CN111322950A - 利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法及其用途，包括：传感器向圆柱体的侧表面投射线激光，得到光条图像，将所有点转换到全局坐标系；当圆柱体的轴线与全局坐标系xoy平面垂直时，利用光条圆弧段点坐标拟合圆，求取圆心坐标；将z轴的中值作为圆心的z值；当不垂直时，预先构建圆柱体坐标系，以圆柱体的底面为圆柱体坐标系的xoy平面，圆柱体的轴线为z轴；将所有点投影到xoy平面，拟合圆I，求取圆I的圆心坐标；利用旋转平移转换关系，获取圆I的圆心坐标在全局坐标系下的坐标值；将光条直线段点的z方向中值作为圆I的圆心z值；本方法，能实时反应定位设备的位置，保证最终产品的加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及激光视觉测量领域，具体涉及一种利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法及其用途。
背景技术
随着自动化生产行业的蓬勃发展，越来越多的智能化设备被引入到加工行业，为了满足产品的流水化生产，首先需要解决待加工物的定位问题。为了实现待加工物的定位，销柱等定位设备被引入了生产过程。传统方法中默认定位装置中销柱位置固定且准确，忽略了长期使用后机械结构的松动、磨损、老化等问题，从而使得定位不准确，影响待加工物的加工精度，甚至影响加工过程或增加残次率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法及其用途，其将线结构光视觉检测技术应用于圆柱体位置检测，具体说是销柱等类似结构定位物位置检测，能实时反应定位设备的位置，保证最终产品的加工精度。
为此，本发明的技术方案如下：
一种利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法，标准状态下，所述圆柱体垂直设置于安装位置，所述线结构光传感器、圆柱体和安装位置之间的相对位置固定；所述线结构光传感器坐标系与全局坐标系之间的转换关系已知；
包括以下步骤：
1)所述线结构光传感器向所述圆柱体的侧表面投射线激光，并采集图片；提取所述图片中的光条图像，将光条图像上所有点坐标从线结构光传感器坐标系转换到全局坐标系；
2)当圆柱体在标准状态时的轴线与全局坐标系xoy平面垂直时，利用光条圆弧段点坐标拟合圆，求取圆心坐标；再将圆弧段点云z轴的中值作为圆心的z值，得到代表圆柱体位置的坐标；
当圆柱体在标准状态时的轴线与全局坐标系xoy平面不垂直时，预先构建圆柱体坐标系，以标准状态下圆柱体的底面为圆柱体坐标系的xoy平面，同状态下圆柱体的轴线方向为z轴；将光条图像中所有点投影到圆柱体坐标系的xoy平面，利用圆弧段点坐标拟合圆I，求取圆柱体坐标系下的圆I的圆心坐标；利用圆柱体坐标系与全局坐标系之间的旋转平移转换关系，获取圆I的圆心坐标在全局坐标系下的坐标值；将光条直线段部分的点在全局坐标系下的z方向中值作为圆I的圆心z值，得到代表圆柱体位置的坐标。
进一步，利用圆弧段点坐标拟合圆的方法为：利用圆弧段点坐标拟合圆的方法为：
①将圆弧段两个端点中任意一点作为种子点；
②依据种子点进行N个最近邻检索，分别计算N个点与种子点之间的距离，判断距离值是否均小于预设值：
③若是，则将这N个点存储，并选择前一次存储点中距种子点最远的点作为新的种子点，继续进行步骤②；
若否，则把各距离值小于预设值的点存储为一段光条段；并在距离值大于预设值的点中选择距离前一种子点最近的点为新的种子点，进行步骤②，把再次满足条件的点存入新的光条段；直至遍历完整个圆弧段，将其分割成N段光条段；
④对比所有光条段，将点云数量大于预设数量的光条段记为新的圆弧段点，剔除其他光条段，利用新的圆弧段点进行圆弧拟合。
优选，对新的圆弧段点采用相同方法进行筛选，第二次筛选时点与种子点之间距离的预设值大于第一次设置的预设值，把光条段点云数量的占比(光条段点云数量/点云总数量)大于预设值的光条段作为最终的圆弧段，利用最终的圆弧段点进行圆弧拟合。
由于定位销柱表面会镀铬等金属，其表面反光比较严重，很容易过曝，采集到的圆形销柱轮廓上会有比较多的杂散光干扰，本方法在处理圆弧段时，分别利用不同的阈值进行两次处理，第一次小阈值的光条分割，能够去噪，排除杂散光的影响；第二次大阈值分割，能够防止第一次光条分割造成的光条断裂，进而得到连续且准确的圆弧，拟合出精确的圆心坐标。
进一步，所述线结构光传感器坐标系与全局坐标系之间的转换关系通过以下方法获得：
a、将标准球摆在至少五个不同位置，且任意四个位置不同面；
b、使用跟踪仪确定各标准球在全局坐标系下的坐标；利用线结构光传感器获取在标准球在其坐标系下的坐标；
c、依据同名点计算线结构光传感器坐标系与全局坐标系之间的旋转、平移转换关系。
进一步，其特征在于：所述圆柱体坐标系与全局坐标系之间的旋转平移转换关系通过以下方法获得：
以圆柱体底面所在平面与全局坐标系x轴的交点为原点，圆柱体底面所在平面与全局坐标系x轴、z轴交点的连线与圆柱体坐标系的x轴方向平行；圆柱体的轴线方向为z轴，依据右手定则确定y轴；通过几何关系，计算获取圆柱体坐标系与全局坐标系之间的旋转平移转换关系。
进一步，所述圆柱体为销柱、螺柱、螺钉、或圆柱状孔。
优选，所述圆柱体的直径为线结构光传感器中相机视场的1/10～1/2。
本发明还涉及利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法的用途，具体为：
利用如权利要求1所述方法获取两个或多个代表待测圆柱体位置的坐标，按需计算距离或相对位置，与预设值比对后获得圆柱体位置状态、或位置偏差、或位姿调整方法。
本发明利用线结构光技术，能够准确获得圆柱体实时位姿，对于不同角度的定位销，采用不同的方式计算，耗时短，精度高，相比于传统的三坐标机(coordinate measuremachine，CMM)测量方法，本方法能够做到无接触、不易受到主观因素影响；对光条图像中的直线段、圆弧段进行分段处理，节省了算法时间。
附图说明
图1为实施例中圆形销柱与安装位置的示意图；
图2为实施例中光条圆弧段与直线段的实测图和示意图；
图3为实施例中光条圆弧段的实测图和示意图；
图4为实施例中利用最近邻搜索方法筛选圆弧段点的示意图。
具体实施方式
一种利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法，标准状态下，如图1所示，圆柱体2垂直设置于安装位置1，线结构光传感器、圆柱体2和安装位置1之间的相对位置固定；线结构光传感器坐标系与全局坐标系之间的转换关系已知；
包括以下步骤：
1)线结构光传感器向圆柱体的侧表面投射线激光，并采集图片；提取图片中的光条图像(如图2/图3所示)，将光条图像上所有点坐标从线结构光传感器坐标系转换到全局坐标系；
2)当圆柱体在标准状态时的轴线与全局坐标系xoy平面垂直时，利用光条圆弧段点坐标拟合圆，求取圆心坐标；再将圆弧段点云z轴的中值作为圆心的z值，得到代表圆柱体位置的坐标；
当圆柱体在标准状态时的轴线与全局坐标系xoy平面不垂直时，预先构建圆柱体坐标系，以标准状态下圆柱体的底面为圆柱体坐标系的xoy平面，同状态下圆柱体的轴线方向为z轴；将光条图像中所有点投影到圆柱体坐标系的xoy平面，利用圆弧段点坐标拟合圆I，求取圆柱体坐标系下的圆I的圆心坐标；利用圆柱体坐标系与全局坐标系之间的旋转平移转换关系，获取圆I的圆心坐标在全局坐标系下的坐标值；将光条直线段部分的点在全局坐标系下的z方向中值作为圆I的圆心z值，得到代表圆柱体位置的坐标。
如图3所示，其中，利用圆弧段点坐标拟合圆的方法为：利用圆弧段点坐标拟合圆的方法为：
①将圆弧段两个端点中任意一点作为种子点；
②依据种子点进行N个最近邻检索，分别计算N个点与种子点之间的距离，判断距离值是否均小于预设值：
③若是，则将这N个点存储，并选择前一次存储点中距种子点最远的点作为新的种子点，继续进行步骤②；
若否，则把各距离值小于预设值的点存储为一段光条段；并在距离值大于预设值的点中选择距离前一种子点最近的点为新的种子点，进行步骤②，把再次满足条件的点存入新的光条段；直至遍历完整个圆弧段，将其分割成N段光条段；
④对比所有光条段，将点云数量大于预设数量(经验值5～30)的光条段记为新的圆弧段点，剔除其他光条段，利用新的圆弧段点进行圆弧拟合。
为了得到连续且准确的圆弧，具体实施时，对新的圆弧段点采用相同方法进行再次筛选，第二次筛选时点与种子点之间距离的预设值大于第一次设置的预设值，把光条段点云数量的占比(光条段点云数量/点云总数量)大于预设值(经验值20％～30％)的光条段作为最终的圆弧段，利用最终的圆弧段点进行圆弧拟合。
具体的，线结构光传感器坐标系与全局坐标系之间的转换关系通过以下方法获得：
a、将标准球摆在至少五个不同位置，且任意四个位置不同面；
b、使用跟踪仪确定各标准球在全局坐标系下的坐标；利用线结构光传感器获取在标准球在其坐标系下的坐标；
c、依据同名点计算线结构光传感器坐标系与全局坐标系之间的旋转、平移转换关系。
圆柱体坐标系与全局坐标系之间的旋转平移转换关系通过以下方法获得：
以圆柱体底面所在平面与全局坐标系x轴的交点为原点，圆柱体底面所在平面与全局坐标系x轴、z轴交点的连线与圆柱体坐标系的x轴方向平行；圆柱体的轴线方向为z轴，依据右手定则确定y轴；通过几何关系，计算获取圆柱体坐标系与全局坐标系之间的旋转平移转换关系。
本发明方案中的圆柱体为销柱、螺柱、螺钉、或圆柱状孔等。
作为一种优选的实施方式，柱体的直径为线结构光传感器中相机视场的1/10～1/2。
使用时，本方法可用于获取位置偏差或调整位姿，具体为：
利用上述方法获取两个或多个代表待测圆柱体位置的坐标，按需计算距离或相对位置，与预设值比对后获得圆柱体位置状态、或位置偏差、或位姿调整方法。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。
Claims (8)
1.一种利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法，标准状态下，所述圆柱体垂直设置于安装位置，所述线结构光传感器、圆柱体和安装位置之间的相对位置固定；所述线结构光传感器坐标系与全局坐标系之间的转换关系已知；
其特征在于，包括以下步骤：
1)所述线结构光传感器向所述圆柱体的侧表面投射线激光，并采集图片；提取所述图片中的光条图像，将光条图像上所有点坐标从线结构光传感器坐标系转换到全局坐标系；
2)当圆柱体在标准状态时的轴线与全局坐标系xoy平面垂直时，利用光条圆弧段点坐标拟合圆，求取圆心坐标；弧段点云z轴的中值作为圆心的z值，得到代表圆柱体位置的坐标；
当圆柱体在标准状态时的轴线与全局坐标系xoy平面不垂直时，预先构建圆柱体坐标系，以标准状态下圆柱体的底面为圆柱体坐标系的xoy平面，同状态下圆柱体的轴线方向为z轴；将光条图像中所有点投影到圆柱体坐标系的xoy平面，利用圆弧段点坐标拟合圆I，求取圆柱体坐标系下的圆I的圆心坐标；利用圆柱体坐标系与全局坐标系之间的旋转平移转换关系，获取圆I的圆心坐标在全局坐标系下的坐标值；将光条直线段部分的点在全局坐标系下的z方向的中值作为圆I的圆心z值，得到代表圆柱体位置的坐标。
2.如权利要求1所述利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法，其特征在于：利用圆弧段点坐标拟合圆的方法为：
①将圆弧段两个端点中任意一点作为种子点；
②依据种子点进行N个最近邻检索，分别计算N个点与种子点之间的距离，判断距离值是否均小于预设值：
③若是，则将这N个点存储，并选择前一次存储点中距种子点最远的点作为新的种子点，继续进行步骤②；
若否，则把各距离值小于预设值的点存储为一段光条段；并在距离值大于预设值的点中选择距离前一种子点最近的点为新的种子点，进行步骤②，把再次满足条件的点存入新的光条段；直至遍历完整个圆弧段，将其分割成N段光条段；
④对比所有光条段，将点云数量大于预设数量的光条段记为新的圆弧段点，剔除其他光条段，利用新的圆弧段点进行圆弧拟合。
3.如权利要求2所述利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法，其特征在于：对新的圆弧段点采用权利要求2中相同方法进行筛选，第二次筛选时点与种子点之间距离的预设值大于第一次设置的预设值，把光条段点云数量/点云总数量大于预设值的光条段作为最终的圆弧段，利用最终的圆弧段点进行圆弧拟合。
4.如权利要求1所述利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法，其特征在于：所述线结构光传感器坐标系与全局坐标系之间的转换关系通过以下方法获得：
a、将标准球摆在至少五个不同位置，且任意四个位置不同面；
b、使用跟踪仪确定各标准球在全局坐标系下的坐标；利用线结构光传感器获取在标准球在其坐标系下的坐标；
c、依据同名点计算线结构光传感器坐标系与全局坐标系之间的旋转、平移转换关系。
5.如权利要求1所述利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法，其特征在于：所述圆柱体坐标系与全局坐标系之间的旋转平移转换关系通过以下方法获得：
以圆柱体底面所在平面与全局坐标系x轴的交点为原点，圆柱体底面所在平面与全局坐标系x轴、z轴交点的连线与圆柱体坐标系的x轴方向平行；圆柱体的轴线方向为z轴，依据右手定则确定y轴；通过几何关系，计算获取圆柱体坐标系与全局坐标系之间的旋转平移转换关系。
6.如权利要求1所述利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法，其特征在于：所述圆柱体为销柱、螺柱、螺钉、或圆柱状孔。
7.如权利要求6所述利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法，其特征在于：所述圆柱体的直径为线结构光传感器中相机视场的1/10～1/2。
8.如权利要求1所述利用线结构光传感器定位圆柱体位置的方法的用途，其特征在于：
利用如权利要求1所述方法获取两个或多个代表待测圆柱体位置的坐标，按需计算距离或相对位置，与预设值比对后获得圆柱体位置状态、或位置偏差、或位姿调整方法。
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