CN110749290A - 基于三维投影的特征信息快速定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维投影的特征信息快速定位方法，利用设有相机和投影仪的视觉传感器实现，视觉传感器固定在机器人末端，或者固定在待测物所在工位上；包括如下步骤：1)基于标准数据，确定特征标记点在待测物坐标系下的三维坐标；2)通过待测物坐标系‑机器人坐标系‑传感器坐标系‑投影仪坐标系的转换关系或者通过位置固定的传感器的传感器坐标系与待测物坐标系的转换关系，将特征标记点的坐标转换到投影仪坐标系下；3)依据成像投影原理，将三维坐标映射到投影平面上，获得二维坐标，生成投影图片，投射到待测物表面上，辅助人工贴点。该方法无需借助工艺卡片，能有效消除人工影响，耗时少，精度高。
Description
技术领域
本发明涉及精密测量领域，具体涉及一种基于三维投影的特征信息快速定位方法。
背景技术
随着高端先进制造技术的飞速发展，对几何量精密测量技术提出更高要求，其中高密度精细三维点云测量需求是一类典型问题。高质量的三维点云是特殊复杂形位公差分析必需的基础数据，如汽车车身特征线DLM参数测量、飞机蒙皮铆钉离面差测量、船舶弯板曲面偏差测量等等。自动蓝光扫描系统是利用蓝光三维扫描技术获取自由曲面精细三维点云，结合工业机器人自动化平台实现大型自由曲面表面高密度点云的自动化精密测量系统，是满足汽车制造、航空航天、船舶制造等高端先进制造领域中高质量三维点云测量的有效手段。
目前高精度的自动蓝光扫描系统均使用全局拼接点的方式，需要在测量之前完成拼接点的粘贴和坐标解算。现在常规的全局拼接点设置方式为人工对照工艺卡片在车身上相应位置放置拼接点；人工粘贴一台整车需要耗时1h左右，效率较低；摆放位置的偏差取决于人工识别位置的差异，一般会到几厘米的量级，在实际测量过程中会出现全局拼接点超出传感器视场，造成该测量位置拼接失败、需要补拍的问题；另外，前期制作工艺卡片也是一项繁琐的工作，如何能让使用者分辨出全局拼接点的位置，并尽量减少工艺卡片的制作数量，这是一个需要长期经验累积的工作。对人员熟练度要求极高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于三维投影的特征信息快速定位方法，其能有效消除人工对拼接点位置摆放的影响，摆放位置可达到毫米量级的一致性精度，有效缩短贴点时间、提高拼接点位置的准确度，继而提高拼接精度。
为此，本发明的技术方案如下：
一种基于三维投影的特征信息快速定位方法，利用设有相机和投影仪的视觉传感器实现，所述视觉传感器固定在机器人末端，或者固定在待测物所在工位上；包括如下步骤：
1)基于标准数据，确定处于某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器所对应的所有特征标记点在待测物坐标系下的三维坐标；
2)通过待测物坐标系与机器人坐标系、机器人坐标系与传感器坐标系、传感器坐标系与投影仪坐标系的转换关系，将特征标记点的坐标转换到投影仪坐标系下；
或者，通过位置固定的传感器的传感器坐标系与待测物坐标系的转换关系，将特征标记点的坐标转换到投影仪坐标系下；
3)依据成像投影原理，将步骤2)得到的特征标记点的三维坐标映射到投影平面上，获得各点的二维坐标；以此为依据，生成投影图片，通过投影仪投射到待测物表面上，辅助此位置后续工作中的人工贴点。
进一步，获取标准数据的方法包括如下步骤：
①在待测物的待检测位置贴好特征标记点；
②末端固定有视觉传感器的机器人从不同位置采集所述待测物的图像，此图像上包含有特征标记点；
以待测物坐标系为基准，将机器人坐标系转换到待测物坐标系；同时分别确定相机、投影仪与机器人之间的位姿关系；
或者，在待测物所在工位上固定设置有多个视觉传感器；多个视觉传感器分别采集所述待测物的图像，此图像上包含特征标记点，所述多个视觉传感器采集到的待测物图像拼接后能覆盖待测物上的整个待测区域；建立所有视觉传感器内相机、投影仪与待测物坐标系的位姿关系；
③解算出某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器所能获取的图像上所有特征标记点在待测物坐标系下的三维坐标，以此作为标准数据。
进一步，步骤3)中将三维坐标映射到投影平面，获得二维坐标的方法为：
式中：(x，y)、(X，Y，Z)对应的分别是同一点的二维图像坐标和三维坐标，f为对应投影仪的镜头焦距。
进一步：步骤3)还将待测物中待测点的三维坐标先转换到投影仪坐标系下，再将待测点与特征标记点采用相同方法处理，通过投影仪投射在待测物表面上，用于直观显示待测点在待测物表面的实际位置，优选，通过投影点的形状/色彩将待测点与特征标记点进行区分。
进一步：还包括步骤：4)当人工贴点完成后，处于某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器采集待测物的图像，解算图像中特征标记点的三维坐标，再将其转换到投影仪坐标下；其次，依据成像投影原理，将三维坐标映射到投影平面，获得各点的二维坐标，以此为依据，生成投影图片，通过投影仪投射到待测物表面上，用于显示该姿态下可以被解算出的特征点位置，从而根据特征点是否识别来直观指导机器人位姿调整。以此直观的获得哪些位置的特征点被成功解算，为后续改进提供依据。
进一步：还包括步骤：4)当人工贴点完成后，处于某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器采集待测物的图像，解算图像中待测点的三维坐标，作为实测数据；
5)以数模数据为基准，计算实测数据与其差值，作为各待测点的偏差数据与各点进行关联；将实测数据转换到投影仪坐标下；依据成像投影原理，将三维坐标映射到投影平面，获得各点的二维坐标，以此为依据，生成投影图片，投影图片信息包含各待测点的实测位置，以及在位置附近显示偏差数据；投影仪将投影图片投射到待测物表面，用于直观展示测量结果，各待测点能选择性的显示偏差数据格式和样式。
进一步：还包括步骤：4)当人工贴点完成后，处于某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器采集图像，解算图像中待测物上所有点、特征标记点的三维坐标，作为实测待测物点云数据；
5)以数模数据为基准，查看实测点云数据与数模数据的差值，获取投影仪坐标下所有点在待测物坐标系下对应的实测点云偏差值，将偏差值与对应点的颜色设置对应；以此为依据，生成投影图片，通过投影仪投射到待测物表面上，可以直观的通过伪彩图的投影显示被测物表面所有点的偏差情况。
本发明提供的基于三维投影的特征信息快速定位方法，是一种高效、快速、直观的定位方法。无需人工制作工艺卡片，如直接采用测量轨迹，可直接投入使用，其他准备工作在工位建立初期便可完成，因此实施效率大幅提高。全局拼接点的放置位置通过该方法可达到毫米量级的一致性精度，较原来有数倍的提升，对后续全局拼接点的解算可以提供更加稳定的输入，保证解算精度的一致性，提高整系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明提供的基于三维投影的特征信息快速定位方法的流程图。
具体实施方式
结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
一种基于三维投影的特征信息快速定位方法，利用设有相机和投影仪的视觉传感器实现，视觉传感器固定在机器人末端，或者固定在待测物所在工位上；包括如下步骤：
1)基于标准数据，确定处于某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器所对应的所有特征标记点在待测物坐标系下的三维坐标；
2)通过待测物坐标系与机器人坐标系、机器人坐标系与传感器坐标系、传感器坐标系与投影仪坐标系的转换关系，将特征标记点的坐标转换到投影仪坐标系下；
或者，通过位置固定的传感器的传感器坐标系与待测物坐标系的转换关系，将特征标记点的坐标转换到投影仪坐标系下；
3)依据成像投影原理，将步骤2)得到的特征标记点的三维坐标映射到投影平面上，获得各点的二维坐标；以此为依据，生成投影图片，通过投影仪投射到待测物表面上，辅助此位置后续工作中的人工贴点。
具体来说：将三维坐标映射到投影平面，获得二维坐标的方法为：
式中：(x，y)、(X，Y，Z)对应的分别是同一点的二维图像坐标和三维坐标，f为对应投影仪的镜头焦距。
作为本发明的一种实施例，获取标准数据的方法包括如下步骤：
①在待测物的待检测位置贴好特征标记点；
②末端固定有视觉传感器的机器人从不同位置采集待测物的图像，此图像上包含有特征标记点；
以待测物坐标系为基准，将机器人坐标系转换到待测物坐标系；同时分别确定相机、投影仪与机器人之间的位姿关系；
或者，在待测物所在工位上固定设置有多个视觉传感器；多个视觉传感器分别采集待测物的图像，此图像上包含特征标记点，多个视觉传感器采集到的待测物图像拼接后能覆盖待测物上的整个待测区域；建立所有视觉传感器内相机、投影仪与待测物坐标系的位姿关系；
③解算出某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器所能获取的图像上所有特征标记点在待测物坐标系下的三维坐标，以此作为标准数据。
为了更加清楚的显示结果，步骤3)还将待测物中待测点的三维坐标先转换到投影仪坐标系下，再将待测点与特征标记点采用相同方法处理，通过投影仪投射在待测物表面上，用于直观显示待测点在待测物表面的实际位置，优选，通过投影点的形状/色彩将待测点与特征标记点进行区分。
作为本发明方法的一种后续应用：还包括步骤：4)当人工贴点完成后，处于某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器采集待测物的图像，解算图像中特征标记点的三维坐标，再将其转换到投影仪坐标下；其次，依据成像投影原理，将三维坐标映射到投影平面，获得各点的二维坐标，以此为依据，生成投影图片，通过投影仪投射到待测物表面上，用于显示该姿态下可以被解算出的特征点位置，从而根据特征点是否识别来直观指导机器人位姿调整。以此直观的获得哪些位置的特征点被成功解算，为后续改进提供依据。
作为本发明方法的第二种后续应用：还包括步骤：4)当人工贴点完成后，处于某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器采集待测物的图像，解算图像中待测点的三维坐标，作为实测数据；
5)以数模数据为基准，计算实测数据与其差值，作为各待测点的偏差数据与各点进行关联；将实测数据转换到投影仪坐标下；依据成像投影原理，将三维坐标映射到投影平面，获得各点的二维坐标，以此为依据，生成投影图片，投影图片信息包含各待测点的实测位置，以及在位置附近显示偏差数据；投影仪将投影图片投射到待测物表面，用于直观展示测量结果，各待测点能选择性的显示偏差数据格式和样式。
作为本发明方法的第三种后续应用：还包括步骤：4)当人工贴点完成后，处于某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器采集图像，解算图像中待测物上所有点、特征标记点的三维坐标，作为实测待测物点云数据；
5)以数模数据为基准，查看实测点云数据与数模数据的差值，获取投影仪坐标下所有点在待测物坐标系下对应的实测点云偏差值，将偏差值与对应点的颜色设置对应；以此为依据，生成投影图片，通过投影仪投射到待测物表面上，可以直观的通过伪彩图的投影显示被测物表面所有点的偏差情况。
该方法无需人工制作工艺卡片，如直接采用测量轨迹，可直接投入使用，其他准备工作在工位建立初期便可完成，因此实施效率大幅提高。全局拼接点的放置位置通过该方法可达到毫米量级的一致性精度，较原来有数倍的提升，对后续全局拼接点的解算可以提供更加稳定的输入，保证解算精度的一致性，提高整系统的稳定性。
Claims (7)
1.一种基于三维投影的特征信息快速定位方法，利用设有相机和投影仪的视觉传感器实现，所述视觉传感器固定在机器人末端，或者固定在待测物所在工位上；其特征在于包括如下步骤：
1)基于标准数据，确定处于某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器所对应的所有特征标记点在待测物坐标系下的三维坐标；
2)通过待测物坐标系与机器人坐标系、机器人坐标系与传感器坐标系、传感器坐标系与投影仪坐标系的转换关系，将特征标记点的坐标转换到投影仪坐标系下；
或者，通过位置固定的传感器的传感器坐标系与待测物坐标系的转换关系，将特征标记点的坐标转换到投影仪坐标系下；
3)依据成像投影原理，将步骤2)得到的特征标记点的三维坐标映射到投影平面上，获得各点的二维坐标；以此为依据，生成投影图片，通过投影仪投射到待测物表面上，辅助此位置后续工作中的人工贴点。
2.如权利要求1所述基于三维投影的特征信息快速定位方法，其特征在于：获取标准数据的方法包括如下步骤：
①在待测物的待检测位置贴好特征标记点；
②末端固定有视觉传感器的机器人从不同位置采集所述待测物的图像，此图像上包含有特征标记点；
以待测物坐标系为基准，将机器人坐标系转换到待测物坐标系；同时分别确定相机、投影仪与机器人之间的位姿关系；
或者，在待测物所在工位上固定设置有多个视觉传感器；多个视觉传感器分别采集所述待测物的图像，此图像上包含特征标记点，所述多个视觉传感器采集到的待测物图像拼接后能覆盖待测物上的整个待测区域；建立所有视觉传感器内相机、投影仪与待测物坐标系的位姿关系；
③解算出某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器所能获取的图像上所有特征标记点在待测物坐标系下的三维坐标，以此作为标准数据。
3.如权利要求1所述基于三维投影的特征信息快速定位方法，其特征在于：步骤3)中将三维坐标映射到投影平面，获得二维坐标的方法为：
式中：(x，y)、(X，Y，Z)对应的分别是同一点的二维图像坐标和三维坐标，f为对应投影仪的镜头焦距。
4.如权利要求1所述基于三维投影的特征信息快速定位方法，其特征在于：步骤3)还将待测物中待测点的三维坐标先转换到投影仪坐标系下，再将待测点与特征标记点采用相同方法处理，通过投影仪投射在待测物表面上，用于直观显示待测点在待测物表面的实际位置，优选，通过投影点的形状/色彩将待测点与特征标记点进行区分。
5.如权利要求1所述基于三维投影的特征信息快速定位方法，其特征在于：还包括步骤4)当人工贴点完成后，处于某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器采集待测物的图像，解算图像中特征标记点的三维坐标，再将其转换到投影仪坐标下；其次，依据成像投影原理，将三维坐标映射到投影平面，获得各点的二维坐标，以此为依据，生成投影图片，通过投影仪投射到待测物表面上。
6.如权利要求1所述基于三维投影的特征信息快速定位方法，其特征在于：还包括步骤：
4)当人工贴点完成后，处于某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器采集待测物的图像，解算图像中待测点的三维坐标，作为实测数据；
5)以数模数据为基准，计算实测数据与其差值，作为各待测点的偏差数据与各点进行关联；将实测数据转换到投影仪坐标下；依据成像投影原理，将三维坐标映射到投影平面，获得各点的二维坐标，以此为依据，生成投影图片，投影图片信息包含各待测点的实测位置，以及在位置附近显示的偏差数据；投影仪将投影图片投射到待测物表面，用于直观展示测量结果，各待测点能选择性的显示偏差数据格式和样式。
7.如权利要求1所述基于三维投影的特征信息快速定位方法，其特征在于：还包括步骤：
4)当人工贴点完成后，处于某一位姿的机器人或固定于某一位置的视觉传感器采集图像，解算图像中待测物上所有点、、特征标记点的三维坐标，作为实测待测物点云数据；
5)以数模数据为基准，查看实测点云数据与数模数据的差值，获取投影仪坐标下所有点在待测物坐标系下对应的实测点云偏差值，将偏差值与对应点的颜色设置对应；以此为依据，生成投影图片，通过投影仪投射到待测物表面上。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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