CN111121628A - 基于二维激光雷达的车厢容器的三维扫描系统标定方法 - Google Patents

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陈建
刘志恒
李龙
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Abstract

本发明公开了一种基于二维激光雷达的车厢容器的三维扫描系统标定方法，可快速便捷对三维扫描系统进行标定，能有效的解决货车、卡车等车厢容器的三维扫描系统中视觉坐标系和桁架机器人坐标系的归一化问题，且标定方法简单便捷，为后续三维扫描系统的测量和定位提供必要的一致性数据，该标定方法解决了大范围测量视觉标定的困难，提高了大范围视觉测量的精度。

Description

基于二维激光雷达的车厢容器的三维扫描系统标定方法
技术领域
本发明涉及自动码垛装车技术领域，尤其涉及一种基于二维激光雷达的车厢容器的三维扫描系统标定方法。
背景技术
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，它通过高速激光扫描测量的方法，大面积地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量的采集空间点位信息，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字模型。在逆向工程、测绘工程、工业测量、数字城市地形可视化等众多领域有广泛的应用。
激光雷达具有测距速度快、精度高、获取的测量信息直观等优点，在军事、航空和民用等领域得到了越来越广泛的应用。目前，激光雷达主要分为二维激光雷达和三维激光雷达两种。二维激光雷达只能在单一扫描平面上得到距离和角度信息，以极坐标的形式进行保存，而且把得到的数据经过后期处理还原成的图像也只是被扫描物体在激光雷达扫描平面上的二维轮廓图。而三维激光雷达可以在二维扫描的同时还能转动扫面平面，这样便可以直接扫描得到空间点的三维数据信息，并能更直观的反映被扫描物体的外形特征，因此在一些导航、工程测量等重要的领域具有更大应用价值，但价格昂贵。
在实际工业生产中，袋装或箱装物品装车形式非常普遍。目前，人们在码垛装车环节中仍然普遍采用人工搬运码垛的方式，这样不仅需要大量的人力，而且在一些恶劣环境下，对工作人员的身体健康危害也极大。为解决这些问题，解放劳动力，我们可以直接选用三维激光雷达对装车车辆的车厢进行扫描，然后通过扫描数据直接获取车辆外形轮廓的尺寸信息。但是三维激光雷达价格昂贵，在普通的民用企业的装车环节中使用并不现实。因此，现有二维激光雷达主要应用于移动机器人避障、区域检测、区域监控等功能，还很少将其用于测量等领域，尤其是针对较大型测量对象的三维扫描测量的领域。在三维扫描测量领域，也没有针对相关三维测量的标定方法，因此，解决这一类的问题显得尤为重要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于二维激光雷达的车厢容器的三维扫描系统标定方法，以解决大范围测量视觉标定的困难，提高大范围视觉测量的精度，并通过简易的标定方案，可快速便捷对三维扫描系统进行标定。
为了实现上述技术方案，本发明提供了一种基于二维激光雷达的车厢容器的三维扫描系统标定方法，包括以下步骤：
步骤一：建立对车厢容器的三维扫描系统，由主控制器控制纵向运动轴沿着桁架机器人沿扫描方向运动，上位工控机同时与主控制器和二维激光雷达进行数据交互，确保数据交互的实时性与准确性，待二维激光雷达扫描完成，对主控制器和二维激光雷达的数据进行整合，随之建立标定物的原始三维无序点云数据模型；
步骤二：选用标定物，并将标定物放在二维激光雷达正下方的地面上，然后再标定头法兰安装在桁架机器人末端机械手部位，保持标定头整体呈垂直状态，以保证标定头顶尖垂直指向地面；
步骤三：根据二维激光雷达和桁架机器人的各运动轴设定情况，建立OXYZ二维激光雷达视觉坐标系以及O1X1Y1Z1桁架机器人坐标系；
步骤四：根据实际环境，将标定物依次在桁架机器人的正下方摆放，通过主控制器带动桁架机器人对标定物进行扫描，获取标定物的三维无序点云数据，根据该三维扫描系统点云处理方法，依次获取标定物的四个角点P1-P4在视觉坐标系中的坐标位置；
步骤五：通过主控制器控制桁架机器人多个运动轴的水平及垂直运动，将标定头顶尖依次靠近标定物的四个角点P1-P4，并依次记录其对应点在桁架机器人坐标系中的坐标位置；
步骤六：根据步骤四和五，每次扫描数据可获得在视觉坐标系及桁架机器人坐标系中的四对对应位置点数据，并通过多次重新摆放标定物的位置，来获取一定数量的两坐标系中对应位置点数；
步骤七：对于获取后的两组位置数据，采用迭代最近点算法ICP，将对应数据点位置坐标间欧式距离表示为：
Figure BDA0002348124260000031
利用最小二乘法求解最优解使：
Figure BDA0002348124260000032
E最小时的R和T旋转和平移矩阵，
根据旋转和平移矩阵，建立视觉坐标系和桁架机器人坐标系间的齐次变换矩阵：
Figure BDA0002348124260000041
进一步改进在于：所述标定物为长方形物体，优选有长方形桌面。
进一步改进在于：在标定过程中标定物摆放的位置及扫描次数根据实际情况决定。
进一步改进在于：在步骤一中，所述三维扫描系统包括有主控制器、上位工控机、标定物、带动桁架机器人行走梁纵向运动的运动轴、二维激光雷达和桁架机器人，将运动轴、二维激光雷达和桁架机器人按照在所述支架上，支架的底部放置有标定物，所述支架的旁边放置有主控制器和上位工控机。
本发明的有益效果是：本发明的标定方法能有效的解决货车、卡车等车厢容器的三维扫描系统中视觉坐标系和桁架机器人坐标系的归一化问题，且标定方法简单便捷，为后续三维扫描系统的测量和定位提供必要的一致性数据，该标定方法解决了大范围测量视觉标定的困难，提高了大范围视觉测量的精度，并通过简易的标定方案，可快速便捷对三维扫描系统进行标定。
附图说明
图1为本发明的三维扫描系统的结构示意图。
图2为本发明的标定物的结构示意图。
图3为本发明的标定头的结构示意图。
图4为本发明的OXYZ二维激光雷达视觉坐标系及O1X1Y1Z1桁架机器人坐标系。
其中：1、主控制器；2、上位工控机；3、标定物；4、运动轴；5、二维激光雷达；6、桁架机器人。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1、2、3、4所示，本实施例提供了一种基于二维激光雷达的车厢容器的三维扫描系统标定方法，包括以下步骤：
步骤一：建立对车厢容器的三维扫描系统，由主控制器1控制纵向运动轴沿着桁架机器人6纵向沿扫描方向运动，上位工控机2同时与主控制器1和二维激光雷达5进行数据交互，确保数据交互的实时性与准确性，待二维激光雷达扫描完成，对主控制器1和二维激光雷达5的数据进行整合，随之建立标定物的原始三维无序点云数据模型；
步骤二：选用标定物3，并将标定物3放在二维激光雷达5正下方的地面上，然后再将标定头法兰安装在桁架机器人6末端机械手部位，保持标定头整体呈垂直状态，以保证标定头顶尖垂直指向地面；
步骤三：根据二维激光雷达5和桁架机器人6的各运动轴设定情况，建立OXYZ二维激光雷达视觉坐标系以及O1X1Y1Z1桁架机器人6坐标系；
步骤四：根据实际环境，将标定物3依次在桁架机器人6的正下方摆放，通过主控制器带动桁架机器人6对标定物3进行扫描，获取标定物的三维无序点云数据，根据该三维扫描系统点云处理方法，依次获取标定物的四个角点P1-P4在视觉坐标系中的坐标位置；
步骤五：通过主控制器1控制桁架机器人6多个运动轴的水平及垂直运动，将标定头顶尖靠近标定物3的四个角点P1-P4，并依次记录其对应点在桁架机器人6坐标系中的坐标位置；
步骤六：根据步骤四和五，每次扫描数据可获得在视觉坐标系及桁架机器人坐标系中的四对对应位置点数据，并通过多次重新摆放标定物3的位置，来获取一定数量的两坐标系中对应位置点数；
步骤七：对于获取后的两组位置数据，采用迭代最近点算法ICP，将对应数据点位置坐标间欧式距离表示为：
Figure BDA0002348124260000061
利用最小二乘法求解最优解使：
Figure BDA0002348124260000062
E最小时的R和T旋转和平移矩阵，
根据旋转和平移矩阵，建立视觉坐标系和桁架机器人坐标系间的齐次变换矩阵：
Figure BDA0002348124260000063
在本实施例中，所述标定物为长方形物体，优选有长方形桌面。
在本实施例中，在标定过程中标定物摆放的位置及扫描次数根据实际情况决定。
如图1所示，在步骤一中，所述三维扫描系统包括有主控制器1、上位工控机2、标定物3、带动桁架机器人行走梁纵向运动的运动轴4、二维激光雷达5和桁架机器人6，将运动轴4、二维激光雷达5和桁架机器人6按照在所述支架上，支架的底部放置有标定物3，所述支架的旁边放置有主控制器1和上位工控机2。
本发明的标定方法能有效的解决货车、卡车等车厢容器的三维扫描系统中视觉坐标系和桁架机器人坐标系的归一化问题，且标定方法简单便捷，为后续三维扫描系统的测量和定位提供必要的一致性数据，该标定方法解决了大范围测量视觉标定的困难，提高了大范围视觉测量的精度，并通过简易的标定方案，可快速便捷对三维扫描系统进行标定。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于二维激光雷达的车厢容器的三维扫描系统标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立对车厢容器的三维扫描系统，由主控制器控制纵向运动轴沿着桁架机器人沿扫描方向运动，上位工控机同时与主控制器和二维激光雷达进行数据交互，确保数据交互的实时性与准确性，待二维激光雷达扫描完成，对主控制器和二维激光雷达的数据进行整合，随之建立标定物的原始三维无序点云数据模型；
步骤二：选用标定物，并将标定物放在二维激光雷达正下方的地面上，然后再将标定头法兰安装在桁架机器人末端机械手部位，保持标定头整体呈垂直状态，以保证标定头顶尖垂直指向地面；
步骤三：根据二维激光雷达和桁架机器人的各运动轴设定情况，建立OXYZ二维激光雷达视觉坐标系以及O1X1Y1Z1桁架机器人坐标系；
步骤四：根据实际环境，将标定物依次在桁架机器人的正下方摆放，通过主控制器带动桁架机器人对标定物进行扫描，获取标定物的三维无序点云数据，根据该三维扫描系统点云处理方法，依次获取标定物的四个角点P1-P4在视觉坐标系中的坐标位置；
步骤五：通过主控制器控制桁架机器人多个运动轴的水平及垂直运动，将标定头顶尖依次靠近标定物的四个角点P1-P4，并依次记录其对应点在桁架机器人坐标系中的坐标位置；
步骤六：根据步骤四和五，每次扫描数据可获得在视觉坐标系及桁架机器人坐标系中的四对对应位置点数据，并通过多次重新摆放标定物的位置，来获取一定数量的两坐标系中对应位置点数；
步骤七：对于获取后的两组位置数据，采用迭代最近点算法ICP，将对应数据点位置坐标间欧式距离表示为：
Figure FDA0002348124250000021
利用最小二乘法求解最优解使：
Figure FDA0002348124250000022
E最小时的R和T旋转和平移矩阵，
根据旋转和平移矩阵，建立视觉坐标系和桁架机器人坐标系间的齐次变换矩阵：
Figure FDA0002348124250000023
2.根据权利要求1所述的基于二维激光雷达的车厢容器的三维扫描系统标定方法，其特征在于：所述标定物为长方形物体，优选有长方形桌面。
3.根据权利要求1所述的基于二维激光雷达的车厢容器的三维扫描系统标定方法，其特征在于：在标定过程中标定物摆放的位置及扫描次数根据实际情况决定。
4.根据权利要求1所述的基于二维激光雷达的车厢容器的三维扫描系统标定方法，其特征在于：在步骤一中，所述三维扫描系统包括有主控制器(1)、上位工控机(2)、标定物(3)、带动桁架机器人行走梁纵向运动的运动轴(4)、二维激光雷达(5)和桁架机器人(6)，将运动轴(4)、二维激光雷达(5)和桁架机器人(6)按照在所述支架上，支架的底部放置有标定物(3)，所述支架的旁边放置有主控制器(1)和上位工控机(2)。
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