CN109781164B - 一种线激光传感器的静态标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种线激光传感器的静态标定方法，包括如下步骤：(1)激光平面垂直方向的标定；(2)标定工具的安装；(3)标定标定工具上的各个标定圆；(4)调整机器人的末端的位置；(5)采集标定工具第一个扫描位置起始点至结束点移动过程的图像信息；(6)采集标定工具第二个扫描位置起始点至结束点移动过程的图像信息；(7)对步骤(5)和步骤(6)中采集的图像上的标定圆进行拟合；(8)根据标定工具上标定点在线激光传感器坐标系中的坐标和在机器人坐标系中的坐标进行值拟合运算。本发明解决了线激光传感器在不能随各种运动机构移动使用的过程中的外部参数标定问题，其方法灵活、精度高、速度快、稳定性好，计算量小。
Description
技术领域
本发明属于传感器标定技术领域，具体涉及一种线激光传感器的静态标定方法。
背景技术
随着工业信息化，智能制造等概念在国内的兴起，近年来工业领域不断进行着改造升级，它的发展模式时刻紧跟时代发展步伐。而机器人、智能传感器已经在各个行业领域都具有非常广泛的应用，对于很多公司来说可能已经达到了不可或缺的地步，这要得益于他们本身独有的优势以及应用它们所带来的经济效益。未来这种趋势仍然不会变化，机器人和智能传感器会越来越多的替换人的工作，同时能够适应各种各样的生产制造环境，而对于铸造行业来说环境尤其恶劣，机器视觉在该领域的应用具有十分重要的意义。
线结构光传感器是一种非接触式测量装置，主要由相机和线激光器组成。具有结构简单、非接触、测量速度快，精度高等优点，在工业领域中高精度测量中有大量的应用需求。而在使用线激光传感器前需要先对其进行标定，标定的精度将直接影响铸件打磨的准确性和安全可靠性，目前线激光应用比较广的是高精度测量，而本发明所用的线激光主要用于机器人工业智能应用领域，对传感器的标定精度具有较高的要求。
对于线激光传感器的机器人手眼变换矩阵标定目前常用的方法有接触式标定和非接触式标定，而且通常线激光是被安装在运动执行机构如机器人、数控移动平台等设备上，这些设备的运动重复精度都比较高，最后标定得到的结果都是相机相对某个坐标系的旋转与偏移量。
现有技术中，常通过非接触式标定方法进行线激光手眼变换矩阵的标定，具体操作过程为：借助各种标定工具如标定针，标定球、标定工装等工具进行线激光的手眼变换矩阵的标定，或通过使用多台机器人或使用专门的数控移动平台，以及使用具有固定结构的标定板完成线激光手眼变换矩阵的标定。
上述标定方式要么是需要专门的机械运动执行机构携带标定板在激光相机的视野范围内运动，这样需要增加额外的高精度运动机构，要么，需要多台机器人协同工作，共同完成手眼标定，实际应用时可能没有这么多的机器人供使用。
而采用非接触式标定的方法需要机器人携带传感器变换多个不同的位姿扫描放置在同一个位置的标定板，机器人变换位姿不能偏差太多否则扫描图像会变形，影响标定精度，同时机器人位姿控制难以控制，标定过程复杂在不借助第二台机器人及额外的运动执行机构时需要在机械臂末端安装已知位置关系的工装或工件，且需要工装或工件上具有多个较明显的特征，此种方式前期准备工作较多，需要额外专门设计的设备，且在机器人携带工装与线激光配合进行扫图的时候，难以操作。
采用借助外部工装或工件进行标定时，受标定点特征加工精度的影响，影响标定精度。采用固定结构的标定板在图像处理过程中较复杂标定过程复杂，受线激光视野范围的限制，标定时运动机构的运动范围同样受限，标定精度较低，所以这种标定方式用的比较少。
综上所述，亟需提供一种方法灵活、精度高、稳定性好，计算量小、实时性强，操作简单，可简化线激光相机标定的复杂性的线激光传感器的静态标定方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法灵活、精度高、稳定性好，计算量小、实时性强，操作简单，可简化线激光相机标定的复杂性的线激光传感器的静态标定方法。。
上述目的是通过如下技术方案实现：一种线激光传感器的静态标定方法，包括如下步骤：
(1)激光平面垂直方向的标定；
(2)标定工具的安装：将标定工具设置在机器人的末端，其中，标定工具包括n个标定圆，n≥2；
(3)确定机器人坐标系，标定标定工具上的各个标定圆；
(4)调整机器人的末端的位置，使得标定工具置于线激光传感器的视野范围内，同时保证机器人在激光传感器视野范围内的移动方向与激光平面保持垂直；
(5)机器人带动标定工具在激光传感器视野范围内移动，确定第一次扫描位置起始位置和结束位置，采集标定工具第一个扫描位置起始点至结束点移动过程的图像信息；
(6)重复步骤(4)，调整机器人的位置，确定第二次扫描位置的起始位置和结束位置，采集标定工具第二个扫描位置起始点至结束点移动过程的图像信息；
(7)对步骤(5)和步骤(6)中采集的图像上的标定圆进行拟合，得到标定圆圆心在线激光传感器坐标系中的坐标；
(8)根据标定工具上标定点在线激光传感器坐标系中的坐标和在机器人坐标系中的坐标进行值拟合运算得到3D变换矩阵的最佳匹配值。
本发明提供一种基于单机器人的线激光视觉传感器静态标定方法，解决线激光传感器在不能随各种运动机构移动使用的过程中的外部参数标定问题，其方法灵活、精度高、速度快、稳定性好，计算量小。
需要说明的是，此处所述的激光平面为线激光传感器发射出的激光线形成的激光平面，激光平面垂直方向具体是指垂直于激光平面的方向，标定激光平面的垂直方向来更新激光扫描时标定机器人的移动方向；
进一步的技术方案是，所述步骤(3)中采用XYZ-4点法和ABC-2点法标定工具上的各个标定圆，得到标定工具上各标定点相对于机器人坐标系的坐标偏移量t1(x,y,z)～tn(x,y,z)，所述标定点为标定工具上标定圆的圆心。
进一步的技术方案是，所述步骤(5)的具体过程为：确定机器人移动的第一次起始位置以及结束位置，采集标定工具第一个扫描位置起始点至结束点移动过程的图像信息，并提取图像中的二维图像信息，同时根据步骤(3)获取的各标定圆的标定点相对于的坐标偏移量t1(x,y,z)～tn(x,y,z)获取标定工具上n个标定点在此扫描过程起始位置时的机器人坐标系中的坐标Q1(x,y,z)～Qn(x,y,z)。
进一步的技术方案是，所述步骤(6)的具体过程为：重复步骤(4)，调整机器人的末端位置，确定第二次扫描位置的起始位置和结束位置，采集标定工具第二个扫描位置起始点至结束点移动过程的图像信息，并提取图像中的二维图像信息，同时根据步骤(3)获取的各标定圆的标定点相对于的坐标偏移量t1(x,y,z)～tn(x,y,z)获取标定工具上n个标定点在此扫描过程起始位置时的机器人坐标系中的坐标Qn+1(x,y,z)～Q2n(x,y,z)。
进一步的技术方案是，所述步骤(7)中对步骤(5)和步骤(6)中的两张标定图像上提取的二维图像信息进行阈值分割以及边缘提取，并对进行椭圆拟合，得到拟合椭圆在线激光传感器坐标系中的中心坐标P1(x,y,z)～P2n(x,y,z)。
进一步的技术方案是，所述步骤(8)中根据标定工具上的标定点在机器人坐标系和线激光传感器坐标系中的位置矩阵采用最小二乘法求解线激光传感器坐标系与机器人坐标系的手眼标定矩阵。
进一步的技术方案是，所述标定工具为标定板，所述标定板上的标定圆为黑色实心圆，且圆心位置在标定板上被标记，所述标定板背景为白色。
进一步的技术方案是，所述步骤(8)中可以采用SVM、神经网络或矩阵求解方式求解手眼标定矩阵。
进一步的技术方案是，所述步骤(2)中将所述标定板与机器人末端法兰盘固定连接。
进一步的技术方案是，进行步骤(1)前将所述线激光传感器固定安装在相机支架上。
本发明相比于现有技术，可以解决线激光传感器使用过程中安装位置固定且不发生空间移动时的外部参数标定问题，降低基于激光视觉传感器应用系统外部设备间的误差；可有效解决传统线激光外部参数静态标定方法精度低的问题，本发明的实施，可以只借助机器人而不用增加额外的设备同时实现标定和工件定位的目的，实时性强，操作简单，同时可以解决传统线激光外部参数静态标定过程复杂的问题，有效拓宽了线激光在工业机器人领域的应用范围。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种实施方式所涉及的线激光传感器的静态标定方法的流程图；
图2为本发明一种实施方式所涉及的标定板样式示意图；
图3为本发明一种实施方式所涉及的线激光传感器的静态标定装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明实施例如下，如图3所示，本发明包括运动执行机构机器人1，以及安装在机器人1末端法兰盘2上的标定板3(标定板如图2所示)、线激光传感器4、以及线激光传感器发射出的激光线形成的光平面5，线激光安装支架6，机器人运动方向7。
具体的标定方法如下，参照图1：
(1)激光平面垂直方向的标定：将线激光传感器安装在相机支架上，并标定激光平面的垂直方向，此处所述的激光平面为线激光传感器发射出的激光线形成的激光平面，激光平面垂直方向具体是指垂直于激光平面的方向，标定激光平面的垂直方向来更新激光扫描时标定机器人的移动方向；
(2)准备一个标定板，标定板图像由如图2所示，该标定板图像由半径不同的大小黑色实心圆组成，实心圆圆心位置在标定板上被标记，标定板背景为白色。
(3)将标定板安装在机器人末端的工装上。所谓机器人的末端，指的是机器人的一个机械手，可以是通过法兰盘连接固定标定板。
(4)确定机器人坐标系，采用XYZ-4点法和ABC-2点法标定工具上的各个标定圆，得到各标定圆的标定点相对于的坐标偏移量t1(x,y,z)～tn(x,y,z)，所述标定圆的标定点为标定圆的圆心，本实施例下标定板上有5个标定圆，即可得到5个标定点相对于的坐标偏移量t1(x,y,z)～t5(x,y,z)。
(5)调整机器人的姿态，以使标定板置于激光传感器的视野范围内，同时让机器人在激光传感器视野范围内的移动方向保持与激光平面垂直；
(6)确定机器人携带标定板在激光传感器视野范围内移动时确定机器人移动的第一次起始位置以及结束位置，采集标定工具第一个扫描位置起始点至结束点移动过程的图像信息，并提取图像中的二维图像信息，同时根据步骤(4)获取的各标定圆的标定点相对于的坐标偏移量t1(x,y,z)～tn(x,y,z)获取标定工具上n个标定点在此扫描过程起始位置时的机器人坐标系中的坐标Q1(x,y,z)～Qn(x,y,z)，此时可获取标定板上5个标定点在此扫描位置时在机器人坐标系中的位置Q1(x,y,z)～Q5(x,y,z)。
(7)调整机器人姿态，更新机器人扫描起始点位置，使标定板仍在激光器的视场范围内，调整机器人的位置，确定第二次扫描位置的起始位置和结束位置，采集标定工具第二个扫描位置起始点至结束点移动过程的图像信息，并提取图像中的二维图像信息，同时根据步骤(4)获取的各标定圆的标定点相对于的坐标偏移量t1(x,y,z)～tn(x,y,z)获取标定工具上n个标定点在此扫描过程起始位置时的机器人坐标系中的坐标Qn+1(x,y,z)～Q2n(x,y,z)，此时可获取标定板上5个标定点在此扫描位置时在机器人坐标系中的位置Q6(x,y,z)～Q10(x,y,z)。
(8)对上述2张标定图像上提取的二维图像信息进行阈值分割以及边缘提取，并对进行椭圆拟合，可以得到拟合椭圆在图像中的中心坐标P1(x,y,z)～P10(x,y,z)。
阈值分割和边缘提取是数字图像处理中较为成熟的现有技术，此处不再赘述。由上述操作可知，在本步骤中，各个实心圆圆心在处理后得到对应的拟合椭圆，再计算拟合椭圆的中心(可以认为是椭圆长轴与短轴的交点)在线激光传感器坐标系中的坐标。
(9)根据标定圆圆心(标定点)在机器人坐标系和线激光传感器坐标系中的位置矩阵采用最小二乘法求解激光器与机器人坐标系的手眼标定矩阵。
本申请在此对求解方式及求解过程不作限定，可以使用SVM(Support VectorMachine，支持向量机)、神经网络或矩阵求解的方式求解手眼标定矩阵。优选的，求解过程可以采用如下方法：
(9.1)设机器人坐标系为Q，激光器坐标系为P，P到Q的旋转和偏移矩阵分别为R和T，设空间某一点B在Q和P坐标系下的齐次坐标分别为Qb(X,Y,Z,1)，Pb(x,y,z,1)，根据投影变换原理，Pb和Qb之间存在如下关系：
其中
T＝(tx,ty,tz)T (3)
(9.2)最小二乘的原理是通过最小化误差的平方和来寻找数据的最佳拟合函数，给定一个最小误差限值Minimum，将标定点在机器人坐标系中的所有坐标Qi(x,y,z)和以及在激光器坐标系中对应位置的坐标Pi(x,y,z)代入到公式4中，通过不断迭代得到SToBMat3D的最佳拟合值，从而得到激光器坐标系到机器人坐标系的旋转与偏移矩阵，到此线激光的静态标定便已完成。
本文所谓机器人坐标系指的是是用于表示机器人中各个组件位置的坐标系，通常以机器人的基座为圆心，水平面为坐标系的XOY平面。线激光传感器则通常以线激光面作为XOY平面。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种线激光传感器的静态标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）激光平面垂直方向的标定；
（2）标定工具的安装：将标定工具设置在机器人的末端，其中，标定工具包括n个标定圆，n≥2；
（3）确定机器人坐标系，标定标定工具上的各个标定圆；
（4）调整机器人的末端的位置，使得标定工具置于线激光传感器的视野范围内，同时保证机器人在激光传感器视野范围内的移动方向与激光平面保持垂直；
（5）机器人带动标定工具在激光传感器视野范围内移动，确定第一次扫描位置起始位置和结束位置，采集标定工具第一个扫描位置起始点至结束点移动过程的图像信息；
（6）重复步骤（4），调整机器人的位置，确定第二次扫描位置的起始位置和结束位置，采集标定工具第二个扫描位置起始点至结束点移动过程的图像信息；
（7）对步骤（5）和步骤（6）中采集的图像上的标定圆进行拟合，得到标定圆圆心在线激光传感器坐标系中的坐标；
（8）根据标定工具上标定点在线激光传感器坐标系中的坐标和在机器人坐标系中的坐标进行值拟合运算得到3D变换矩阵的最佳匹配值。
2.根据权利要求1所述的线激光传感器的静态标定方法，其特征在于，所述步骤（3）中采用XYZ-4点法和ABC-2点法标定工具上的各个标定圆，得到标定工具上各标定点相对于机器人坐标系的坐标偏移量t1(x,y,z)~tn(x,y,z)，所述标定点为标定工具上标定圆的圆心。
3.根据权利要求2所述的线激光传感器的静态标定方法，其特征在于，所述步骤（5）的具体过程为：确定机器人移动的第一次起始位置以及结束位置，采集标定工具第一个扫描位置起始点至结束点移动过程的图像信息，并提取图像中的二维图像信息，同时根据步骤（3）获取的各标定圆的标定点相对于的坐标偏移量t1(x,y,z)~tn(x,y,z)获取标定工具上n个标定点在此扫描过程起始位置时的机器人坐标系中的坐标Q1(x,y,z)~Qn(x,y,z)。
4.根据权利要求3所述的线激光传感器的静态标定方法，其特征在于，所述步骤（6）的具体过程为：重复步骤（4），调整机器人的位置，确定第二次扫描位置的起始位置和结束位置，采集标定工具第二个扫描位置起始点至结束点移动过程的图像信息，并提取图像中的二维图像信息，同时根据步骤（3）获取的各标定圆的标定点相对于的坐标偏移量t1(x,y,z)~tn(x,y,z)获取标定工具上n个标定点在此扫描过程起始位置时的机器人坐标系中的坐标Qn+1(x,y,z)~Q2n(x,y,z)。
5.根据权利要求4所述的线激光传感器的静态标定方法，其特征在于，所述步骤（7）中对步骤（5）和步骤（6）中的两张标定图像上提取的二维图像信息进行阈值分割以及边缘提取，并对进行椭圆拟合，得到拟合椭圆在线激光传感器坐标系中的中心坐标P1(x,y,z)~P2n(x,y,z)。
6.根据权利要求5所述的线激光传感器的静态标定方法，其特征在于，所述步骤（8）中根据标定工具上的标定点在机器人坐标系和线激光传感器坐标系中的位置矩阵采用最小二乘法求解线激光传感器坐标系与机器人坐标系的手眼标定矩阵。
7.根据权利要求1~6任意一项所述的线激光传感器的静态标定方法，其特征在于，所述标定工具为标定板，所述标定板上的标定圆为黑色实心圆，且圆心位置在标定板上被标记，所述标定板背景为白色。
8.根据权利要求5所述的线激光传感器的静态标定方法，其特征在于，所述步骤（8）中可以采用SVM、神经网络或矩阵求解方式求解手眼标定矩阵。
9.根据权利要求8所述的线激光传感器的静态标定方法，其特征在于，所述步骤（2）中将所述标定工具与机器人末端法兰盘固定连接。
10.根据权利要求9所述的线激光传感器的静态标定方法，其特征在于，进行步骤（1）前将所述线激光传感器固定安装在相机支架上。
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Denomination of invention: A static calibration method of line laser sensor Effective date of registration: 20210917 Granted publication date: 20210205 Pledgee: Huarong Bank of Xiangjiang Limited by Share Ltd. Changsha branch Pledgor: CHANGSHA CTR ROBOTICS Co.,Ltd. Registration number: Y2021430000049 |
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Change date: 20230320 Registration number: Y2021430000049 Pledgee after: Bank of Hunan Co.,Ltd. Changsha Branch Pledgee before: Huarong Bank of Xiangjiang Limited by Share Ltd. Changsha branch |
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