模型进行计算，得到传感器相对于球面标准件的标定位置

具体的，首先采用齐次坐标形式将第一最优化模型进行转换，得到第二最优化模型；然后对第二最优化模型进行计算，得到标定位置。

一般而言，可以表示为三个角度的旋转与三个平移向量，即(α_si,β_si,γ_si,X_si,Y_si,Z_si)，此时，表示为公式(4)：

其中，

基于此，第一最优化模型转换为齐次坐标形式的第二最优化模型，如公式(9)所示：

可以采用比较常规的高斯牛顿法及其改进算法对公式(9)进行计算，得到标定位置该为第i个传感器相对于球面标准件的相对位置描述。

步骤S05，根据标定位置对多个传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息。

具体的，如果直接使用则可以将每一个传感器所获得点坐标转换为相对于标定时球面标准件坐标系的点坐标，即完成相对于球面标准件的数据拼接。也就是说，测量数据包括第三点坐标，拼接结果信息包括第一数据拼接结果信息：根据标定位置，将每个传感器测量得到的第三点坐标均转换为相对于球面坐标系的第四点坐标，得到第一数据拼接结果信息。

另外，还可以利用矩阵运算获得第i个传感器相对于第j个传感器的相对位置，并基于此将每一个传感器所获得的点坐标转换到第i个传感器的坐标系中，即完成相对于第i个传感器的数据拼接。也就是说，测量数据还包括第五点坐标，拼接结果信息包括第二数据拼接结果信息：

根据标定位置并采用矩阵运算获得第i个传感器相对于第j个传感器的相对位置，如公式(10)所示：

其中，为相对位置，为第i个传感器相对于球面标准件的标定位置，为第j个传感器相对于球面标准件的标定位置。根据相对位置，将每个传感器测量得到的第五点坐标均转换为相对于第i个传感器的坐标系的第六点坐标，得到第二数据拼接结果信息。

上述实施例所提供的传感器位置标定和数据拼接的方法，针对每一个传感器都能够使用其一次采样所获得的球面上的所有点。参与运算的点数可以非常多，所以即使只通过一次采样也能够获得较高的精度。而且，不存在因为传感器的测量范围较窄较小而无法标定的情况，只要传感器能够获得球面标准件的一部分数据就能实现标定；同时，可以兼容不同型号或不同分辨率的传感器。上述实施例可以实现对多个三维传感器所获得的数据进行数据拼接，从而实现测量效果，另外，传感器位置标定和数据拼接的方法还可以推广到多个球面的标准件。

实施例二：

图3为本发明实施例二提供的传感器位置标定和数据拼接的系统示意图。

本发明实施例还提供了传感器位置标定和数据拼接的系统，用于实现上述实施例中的传感器位置标定和数据拼接的方法。参照图3，传感器位置标定和数据拼接的系统包括如下单元：

安装单元100，用于根据被测物体和传感器的参数特性将球面标准件和多个传感器设置于初始位置处；

扫描单元200，用于基于初始位置，通过传感器对球面标准件进行扫描，获得传感器坐标系下的第一点坐标P_si,k；

建立模型单元300，用于根据球面标准件的初始参数和第一点坐标建立第一最优化模型；

位置标定单元400，用于对第一最优化模型进行计算，得到传感器相对于球面标准件的标定位置

数据拼接单元500，用于根据标定位置对多个传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息。

本发明实施例所提供的系统，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，系统实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明提供的传感器位置标定和数据拼接的方法及系统，包括：根据被测物体和传感器的参数特性将球面标准件和多个传感器设置于初始位置处；基于初始位置，通过传感器对球面标准件进行扫描，获得传感器坐标系下的第一点坐标；根据球面标准件的初始参数和第一点坐标建立第一最优化模型；对第一最优化模型进行计算，得到传感器相对于球面标准件的标定位置；根据标定位置对多个传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息。本发明可以实现对多个三维传感器所获得的数据进行数据拼接，并推广到多个球面的标准件，同时可以提高标定和数据拼接的精准度，满足对不同型号、不同精度的传感器进行标定和数据拼接。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例提供的传感器位置标定和数据拼接的方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例的传感器位置标定和数据拼接的方法的步骤。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明实施例所提供的进行传感器位置标定和数据拼接的方法的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种传感器位置标定和数据拼接的方法，其特征在于，包括：

根据被测物体和传感器的参数特性将球面标准件和多个所述传感器设置于初始位置处；

基于所述初始位置，通过所述传感器对所述球面标准件进行扫描，获得传感器坐标系下的第一点坐标P_si,k；

根据所述球面标准件的初始参数和所述第一点坐标建立第一最优化模型；

对所述第一最优化模型进行计算，得到所述传感器相对于所述球面标准件的标定位置

根据所述标定位置对多个所述传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始位置包括第一位置和第二位置，所述根据被测物体和传感器的参数特性将球面标准件和多个所述传感器设置于初始位置处，包括：

根据所述被测物体和所述参数特性将多个所述传感器分别设置于不同的所述第一位置处；

选取所述球面标准件，并将所述球面标准件设置于所述被测物体所在的所述第二位置处。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始参数包括所述球面标准件的球面坐标系、球心坐标和球面半径，所述根据所述球面标准件的初始参数和所述第一点坐标建立第一最优化模型，包括：

根据下式建立所述第一最优化模型：

其中，且H_p为所述球面坐标系，为所述标定位置，P_si,k为第i个传感器获得的第k点的所述第一点坐标，P_i,k为所述第一点坐标在所述球面坐标系下的第二点坐标，O_p为所述球心坐标，R为所述球面半径。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第一最优化模型进行计算，得到所述传感器相对于所述球面标准件的标定位置，包括：

采用齐次坐标形式将所述第一最优化模型进行转换，得到第二最优化模型；

对所述第二最优化模型进行计算，得到所述标定位置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量数据包括第三点坐标，所述拼接结果信息包括第一数据拼接结果信息，所述根据所述标定位置对多个所述传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息，包括：

根据所述标定位置，将每个所述传感器测量得到的所述第三点坐标均转换为相对于球面坐标系的第四点坐标，得到所述第一数据拼接结果信息。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量数据还包括第五点坐标，所述拼接结果信息包括第二数据拼接结果信息，所述根据所述标定位置对多个所述传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息，还包括：

根据所述标定位置并采用矩阵运算获得第i个传感器相对于第j个传感器的相对位置；

根据所述相对位置，将每个所述传感器测量得到的所述第五点坐标均转换为相对于第i个传感器的坐标系的第六点坐标，得到所述第二数据拼接结果信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述标定位置并采用矩阵运算获得第i个传感器相对于第j个传感器的相对位置，包括：

根据下式获得所述相对位置：

其中，为所述相对位置，为第i个传感器相对于球面标准件的标定位置，为第j个传感器相对于球面标准件的标定位置。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器为激光三维传感器。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球面标准件为至少一个。

10.一种传感器位置标定和数据拼接的系统，其特征在于，包括：

安装单元，用于根据被测物体和传感器的参数特性将球面标准件和多个所述传感器设置于初始位置处；

扫描单元，用于基于所述初始位置，通过所述传感器对所述球面标准件进行扫描，获得传感器坐标系下的第一点坐标；

建立模型单元，用于根据所述球面标准件的初始参数和所述第一点坐标建立第一最优化模型；

位置标定单元，用于对所述第一最优化模型进行计算，得到所述传感器相对于所述球面标准件的标定位置；

数据拼接单元，用于根据所述标定位置对多个所述传感器的测量数据进行拼接，得到拼接结果信息。