CN109059768A - 一种容器内置零件检测系统的位姿标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视觉检测系统的位姿标定方法，特别是一种容器内置零件检测系统的位姿标定方法，属于计算机视觉与工程应用技术领域。本发明包括下述步骤:1）对内置零件检测系统进行本体标定，得到本体矩阵；2）对内置零件检测系统进行手眼标定，得到手眼关系矩阵；3）利用上述求出的本体矩阵、手眼关系矩阵将视觉传感器坐标系下的坐标值转换成内置零件检测系统的基座坐标系下，从而获得统一坐标系下的点云数据。本发明提高了容器内置零件的无损检测系统的测量精度和数据融合精度，并在一定程度消除系统误差，改善系统的准确度和可重复度。

Description

一种容器内置零件检测系统的位姿标定方法

技术领域

本发明涉及一种视觉检测系统的位姿标定方法，特别是一种容器内置零件检测系统的位姿标定方法，属于计算机视觉与工程应用技术领域。

背景技术

内置零件是一类设置在产品内部用于实现特定功能的零件，其装配质量的好坏直接影响产品的性能及可靠性。针对容器内置零件检测，目前在实际生产中多采用破坏性抽样检测方法。这种方式的缺点在于检测速度慢、效率低；其次由于对样品的破坏可能造成样品受力变形及人工操作的环节，影响了测量过程稳定性和最终数据准确性；这种方式不可避免地造成被检产品报废，所以难以满足大批量、高精密、快速检测的要求。邾继贵在论文基于机器人的柔性电子检具测量系统(光学精密工程,2011,19(8):1787-1793)中提出了内伸式检测方法：将视觉传感器集成在工业机器人上，使得测量设备通过关节臂进入容器内部，用点云数据替代了传统检具，从而增强了传统测量设备的柔性，但无法满足内部结构较为复杂的情况。Martin H.Skjelvareid在论文Internal pipeline inspection usingvirtual source synthetic aperture ultrasound imaging(Ndt&E International,2013,54(3):151-158)利用超声波在介质中传播时的一系列声学现象进行测量，利用超声波可以实现无损检测，但该方法精度不高，同时需要搭配精密机械定位机构使用，对检测速度造成影响。Wang Y等在论文Pipe Defect Detection and Reconstruction Based on 3DPoints Acquired by the Circular Structured Light Vision(Advances inMechanical Engineering,2013,2013(5):1-7)中用机器视觉管件的内部损伤进行检测并建模。机器视觉检测方法受被检材料的限制较小，且具有检测速度快、精度高、操作简便等优点。

因此，基于机器视觉测量以及数据分析处理的检测方法将成为容器内置零件质量检测的发展趋势，而系统的位姿标定是实现其无损检测的必要步骤。

由于容器内部的空间狭小且形貌不规则，给测量设备的摆放和机构运动带来了很大限制，因此传统的标定往往不能满足此类内置零件的快速检测需求。立体视觉测量技术是一种新型非接触式检测技术，通过对待测空间进行合理划分，并对不同区域分别进行测量，最后将测得的数据进行统一处理。这种方法使得测量设备的小型化程度和紧凑程度大大提高，可以很好地满足内置零件在受限空间中的测量要求，实现在非破坏条件下对内置零件进行快速、精密的测量。在容器内置零件检测系统中，位姿标定是保证系统数据测量精度和融合精度的关键，因此对容器内置零件检测系统的位姿标定方法进行研究具有重要意义。

发明内容

为了保证容器内置零件检测系统测量精度和数据融合精度，本发明针对容器内置零件检测系统的位置和姿态提出了一种容器内置零件检测系统的位姿标定方法，实现容器内置零件的无损检测，提高系统测量精度和数据融合精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种容器内置零件检测系统的位姿标定方法，包括下述步骤:

一种容器内置零件检测系统的位姿标定方法，其特征在于，所述容器内置零件检测系统包括微型激光测量装置、多自由度检具。

所述微型激光测量装置包括激光投射器与工业相机；

所述多自由度检具，包括底座、竖向安装块、横向安装块、测量臂转轴、测量臂、测量头转轴、测量头、微型激光测量装置，底座上装置竖向安装块，竖向安装块上设置竖向导轨，横向安装块安装在竖向导轨上，横向安装块上通过测量臂转轴安装测量臂，测量臂转轴、测量臂竖向设置，测量臂上通过测量头转轴安装测量头，测量头转轴横向设置；测量头上设置所述微型激光测量装置，测量头可相对于测量臂旋转，测量臂可相对于横向安装块旋转。

所述标定方法包括下述步骤:

1)通过激光跟踪仪和靶球对容器内置零件检测系统进行本体标定，得到本体矩阵；

2)对容器内置零件检测系统进行手眼标定，得到手眼关系矩阵；

3)利用所述本体矩阵、手眼关系矩阵将视觉传感器坐标系下的坐标值转换成内置零件检测系统的基座标系下，从而获得统一坐标系下的点云数据。

所述的步骤1中的对内置零件检测系统进行本体标定，包括如下内容：

需获取由末端关节指定的参考坐标系{O₁}在由中间关节所指定的参考坐标系{O₀}下的位姿矩阵。采用DH(Denavit-Hartenberg)模型对内置零件检测测量系统构建模型，则内置零件位姿测量系统的本体标定转化成求DH模型中的连杆长度、连杆偏距、连杆扭角、连杆转角四个参数的问题，具体步骤如下：

1_1)将激光跟踪仪靶标球分别固定在末端关节和中间关节上，测量末端关节和中间关节的轨迹；

1_2)由末端关节和中间关节的运动轨迹得到末端关节和中间关节的轴线位置和轴线方向；

1_3)根据各轴线之间的关系还原出内置零件位姿测量系统的本体模型，得到DH模型中的连杆长度、连杆偏距、连杆扭角、连杆转角四个运动学参数。

所述的步骤2中的对内置零件检测系统进行手眼标定，具体步骤如下：

2_1)将棋盘标定板在内置零件位姿测量系统的工作视场内移动；

2_2)标定板第一次放置时位姿传递链公式如下

其中：T⁽¹⁾为内置零件位姿测量系统的本体矩阵，通过编码器读数和本体标定出的四个参数计算；M⁽¹⁾为视觉传感器的外参矩阵，即相机坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，T⁽¹⁾、M⁽¹⁾均为已知量，为第一次放置的标定板坐标系{o_w}在坐标系{o₀}下的位姿，为未知常量；X为手眼关系，是待求量；

2_3)当移动标定板到第二个位置处，同时视觉传感器移动到能清楚拍摄标定板位置，此时位姿传递链为：

其中：为第二个位置处的标定板坐标系在第一个位置处标定板坐标系下的位姿矩阵，该参数通过激光跟踪仪的得到；T⁽²⁾为第二个位置处内置零件位姿测量系统的本体矩阵，通过编码器读数和本体标定出的参数计算得出；M⁽²⁾为第二个位置处视觉传感器的外参矩阵，T⁽²⁾、M⁽²⁾为已知量；为第一次放置的标定板坐标系{o_w}在坐标系{o₀}下的位姿，未知常量；X为手眼关系，为待求量；

2_4)各位置处标定板坐标系通过固定在标定板另一侧的三个激光跟踪仪靶标球转换成第一次放置的标定板坐标系，移动视觉传感器使得标定板位于视觉传感器景深范围内；

2_5)多次移动标定板和视觉传感器，由于第一次放置的标定板在内置零件位姿测量系统坐标系{O₀}的位姿矩阵恒定，利用为常量建立多个方程组，

M

利用Levenberg-Marquardt算法求解手眼关系矩阵。

本发明的有益效果是:首先对内置零件位姿测量系统的本体进行标定，然后对内置零件位姿测量系统的手眼进行标定，最后利用上述求出的手眼关系矩阵、本体矩阵，将视觉传感器坐标系下的坐标值转换成内置零件检测系统的基座标系下，从而获得统一坐标系下的点云数据。依据标定所得的本体矩阵、手眼关系矩阵获得统一坐标系下的点云数据，实现容器内置零件的无损检测，提高系统测量精度和数据融合精度，保证成品率，并在一定程度消除系统误差，改善系统的准确度和可重复度。

附图说明

图1内置零件检测系统示意图；

图2内置零件检测系统中所使用的微型激光测量装置；

图3关节运动轨迹法进行本体标定示意图；

图4手眼关系标定示意图。

图中1为底座、2为竖向安装块、3为横向安装块、4为测量臂转轴、5为测量臂、6为测量头转轴、7为测量头，8为微型激光测量装置，9为待检测容器，10为激光投射器，11为工业相机。

具体实施方式

如图1所示的容器内置零件检测系统包括微型激光测量装置、多自由度检具。

如图2所示的容器内置零件检测系统中的微型激光测量装置8包括激光投射器10与工业相机11。

如图1所示的容器内置零件检测系统中的多自由度检具，包括底座1、竖向安装块2、横向安装块3、测量臂转轴4、测量臂5、测量头转轴6、测量头7、微型激光测量装置8。底座1上装置竖向安装块2，竖向安装块2上设置竖向导轨，横向安装块3安装在竖向导轨上，横向安装块3上通过测量臂转轴4安装测量臂5，测量臂转轴4、测量臂5竖向设置，测量臂5上通过测量头转轴6安装测量头7，测量头转轴6横向设置；测量头7上设置所述微型激光测量装置8，测量头7可相对于测量臂5旋转，测量臂5可相对于横向安装块3旋转。微型激光测量装置8通过测量臂5伸入容器9内。

容器内置零件检测系统的位姿标定方法，包括以下三个步骤:

1)通过激光跟踪仪和靶球对容器内置零件检测系统进行本体标定，得到本体矩阵；

包括如下内容：

如图1所示为内置零件位姿测量系统的本体标定，即需获取由末端关节指定的参考坐标系{O₁}在由中间关节所指定的参考坐标系{O₀}下的位姿矩阵。采用DH(Denavit-Hartenberg)模型对内置零件检测测量系统构建模型，则内置零件位姿测量系统的本体标定转化成求DH模型中的连杆长度、连杆偏距、连杆扭角、连杆转角四个参数的问题。

如图3所示采用关节运动轨迹法来识别该系统的连杆参数，具体步骤如下：

1_1)将激光跟踪仪靶标球分别固定在末端关节和中间关节上，测量末端关节和中间关节的轨迹；

1_2)由末端关节和中间关节的运动轨迹得到末端关节和中间关节的轴线位置和轴线方向；

1_3)根据各轴线之间的关系还原出内置零件位姿测量系统的本体模型，得到DH模型中的连杆长度、连杆偏距、连杆扭角、连杆转角四个运动学参数。

2)对容器内置零件检测系统进行手眼标定，得到手眼关系矩阵；

如图4所示内置零件位姿测量系统的手眼标定,即需获取坐标系{O_c}在坐标系{O₁}下的位姿矩阵，具体步骤如下：

2_1)将棋盘标定板在内置零件位姿测量系统的工作视场内移动；

2_2)标定板第一次放置时位姿传递链公式如下

其中：T⁽¹⁾为内置零件位姿测量系统的本体矩阵，通过编码器读数和本体标定出的四个参数计算；M⁽¹⁾为视觉传感器外参矩阵，即相机坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，T⁽¹⁾、M⁽¹⁾均为已知量，为第一次放置的标定板坐标系{o_w}在坐标系{o₀}下的位姿，为未知常量；X为手眼关系，是待求量；

2_3)当移动标定板到第二个位置处，同时视觉传感器移动到能清楚拍摄标定板位置，此时位姿传递链为：

其中：为第二个位置处的标定板坐标系在第一个位置处标定板坐标系下的位姿矩阵，该参数通过激光跟踪仪的得到；T⁽²⁾为第二个位置处内置零件位姿测量系统的本体矩阵，通过编码器读数和本体标定出的参数计算得出；M⁽²⁾为第二个位置处视觉传感器的外参矩阵，T⁽²⁾、M⁽²⁾为已知量；为第一次放置的标定板坐标系{o_w}在坐标系{o₀}下的位姿，未知常量；X为手眼关系，为待求量；

2_4)各位置处标定板坐标系通过固定在标定板另一侧的三个激光跟踪仪靶标球转换成第一次放置的标定板坐标系，移动视觉传感器使得标定板位于视觉传感器景深范围内；

2_5)多次移动标定板和视觉传感器，由于第一次放置的标定板在内置零件位姿测量系统坐标系{O₀}的位姿矩阵恒定，利用为常量建立多个方程组，

M

利用Levenberg-Marquardt算法求解手眼关系矩阵。

3)利用所述本体矩阵、手眼关系矩阵将视觉传感器坐标系下的坐标值转换成内置零件检测系统的基座标系下，从而获得统一坐标系下的点云数据。

Claims (3)

1.一种容器内置零件检测系统的位姿标定方法，其特征是，包括下述步骤:

1)通过激光跟踪仪和靶球对容器内置零件检测系统进行本体标定，得到本体矩阵；

2)对内置零件检测系统进行手眼标定，得到手眼关系矩阵；

3)利用所述本体矩阵、手眼关系矩阵将视觉传感器坐标系下的坐标值转换成内置零件检测系统的基座标系下，从而获得统一坐标系下的点云数据。

2.根据权利要求1所述的一种容器内置零件检测系统的位姿标定方法，其特征是，所述的步骤1)中的对内置零件检测系统进行本体标定，具体步骤如下：

1_1)将激光跟踪仪靶标球分别固定在末端关节和中间关节上，测量末端关节和中间关节的轨迹；

1_2)由末端关节和中间关节的运动轨迹得到末端关节和中间关节的轴线位置和轴线方向；

1_3)根据各轴线之间的关系还原出内置零件位姿测量系统的本体模型，得到DH模型中的连杆长度、连杆偏距、连杆扭角、连杆转角四个运动学参数。

3.根据权利要求1所述的一种容器内置零件检测系统的位姿标定方法，其特征是，所述的步骤2)中的对内置零件检测系统进行手眼标定，具体步骤如下：

2_1)将棋盘标定板在内置零件位姿测量系统的工作视场内移动；

2_2)标定板第一次放置时位姿传递链公式如下

其中：T⁽¹⁾为内置零件位姿测量系统的本体矩阵，通过编码器读数和本体标定出的四个参数计算；M⁽¹⁾为视觉传感器的外参矩阵，即相机坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，T⁽¹⁾、M⁽¹⁾均为已知量，为第一次放置的标定板坐标系{o_w}在坐标系{o₀}下的位姿，为未知常量；X为手眼关系，是待求量；

2_3)当移动标定板到第二个位置处，同时视觉传感器移动到能清楚拍摄标定板位置，此时位姿传递链为：

其中：为第二个位置处的标定板坐标系在第一个位置处标定板坐标系下的位姿矩阵，该参数通过激光跟踪仪的得到；T⁽²⁾为第二个位置处内置零件位姿测量系统的本体矩阵，通过编码器读数和本体标定出的参数计算得出；M⁽²⁾为第二个位置处视觉传感器的外参矩阵，T⁽²⁾、M⁽²⁾为已知量；为第一次放置的标定板坐标系{o_w}在坐标系{o₀}下的位姿，未知常量；X为手眼关系，为待求量；

2_4)各位置处标定板坐标系通过固定在标定板另一侧的三个激光跟踪仪靶标球转换成第一次放置的标定板坐标系，移动视觉传感器使得标定板位于视觉传感器景深范围内；

2_5)多次移动标定板和视觉传感器，由于第一次放置的标定板在内置零件位姿测量系统坐标系{O₀}的位姿矩阵恒定，利用为常量建立多个方程组，

M

利用Levenberg-Marquardt算法求解手眼关系矩阵。