CN110954022A - 一种圆环形物体旋转扫描结构以及标定方法 - Google Patents

一种圆环形物体旋转扫描结构以及标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种圆环形物体旋转扫描结构，包括圆盘旋转平台、圆环形物体工件、激光位移传感器，圆环形物体工件放置在圆盘旋转平台上，激光位移传感器固定在圆环形物体工件上方，圆盘旋转平台带动圆环形物体工件旋转，激光位移传感器用于旋转扫描圆环形物体工件。本发明公开了一种针对圆环形物体旋转扫描结构的标定方法，是一种扫描和三维重建的方式，并给出了高精度的标定方法。相对一般的做法，该方法能够使用较少的激光传感器就能实现圆环形物体的扫描和测量，能够大幅降低成本，并且通过标定能够保证精度。

Description

一种圆环形物体旋转扫描结构以及标定方法
技术领域
本发明涉及一种圆环形物体旋转扫描结构。
本发明涉及一种标定方法，具体涉及一种针对圆环形物体旋转扫描结构的标定方法。
背景技术
线扫描传感器在工业上有很多应用，如果被测量物体的尺寸过大，可以通过多个传感器或一个传感器多次扫描拼接来实现，但有一类应用是需要使用激光器扫描较大的圆环形物体。
圆环形物体工件旋转，激光位移传感器保持不动，只要旋转一周后，圆环形物体工件都经过了激光位移传感器的下方。此时，激光位移传感器扫描得到的数据需要结合旋转的角度才能够进行3D重建，否则激光位移传感器获得的数据按照时间来排序得到的3D轮廓组，与产品本身的差异较大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种圆环形物体旋转扫描结构,还公开了针对圆环形物体旋转扫描结构的标定方法。
本发明提供如下技术方案：
一种圆环形物体旋转扫描结构，包括圆盘旋转平台、圆环形物体工件和激光位移传感器，圆环形物体工件放置在圆盘旋转平台上，激光位移传感器固定在圆环形物体工件上方，圆盘旋转平台带动圆环形物体工件旋转，激光位移传感器用于旋转扫描圆环形物体工件。
圆环形物体工件的工作面有三个，上平面、下平面和位于上平面和下平面之间的圆锥面。
一种针对圆环形物体旋转扫描结构的标定方法，圆环形物体工件通过圆盘旋转平台带动旋转，激光位移传感器保持不动，只要旋转一周后，圆环形物体工件都经过了激光位移传感器的下方，圆环形物体工件的工作面有三个，上平面、下平面和位于上平面和下平面之间的圆锥面，使用函数F来描述工作面，即工作面上的点P{X，Y，Z}满足，
F(X，Y，Z)＝0，
空间中的另外一点Q{QX，QY，QZ}到标准件工作面的距离定义为D＝D(F，QX，QY，QZ)，
标准件在设备坐标系O中有6个自由度，记标准件在设备坐标系中的矩阵为T，则：
T＝Trans(ΔX，ΔY，ΔZ)RotX(ax)RotY(ay)RotZ(αz)，
在设备坐标系下的标准件工作面描述为TF，即工作面上的点P{X，Y，Z}满足：
TF(X，Y，Z)＝0，
对于激光位移传感器获得的点PL＝{X，0，Z}，根据运动模型得到的点Pw{XW，YW，ZW}应该满足TF(XW，YW，ZW)＝0
或者满足距离为0的条件，即：
D＝D(TF，XW，YW，ZW)＝0。
在上式中共含有R、dx、dy、dz四个运动学参数和ΔX，ΔY，ΔZ，ax，ay，az这6个参数表示标准件在设备中的6个自由度，另外有三个自变量分别是角度A和PL中的X坐标和Z坐标，记上式为
Fun(α，β，θ)＝0，
其中α＝{R，dx，dy，dz}，β＝{ΔX，ΔY，ΔZ，ax，ay，az}，θ＝{A，X，Z}，
更进一步把α和β合并成一个变量，上式可以记作
Fun(ρ，θ)＝0。
如果ρ越准确，则上式左边就越接近0，为了获得比较准确的ρ，可以通过求解一个比较常见的最优化问题，即
求一个ρ使得sum((Fun(ρ，θ))2)最小，即：
Figure BDA0002327155450000031
β的初始值即为β0＝{0，0，0，0，0，0}，α的初始值为α0＝{R，0，0，0}。
对设备进行数据采集后设定好初始值后即可进行迭代运算，经过多次迭代后即可得到较为准确的ρ从中分离出前4个参数即为运动学模型中的α，获得运动学模型参数后，对后续的扫描只要使用该运动学模型对扫描获得的激光位移传感器的点，即可重建出旋转扫描的被测物体表面的3D数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种扫描和三维重建的方式，并给出了高精度的标定方法。相对一般的做法，该方法能够使用较少的激光传感器就能实现圆环形物体的扫描和测量，能够大幅降低成本，并且通过标定能够保证精度。
附图说明
图1是圆环形物体扫描结构布局示意图。
图2是使用激光位移传感器旋转扫描获得的数据图。
图3是本发明标定后对图2的数据进行重建后的3D数据图。
图4为标准件圆环形物体工件的结构示意图。
图中：1、激光位移传感器，2、圆盘旋转平台，3、圆环形物体工件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
请参阅图1，一种针对圆环形物体旋转扫描结构，包括圆盘旋转平台2、圆环形物体工件3、激光位移传感器1，圆环形物体工件3放置在圆盘旋转平台2上，激光位移传感器1固定在圆环形物体工件3上方，圆盘旋转平台2带动圆环形物体工件3旋转，激光位移传感器1用于旋转扫描圆环形物体工件3。圆盘旋转平台2是一个可以让工件放置的平台，平台可以旋转。
为了对圆环形物体工件3进行完善的3D重建，首先需要对该扫描机构进行运动学建模。根据运动学模型，确定扫描机构的运动学参数。
对于该扫描系统，在旋转轴上建立设备坐标系O，其X轴是旋转轴0度所指的方向，向上的方向为Z轴，按照右手定则确定Y轴。假定激光位移传感器安装在X轴的方向上，此时激光位移传感器的X轴方向与系统的X轴方向一致。激光位移传感器的X轴的零点位置距离旋转轴的距离为R。此时，因激光器的安装等导致的误差会使得激光器存在3个自由度的转动。所以对于激光位移传感器获得的点PL＝{X，0，Z}，其在设备坐标系O下的坐标点Pw为：Pw＝MPL，
此式即为该扫描机构的运动学模型。其中
M＝RotZ(A)Trans(R，0，0)RotX(dx)RotY(dy)RotZ(dz)，
Figure BDA0002327155450000051
Figure BDA0002327155450000052
Figure BDA0002327155450000053
Figure BDA0002327155450000054
其中A是旋转的角度，R是激光位移传感器X轴零点到旋转轴的距离，dx、dy、dz是激光位移传感器的误差。这里的A是运动学模型的变量，R和dx、dy、dz都是该运动学模型的参数。一旦机构安装完成该值基本保持不变。但是由于安装误差等因素，这些值和设计值不完全一致。这就需要通过运动学标定的方法获得这些值。
该圆环形物体工件(标准件)如图4所示，该标准件的工作面有三个，一个上平面、一个下平面，上平面和下平面之间是一个圆锥面。
视旋转平台的情况确定是否需要在标准件中间留孔。设计时需要保证激光位移传感器能够同时扫描到上工作面和下工作面。使用函数F来描述工作面,即工作面上的点P{X，Y，Z}满足,
F(X，Y，Z)＝0，
空间中的另外一点Q{QX，QY，QZ}到标准件工作面的距离定义为D＝D(F，QX，QY，QZ)，
标准件在设备坐标系O中有6个自由度，记标准件在设备坐标系中的矩阵为T，则：
T＝Trans(ΔX，ΔY，ΔZ)RotX(ax)RotY(ay)RotZ(az)，
在设备坐标系下的标准件工作面描述为TF，即工作面上的点P{X，Y，Z}满足：
TF(X，Y，Z)＝0，
对于激光位移传感器获得的点PL＝{X，0，Z}，根据运动模型得到的点Pw{XW，YW，ZW}应陔满足TF(XW，YW，ZW)＝0
或者满足距离为0的条件，即：
D＝D(TF，XW，YW，ZW)＝0
实际上由于安装误差和标准件放置时的不确定因素会使得上式并不等于零。
在上式中共含有R、dx、dy、dz四个运动学参数和ΔX，ΔY，ΔZ，ax，ay，az这6个参数表示标准件在设备中的6个自由度。另外有三个自变量分别是角度A和PL中的X坐标和Z坐标。记上式为
Fun(α，β，θ)＝0，
其中α＝{R，dx，dy，dz}，β＝{ΔX，ΔY，ΔZ，ax，ay，az}，θ＝{A，X，Z}，
更进一步把α和β合并成一个变量，上式可以记作
Fun(ρ，θ)＝0，
如果ρ越准确，则上式左边就越接近0。为了获得比较准确的ρ，可以通过求解一个比较常见的最优化问题。即
求一个ρ使得sum((Fun(ρ，θ))2)最小。即：
Figure BDA0002327155450000071
这个最优化问题的一个常规解法是高斯牛顿法及其改进算法，这些算法往往需要一组初始值，这个初始值可以使用设计的安装位置来获得。比如β的初始值即为β0＝{0，0，0，0，0，0}，
α的初始值为α0＝{R，0，0，0}。对设备进行数据采集后设定好初始值后即可进行迭代运算，经过多次迭代后即可得到较为准确的ρ从中分离出前4个参数即为运动学模型中的α。获得运动学模型参数后，对后续的扫描只要使用该运动学模型对扫描获得的激光位移传感器的点，即可重建出旋转扫描的被测物体表面的3D数据。
图2是使用激光位移传感器旋转扫描获得的数据，图3是标定后对图2的数据进行重建后的3D数据，
图2和图3进行对比，图2只能得到一个长条形的轮廓，且需要经过多次扫描，才能得到基本轮廓。图3，激光位移传感器获得的数据得到的3D轮廓可以通过本发明的标定方法实现重建，重建后的数据与产品本身的一致，可以满足对测量精度的要求。
本发明的标定采用标准件，结构简单，对标定用标准件的放置精度要求极低，通过4次转动现偏置圆盘旋转平台旋转中心的标定方法，针对环形物体的扫描能够大幅降低成本，能够只使用一个传感器，同时又只有一个运动自由度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种圆环形物体旋转扫描结构，其特征在于：包括圆盘旋转平台、圆环形物体工件和激光位移传感器，圆环形物体工件放置在圆盘旋转平台上，激光位移传感器固定在圆环形物体工件上方，圆盘旋转平台带动圆环形物体工件旋转，激光位移传感器用于旋转扫描圆环形物体工件。
2.根据权利要求1所述的一种圆环形物体旋转扫描结构，其特征在于：圆环形物体工件的工作面有三个，上平面、下平面和位于上平面和下平面之间的圆锥面。
3.一种针对圆环形物体旋转扫描结构的标定方法，其特征在于：圆环形物体工件通过圆盘旋转平台带动旋转，激光位移传感器保持不动，只要旋转一周后，圆环形物体工件都经过了激光位移传感器的下方，圆环形物体工件的工作面有三个，上平面、下平面和位于上平面和下平面之间的圆锥面，使用函数F来描述工作面，即工作面上的点P{X，Y，Z}满足，
F(X，Y，Z)＝0，
空间中的另外一点Q{QX，QY，QZ}到标准件工作面的距离定义为
D＝D(F，QX，QY，QZ)，
标准件在设备坐标系O中有6个自由度，记标准件在设备坐标系中的矩阵为T，则：
T＝Trans(ΔX，ΔY，ΔZ)RotX(ax)RotY(ay)RotZ(az)，
在设备坐标系下的标准件工作面描述为TF，即工作面上的点P{X，Y，Z}满足：
TF(X，Y，Z)＝0，
对于激光位移传感器获得的点PL＝{X，0，Z}，根据运动模型得到的点Pw{XW，YW，ZW}应陔满足TF(XW，YWZW)＝0
或者满足距离为0的条件，即：
D＝D(TF，XW，YW，ZW)＝0。
4.根据权利要求3所述的一种针对圆环形物体旋转扫描结构的标定方法，其特征在于：在上式中共含有R、dx、dy、dz四个运动学参数和ΔX，ΔY，ΔZ，ax，ay，az这6个参数表示标准件在设备中的6个自由度，另外有三个自变量分别是角度A和PL中的X坐标和Z坐标，记上式为
Fun(α，β，θ)＝0，
其中α＝{R，dx，dy，dx}，β＝{ΔX，ΔY，ΔZ，ax，ay，az}，θ＝{A，X，Z}，
更进一步把α和β合并成一个变量，上式可以记作
Fun(ρ，θ)＝0。
5.根据权利要求4所述的一种针对圆环形物体旋转扫描结构的标定方法，其特征在于：如果ρ越准确，则上式左边就越接近0，为了获得比较准确的ρ，可以通过求解一个比较常见的最优化问题，即
求一个ρ使得sum((Fun(ρ，θ))2)最小，即：
Figure FDA0002327155440000021
β的初始值即为β0＝{0，0，0，0，0，0}，α的初始值为α0＝{R，0，0，0}。
6.根据权利要求5所述的一种针对圆环形物体旋转扫描结构的标定方法，其特征在于：对设备进行数据采集后设定好初始值后即可进行迭代运算，经过多次迭代后即可得到较为准确的ρ从中分离出前4个参数即为运动学模型中的α，获得运动学模型参数后，对后续的扫描只要使用该运动学模型对扫描获得的激光位移传感器的点，即可重建出旋转扫描的被测物体表面的3D数据。
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