CN110440692A - 激光跟踪仪与结构光3d扫描仪组合式测量标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法属于视觉测量领域，涉及一种基于哑光标准靶球的激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法。该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定。设定激光跟踪仪的坐标系为全局坐标系，结构光扫描仪基坐标系，结构光3D扫描仪测量坐标系。分别操作结构光3D扫描仪与激光跟踪仪测量公共靶标，采用基于SVD的普氏分析算法，求出测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵。最后，通过矩阵除法，算出结构光3D扫描仪的测量坐标系到其基坐标系的转换矩阵完成标定。该方法有效扩展了结构光3D扫描仪的应用范围，是一种具有广泛应前景的标定方法。

Description

激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法

技术领域

本发明属于视觉测量领域，涉及一种基于哑光标准靶球的激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法。

背景技术

工业领域的发展对测量技术提出了越来越高的要求，大尺寸零部件表面高精度扫描测量则是其中极为重要的组成部分。表面轮廓、工件间隙、三维形貌以及表面缺陷等各种类型的测量问题都对测量方法的精确性和便利性提出很高的要求。在现有的测量技术中，结构光扫描测量具有快速、高精度、使用灵活方便、设备结构简单、非接触等测量优势，因此在工业生产中逐渐推广开来。但是，受目前基础科学与工业技术的限制，结构光3D扫描仪存在视野偏小的问题。要以高精度获取大尺寸部件的表面形貌以及几何尺寸，就必须要对结构光3D扫描仪的拍摄结果进行拼接。有学者提出了通过激光跟踪仪直接测量结构光3D扫描仪位姿进行拼接的办法。这一方法测量空间大，测量精度高，测量效率高，极大地扩展了结构光3D扫描仪在工业中的运用。

对于激光跟踪仪与结构光3D扫描仪的组合式测量，在进行拼接前必须要进行系统的标定，即求解结构光3D扫描仪基坐标系到结构光3D扫描仪测量坐标系的转换矩阵。结构光3D扫描仪基于相位移法，通过扫描靶球外表面，进而拟合球心获取靶球球心坐标，而激光跟踪仪则直接通过飞行时间法获取激光靶球的球心坐标。显然两者测量方法不同。最常见的标定方法是设计一个公共靶标组，该公共靶标组由多个标准陶瓷球和普通的激光靶球组成，靶球间的相互位置关系在标定前已由三坐标测量机检定，例如，沈阳航空航天大学的曲学军于2015年发表的《大尺寸自由曲面部件组合测量现场全局标定优化方法与应用》。这种方法需要多个靶球，结构复杂，成本较高，靶标组固定不便拆卸，需要经常检定确保精度。或者采用替换测量的方法，即结构光3D扫描仪同时拍摄多个标准陶瓷球，再替换成尺寸可视为相等的激光靶球进行测量，通过前后两组靶球的球心坐标矩阵进行普氏分析，进而完成标定。这种替换式测量的方法本身就引入了误差，而且需要多个标准陶瓷球和激光靶球参与测量；受限于结构光3D扫描仪的视野，单次拍摄最多能拍摄6个0.5英寸靶球。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明了一种激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法，该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定；仅使用四个激光靶球，就可完成结构光3D扫描仪基坐标系到结构光3D扫描仪测量坐标系的转换矩阵而完成标定。该方法有效简化了激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量的标定流程，使用的靶球数量少，降低了综合成本，是一种具有广泛应用前景的标定方法。

本发明采用的技术方案是一种激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法，该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定；设定激光跟踪仪的坐标系为全局坐标系，结构光扫描仪基坐标系O_bX_bY_bZ_b，结构光3D扫描仪测量坐标系O_scX_scY_scZ_sc；将公共靶标在公共测量范围内挪动至少六个位置，分别操作结构光3D扫描仪与激光跟踪仪测量公共靶标分别在测量坐标系和全局坐标系下球心的坐标，得到公共靶标系在不同坐标系下的坐标矩阵；采用基于SVD的普氏分析算法，求出测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵。最后，通过矩阵除法，算出结构光3D扫描仪的测量坐标系到其基坐标系的转换矩阵完成标定。标定方法具体步骤如下：

第一步、安装结构光3D扫描仪、激光跟踪仪以及激光靶球，并进行设备开机预热。

先将结构光3D扫描仪1安装于夹具2上，再将三个激光靶球座3固定于夹具2上，把三个激光靶球4分别安装在激光靶球座3上；要求三个激光靶球4分布适当，三点所组成的三角形内不应有大于120度的钝角，每两个球的间距在4厘米以上；再将结构3D光扫描仪1和激光跟踪仪5安放于合适位置并固定；要求两者位置在1米左右，激光跟踪仪5的光路要到达三个激光靶球4上，三个激光靶球4的开口朝向适当，确保结构光3D扫描仪1和激光跟踪仪5在标定过程中位姿保持不变，不受振动干扰；最后，将一个哑光激光靶球与靶球座作为公共靶标6安放在结构光3D扫描仪1和激光跟踪仪5的公共测量区域内；公共靶标6上的哑光激光靶球的开口朝向适当，使结构光3D扫描仪1可以拍摄到一个近似完整的外球表面；应确保移动哑光激光靶球时产生的振动不会影响到结构光3D扫描仪1和激光跟踪仪5。检查视野范围后，将结构光扫描仪与激光跟踪仪开机预热。

第二步、求解结构光3D扫描仪基坐标系O_bX_bY_bZ_b到激光跟踪仪5的全局坐标系O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_b2tc。

操作激光跟踪仪5测量结构光3D扫描仪1上三个激光靶球4在全局坐标系的球心坐标，测量时应多次测量，参照拉依达准则，过滤粗差点，得到平均值，进行平均抗差优化；设三个激光靶球球心C₁、C₂、C₃的坐标分别为(X₁,Y₁,Z₁)、(X₂,Y₂,Z₂)、(X₃,Y₃,Z₃)。将第一个点作为坐标系的原点，原点坐标记为将C₁与C₂的向量进行单位化作为坐标系的X轴，X轴向量可表示为根据向量与求出两个向量的矢量积，然后将该矢量积单位化，求出坐标系的Z轴。Z轴的向量为：最后，根据Z轴与X轴的向量，求出Y轴的向量，记为最终，得到一个4×4的矩阵，即从结构光3D扫描仪1基坐标系O_bX_bY_bZ_b到激光跟踪仪5的全局坐标系的转换矩阵T_b2tc：

第三步、测量公共靶标，求解从结构光3D扫描仪测量坐标系O_scX_scY_scZ_sc到激光跟踪仪全局坐标系O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_sc2tc。

操控结构光3D扫描仪1与激光跟踪仪5，同时测量公共靶标6。基于飞行时间法，测得该靶标在O_tcX_tcY_tcZ_tc下的球心坐标为(X_tc1,Y_tc1,Z_tc1)。对于结构光扫描仪采集公共靶标表面点云的深度图。将深度图上的RGB信息转换为每个点的坐标，通过最小二乘拟合，求解出公共靶标在O_scX_scY_scZ_sc下的球心坐标(X_sc1,Y_sc1,Z_sc1)。球心坐标求解具体过程如下：

基于球面方程，得出：

将O_scX_scY_scZ_sc下球面点云坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)……(x_n,y_n,z_n)带入公式中，得到最小二乘方程组：

对于A_m×nX_n×1＝Y_m×1(m＞n)的超定方程组，如A^TA非奇异，则X有解为：X＝(A^TA)^-1A^TY。

最终，求出球心坐标(X_sc1,Y_sc1,Z_sc1)与半径R的最优解，半径R可作为判断(X_sc1,Y_sc1,Z_sc1)是否准确的依据。多次拍摄，参照拉依达准则，过滤粗差点，分别得到球心坐标在O_tcX_tcY_tcZ_tc和O_scX_scY_scZ_sc下的平均值。

之后重复上述操作，在结构3D光扫描仪1和激光跟踪仪5的公共测量范围内挪动公共靶标6到其他位置，至少六个位置；依次使用结构光扫描仪拍摄公共靶标6，获取公共靶标的球表面点云，求出不同位置下公共靶标在O_scX_scY_scZ_sc下的坐标(X_sc2,Y_sc2,Z_sc2)、(X_sc3,Y_sc3,Z_sc3)(X_scn,Y_scn,Z_scn)(n≥6)，以及不同位置下公共靶标在O_tcX_tcY_tcZ_tc下的坐标(X_tc2,Y_tc2,Z_tc2)、(X_tc3,Y_tc3,Z_tc3)……(X_tcn,Y_tcn,Z_tcn)。

设O_scX_scY_scZ_sc下的点集为矩阵P_sc，O_tcX_tcY_tcZ_tc下的点集为矩阵P_tc，从O_scX_scY_scZ_sc到O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵为T_sc2tc，

式中，p_tc1、p_tc2……p_tcn表示O_tcX_tcY_tcZ_tc内点的坐标向量。p_sc1、p_sc2……p_scn表示O_scX_scY_scZ_sc内点的坐标向量。而P_sc与P_tc满足的关系有：

T_sc2tc·P_sc＝P_tc (5)

要求解T_sc2tc，就需要基于SVD方法的普氏分析理论。显然，T_sc2tc的最优解应满足||T_sc2tc·P_sc-P_tc||最小，即T_sc2tc＝argmin(||T_sc2tc·P_sc-P_tc||_F)。而T_sc2tc可表示为：

式中，s为尺度因子，取s＝1，R表示旋转矩阵，t表示平移矩阵。

又可以写为：

分别求出两组点集的重心再对矩阵进P_tc、P_sc行去中心化，则有：

式中，ones(1,n)中表示一个1×n阶、元素全为1的矩阵。

再将G·H^T进行SVD分解。得到：U·S·V＝G·H^T，求解旋转矩阵：

求解平移矩阵：

最终，求出从O_scX_scY_scZ_sc到O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_sc2tc。

第四步、求解标定矩阵T_sc2b。

已知扫描仪基坐标系T_b2tc、转换矩阵T_sc2tc与标定矩阵T_sc2b满足关系：T_b2tc·T_sc2b＝T_sc2tc。根据矩阵除法，T_sc2b＝T_b2tc\T_sc2tc，标定完毕。

本发明的有益效果是该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定，采用哑光激光靶球作为公共靶标不需要设计复杂靶标，不需要替换式测量。仅使用四个激光靶球，就可完成结构光扫描仪基坐标系到其测量坐标系的转换矩阵求解。该方法有效简化了组合式测量的标定流程，使用的靶球数量少，降低了综合成本，而且提高了标定精度，是一种具有广泛应用前景的标定方法。

附图说明

图1是激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定的流程图。

图2是标定方法的系统结构示意图。其中，1-结构光3D扫描仪，2-夹具，3-激光靶球座，4-激光靶球，5-激光跟踪仪，6-公共靶标。

图3是标定方法坐标系转换示意图。O_tcX_tcY_tcZ_tc—激光跟踪仪全局坐标系，O_scX_scY_scZ_sc—结构光3D扫描仪测量坐标系，O_bX_bY_bZ_b—结构光3D扫描仪基坐标系，T_b2tc—从O_bX_bY_bZ_b到O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵，T_sc2tc—从O_scX_scY_scZ_sc到O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵，T_sc2b—标定矩阵。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。

本实施例选用的结构光3D扫描仪为LMI公司的3506型号测量仪，激光跟踪仪为Leica公司AT960绝对跟踪仪。选用的激光靶球为Metrolgyworks公司1.5”Matte finishSMR镜面激光靶球，选用的激光靶球座为Hubbs公司1.5”SM-12mm-6mm-ss577206靶球座。夹具材质为铝合金，有螺纹孔。夹具与靶球座通过螺钉连接。公共靶标由一个Metrolgyworks公司0.5”Matte finish SMR哑光激光靶球与一个Hubbs公司0.5SM-12mm-6mm-ss577206靶球座组成。

图1是激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定的流程图。标定方法的具体步骤如下：

第一步、安装结构光扫描仪、激光跟踪仪以及激光靶球，并进行设备开机预热等准备。

将结构光3D扫描仪1安装于夹具2上，并通过螺钉进行紧固。将三个激光靶球4固定于夹具2上，再将三个激光靶球4分别安装于激光靶球座3上。并将结构光扫描仪和激光跟踪仪安放于合适位置固定，将公共靶标6安放于结构光扫描仪和激光跟踪仪均可测量到的公共区域内，并检查激光靶球是否位于仪器视野范围内。最后，将结构3D光扫描仪1与激光跟踪仪5开机预热。

第二步、求解结构光3D扫描仪1基坐标系O_bX_bY_bZ_b到激光跟踪仪5全局坐标系O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_b2tc。

操作激光跟踪仪5，测量结构光3D扫描仪1上三个激光靶球4的球心坐标。依照拉依达准则，多次测量求取平均值。根据三个点的坐标，建立结构光3D扫描仪基坐标系O_bX_bY_bZ_b，并求出从O_bX_bY_bZ_b到激光跟踪仪5全局坐标系O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_b2tc。所测数据与计算结果如表1所示：

表1

第三步、测量公共靶标6，求解从结构光3D扫描仪1测量坐标系O_scX_scY_scZ_sc到全局坐标系O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_sc2tc。

操控结构光3D扫描仪1与激光跟踪仪5，同时测量公共靶标6。激光跟踪仪5测得公共靶标在O_tcX_tcY_tcZ_tc下的球心坐标；结构光3D扫描仪1拍摄公共靶标6的球面，根据所拍摄的深度图还原出球面点云，采用最小二乘法计算公共靶标6在O_scX_scY_scZ_sc下的球心坐标。在结构光3D扫描仪1与激光跟踪仪5的公共测量范围内，挪动公共靶标6六次，采用上述方法测量公共靶标6的球心在两个坐标系下的坐标。然后，将两组坐标系内的点集，采用基于SVD的普氏分析方法，求解测量公共靶标，求解从扫描仪测量坐标系O_scX_scY_scZ_sc到全局坐标系O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_sc2tc。所测数据与计算结果如表2、表3所示。

表2

表3

第四步、求解标定矩阵T_sc2b。

根据矩阵除法，T_sc2b＝T_b2tc\T_sc2tc。标定完毕。结果如表4所示：

表4

本发明采用哑光激光靶球作为公共靶标进行激光跟踪仪与结构光扫描仪组合式测量的标定，仅使用四个激光靶球，就可完成结构光扫描仪基坐标系到结构光扫描仪测量坐标系的转换矩阵求解。该方法有效简化了激光跟踪仪与结构光扫描仪组合式测量的标定流程，使用的靶球数量少，降低了综合成本，是一种具有广泛应用前景的标定方法。

Claims (1)

1.一种激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法，其特征是，该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定；设定激光跟踪仪的坐标系为全局坐标系，结构光扫描仪基坐标系，结构光3D扫描仪测量坐标系；将公共靶标在公共测量范围内挪动至少六个位置，分别操作结构光3D扫描仪与激光跟踪仪测量公共靶标在测量坐标系和全局坐标系下球心的坐标，得到公共靶标系在不同坐标系下的坐标矩阵；采用基于SVD的普氏分析算法，求出测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵；最后，通过矩阵除法，算出结构光3D扫描仪的测量坐标系到其基坐标系的转换矩阵，完成标定；标定方法具体步骤如下：

第一步、安装结构光3D扫描仪、激光跟踪仪以及激光靶球，并进行设备开机预热；

将结构光3D扫描仪(1)安装于夹具(2)上；再将三个激光靶球座(3)固定于夹具(2)上，然后将三个激光靶球(4)分别安装在激光靶球座(3)上；要求三个激光靶球(3)分布适当，三点所组成的三角形内不应有大于120度的钝角，每两个球的间距在4厘米以上；然后将结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)安放于合适位置并固定，要求两者位置在1米左右；三个激光靶球(4)的开口朝向适当；激光跟踪仪(5)的光路可到达三个激光靶球(4)上；确保结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)在标定过程中，位姿保持不变，不受振动干扰；最后，将一个哑光激光靶球与靶球座作为公共靶标(6)安置到位于结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)的公共测量区域内，公共靶标(6)上的哑光激光靶球的开口朝向适当，使结构光3D扫描仪(1)能拍摄到一个近似完整的外球表面；应确保移动哑光激光靶球时产生的振动不会影响到结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)；检查视野范围后，将结构光扫描仪与激光跟踪仪开机预热；

第二步、从结构光3D扫描仪基坐标系O_bX_bY_bZ_b到全局坐标系O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_b2tc；

操作激光跟踪仪(5)，测量结构光3D扫描仪(1)上三个激光靶球(4)在全局坐标系的球心坐标；测量时应多次测量，参照拉依达准则，过滤粗差点，得到平均值，进行平均抗差优化；设三个靶球球心C₁、C₂、C₃的坐标分别为(X₁,Y₁,Z₁)、(X₂,Y₂,Z₂)、(X₃,Y₃,Z₃)；将第一个点作为坐标系的原点，原点坐标记为将C₁与C₂的向量进行单位化作为坐标系的X轴，X轴向量表示为根据向量与求出两个向量的矢量积；然后，将该矢量积单位化，求出坐标系的Z轴；Z轴的向量为：最后，根据Z轴与X轴的向量，求出Y轴的向量，记为最终，得到一个4×4的矩阵，即从结构光3D扫描仪基坐标系O_bX_bY_bZ_b到全局坐标系的转换矩阵T_b2tc：

第三步、测量公共靶标，求解从扫描仪测量坐标系O_scX_scY_scZ_sc到全局坐标系O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_sc2tc；

操控结构光3D扫描仪(1)与激光跟踪仪(5)，同时测量公共靶标(6)；基于飞行时间法，测得该靶标在O_tcX_tcY_tcZ_tc下的球心坐标为(X_tc1,Y_tc1,Z_tc1)；对于结构光3D扫描仪采集公共靶标表面点云的深度图；将深度图上的RGB信息转换为每个点的坐标，通过最小二乘拟合，求解出公共靶标(6)在O_scX_scY_scZ_sc下的球心坐标(X_sc1,Y_sc1,Z_sc1)；球心坐标求解具体过程为：

基于球面方程得出：

将O_scX_scY_scZ_sc下球面点云坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)……(x_n,y_n,z_n)带入；其中，得到最小二乘方程组：

对于A_m×nX_n×1＝Y_m×1(m＞n)的超定方程组，如A^TA非奇异，则X有解为：X＝(A^TA)^-1A^TY；

最终，求出球心坐标(X_sc1,Y_sc1,Z_sc1)与半径R的最优解；半径R可作为判断(X_sc1,Y_sc1,Z_sc1)是否准确的依据；多次拍摄，参照拉依达准则，过滤粗差点，分别得到球心坐标在O_tcX_tcY_tcZ_tc和O_scX_scY_scZ_sc下的平均值；

之后重复上述操作，在结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)的公共测量范围内挪动公共靶标(6)到其他位置，至少六个位置；依次使用结构光3D扫描仪(1)拍摄公共靶标(6)，获取公共靶标的球表面点云，求出不同位置下公共靶标在O_scX_scY_scZ_sc下的坐标(X_sc2,Y_sc2,Z_sc2)、(X_sc3,Y_sc3,Z_sc3)(X_scn,Y_scn,Z_scn)(n≥6)，以及不同位置下公共靶标在O_tcX_tcY_tcZ_tc下的坐标(X_tc2,Y_tc2,Z_tc2)、(X_tc3,Y_tc3,Z_tc3)……(X_tcn,Y_tcn,Z_tcn)；

设O_scX_scY_scZ_sc下的点集为矩阵P_sc，O_tcX_tcY_tcZ_tc下的点集为矩阵P_tc，从O_csX_scY_scsZ_c到O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵为T_sc2tc，则：

式中，p_tc1、p_tc2……p_tcn表示O_tcX_tcY_tcZ_tc内点的坐标向量；p_sc1、p_sc2……p_scn表示O_scX_scY_scZ_sc内点的坐标向量；而P_sc与P_tc满足的关系有：

T_sc2tc·P_sc＝P_tc (5)

要求解T_sc2tc，就需要基于SVD方法的普氏分析理论；显然，T_sc2tc的最优解应满足||T_sc2tc·P_sc-P_tc||最小，即T_sc2tc＝argmin(||T_sc2tc·P_sc-P_tc||_F)；

而T_sc2tc表示为：

式中，s为尺度因子，取s＝1；R表示旋转矩阵，t表示平移矩阵；又可以写为：

分别求出两组点集的重心再对矩阵进P_tc、P_sc行去中心化，则有：

式中，ones(1,n)中表示一个1×n阶、元素全为1的矩阵；

再将G·H^T进行SVD分解；得到：U·S·V＝G·H^T，求解旋转矩阵：

求解平移矩阵：

最终，求出从O_scX_scY_scZ_sc到O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_sc2tc；

第四步、求解标定矩阵T_sc2b；

已知结构光3D扫描仪基坐标系T_b2tc、转换矩阵T_sc2tc与标定矩阵T_sc2b满足关系：T_b2tc·T_sc2b＝T_sc2tc；根据矩阵除法，T_sc2b＝T_b2tc\T_sc2tc；标定完毕。