CN111355894B - 一种新型自标定激光扫描投影系统 - Google Patents

一种新型自标定激光扫描投影系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型自标定激光扫描投影系统，包括图像采集装置、二维转台装置、激光扫描投影仪、被投影目标物体、环境光源以及上位机控制器；激光扫描投影仪上安装有多个一号合作目标；被投影目标物体上安装有多个二号合作目标；图像采集装置安装在二维转台装置上，通过旋转二维转台装置，图像采集装置分别对被投影目标物体和激光扫描投影仪进行图像采集和数据存储；上位机控制器同时与图像采集装置、二维转台装置、激光扫描投影仪、被投影目标物体以及环境光源控制连接。本发明能够高效激光扫描投影，不需要采用人工引导方式完成位姿关系的转换和校准。

Description

一种新型自标定激光扫描投影系统
技术领域
本发明属于先进光电测试仪器领域，尤其涉及一种新型自标定激光扫描投影系统，具体应用于先进制造装配领域中的智能辅助装配定位等。
背景技术
激光扫描投影仪主要应用于先进智能制造装配领域，该仪器可依据待加工或待装配零部件的三维CAD数模驱动双轴扫描振镜进行高精度偏转，使激光器出射的光线被快速转折，从而在三维空间中的目标投影位置处显示出由激光光线快速循环扫描形成的零部件外形轮廓线框。该激光轮廓线框明亮、清晰可见，并能够准确地显示在零部件待安装或加工的空间三维位置上。利用激光扫描投影仪器的这一特性，能够解决技术操作人员在制造装配现场难于找出精准参考位置的重要难题，使原本仅标记于CAD数模图纸上的相关制造装配信息更直观、准确、实用地呈现于制造装配现场的目标操作位置，有效地将CAD数模与制造、装配工艺衔接起来，从而实现智能化的辅助加工和装配指导。
在进行投影操作前，需要建立投影仪器与被投影目标物体间准确的坐标转换关系，才能将CAD数模中任意点或任意坐标值转换为双轴振镜的转角值，进而控制双轴振镜完成对应角度的偏转，最后在被投影目标物体的准确位置上扫描投影出CAD数模中零部件的准确形状。
现阶段的激光扫描投影技术大多需要通过键盘、鼠标或遥控器等装置控制激光光束的偏转，将激光扫描光束引导至被投影目标物体附近，再控制激光扫描投影系统对至少六个合作目标进行扫描标定，依次对合作目标完成扫描后，方可建立起投影仪器与被投影目标物体间的坐标转换关系。该标定操作耗时长、操作复杂、降低装配效率以及产品质量。
更严重的问题是，当被投影目标物体发生了位姿关系的转变，需要人为介入再次使用遥控装置对合作目标进行上述引导和标定过程，重新建立激光扫描投影仪器与被投影目标物体间的坐标转换关系。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种新型自标定激光扫描投影系统，能够实现快速高效的激光扫描投影，不再需要采用人工引导的方式完成位姿关系的转换和校准；若激光投影系统与被投影物体的相对位置发生改变，可快速、自动地重新建立激光投影系统和被投影物体之间的位姿转换关系。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种新型自标定激光扫描投影系统，包括图像采集装置、二维转台装置、激光扫描投影仪、被投影目标物体、环境光源以及上位机控制器；
激光扫描投影仪上安装有多个合作目标，将激光扫描投影仪上安装的合作目标定义为一号合作目标；
被投影目标物体上安装有多个合作目标，将被投影目标物体上安装的合作目标定义为二号合作目标；
图像采集装置安装在二维转台装置上，通过旋转二维转台装置，图像采集装置分别对被投影目标物体和激光扫描投影仪进行图像采集和数据存储；
上位机控制器同时与图像采集装置、二维转台装置、激光扫描投影仪、被投影目标物体以及环境光源控制连接。
进一步地，所述上位机控制器控制二维转台装置旋转并对其旋转方向及旋转角度数据进行储存，上位机控制器控制数据采集装置分别对被投影目标物体和激光扫描投影仪进行图像采集并进行数据存储，根据采集的数据进行激光扫描投影仪与被投影目标物体的坐标转换关系的解算、建立和自动标定。
进一步地，所述环境光源可同时辐射所有一号合作目标和二号合作目标。
进一步地，所述图像采集装置的图像采集范围应能够覆盖被投影目标物体及二号合作目标所在的范围，并且能够覆盖激光扫描投影仪和一号合作目标所在的范围。
进一步地，所述图像采集装置为光学相机，光学相机上设有镜头。
本发明带来的技术效果和优点：本发明通过二维转台装置带动图像采集装置转动，先后采集被投影目标物体及激光扫描投影仪的图像信息，并通过上位控制器进行全程控制和计算，能够实现快速高效的激光扫描投影，不再需要采用人工引导的方式完成位姿关系的转换和校准。若激光投影系统与被投影目标物体的相对位置发生改变，可快速、自动地重新建立激光投影系统和被投影目标物体之间的位姿转换关系。
附图说明
图1是本发明实施例1所述的一种新型自标定激光扫描投影系统组成原理图；
图2是本发明实施例2所述的一种新型自标定激光扫描投影系统的自标定方法流程图。
图中：1-光学相机；2-镜头；3-双轴转台；4-环境光源；5-激光扫描投影仪；6-一号合作目标；7-被投影目标物体；8-二号合作目标；9-计算机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，本发明公开了一种新型自标定激光扫描投影系统，下面将结合附图对本发明公开的实施方式进一步详细描述。以下结合实施例和附图对本发明的保护范围不构成任何限制，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而不能对本发明的保护范围构成任何限制，所包含在本发明的发明宗旨范围内的、合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
一种新型自标定激光扫描投影系统，包括：图像采集装置、二维转台装置、激光扫描投影仪、被投影目标物体、环境光源以及上位机控制器；
激光扫描投影仪上安装有多个合作目标，将激光扫描投影仪上安装的合作目标定义为一号合作目标；
被投影目标物体上安装有多个合作目标，将被投影目标物体上安装的合作目标定义为二号合作目标；
图像采集装置安装在二维转台装置上，通过旋转二维转台装置，图像采集装置分别对被投影目标物体和激光扫描投影仪进行图像采集和数据存储；
上位机控制器同时与图像采集装置、二维转台装置、激光扫描投影仪、被投影目标物体以及环境光源控制连接，上位机控制器控制二维转台装置旋转并对其旋转方向及旋转角度数据进行储存，上位机控制器控制数据采集装置分别对被投影目标物体和激光扫描投影仪进行图像采集并进行数据存储，根据采集的数据进行坐标转换关系的推导，完成激光扫描投影仪和被投影目标物体的坐标转换关系的自动标定；上位机控制器控制环境光源的闪耀辐射；上位机控制器控制激光扫描投影仪对被投影目标物体的投影。
所述图像采集装置为光学相机1，光学相机1上设有镜头2。
环境光源4位于可同时辐射所有一号合作目标6和二号合作目标8的位置处，或安装于光学相机1上。
光学相机1的拍摄视场应能够覆盖被投影目标物体7及二号合作目标8所在的范围，并且能够覆盖激光扫描投影仪5和一号合作目标6所在的范围。上位机控制器控制环境光源4辐射红外波段光线，闪耀照亮激光扫描投影仪5及一号合作目标6或被投影目标物体7及二号合作目标8。
完成激光扫描投影仪和被投影目标物体的坐标转换关系的解算、建立和自动标定包括：上位控制器对图像采集装置与二维转台装置组成的整体进行初始图像采集装置坐标系的建立；上位机控制器控制图像采集装置对被投影目标物体以及被投影目标物体坐标系下的所有二号合作目标进行拍摄，解算得出初始位置处(第一次拍摄位置处)图像采集装置坐标系与被投影目标物体坐标系的空间位姿变换关系；上位控制器控制二维转台装置转动，并建立旋转后的图像采集装置坐标系；上位机控制器对激光扫描投影仪以及激光扫描投影仪坐标系下所有一号合作目标进行拍摄，解算得出新位置处(第二次拍摄位置处)图像采集装置坐标系与激光扫描投影仪坐标系的空间位姿变换关系；上位控制器解算初始位置处图像采集坐标系与新位置处图像采集坐标系的转换关系，最后建立被投影目标物体坐标系与激光扫描投影仪坐标系的空间位置变换关系。
一种新型自标定激光扫描投影方法，包括以下步骤：
步骤一、对激光扫描投影仪和被投影目标物体之间的坐标转换关系进行标定，包括如下步骤：
S1.标定第一次拍摄位置处的图像采集装置坐标系以及被投影目标物体坐标系：
将图像采集装置和双轴转台装置作为一个整体，将其坐标系标定为第一次拍摄位置处的图像采集装置坐标系；将被投影目标物体的坐标系标定为被投影目标物体坐标系；
S2.图像采集装置采集二号合作目标图像，并标定第一图像采集装置坐标系(第一次拍摄位置处的图像采集装置坐标系)与被投影目标物体坐标系的坐标转换关系：
第一次拍摄位置处的图像采集装置对被投影目标物体上的二号合作目标进行图像获取，通过粒子群算法等解算出第一图像采集装置坐标系至被投影目标物体坐标系的旋转矩阵R1和平移矩阵T1，得到以下关系式：
Figure BDA0002449519010000051
其中，(x1,y1,z1)为第一图像采集装置坐标系下二号合作目标的三维坐标值，(X1,Y1,Z1)为被投影目标物体坐标系下二号合作目标的三维坐标值，R1和T1分别为第一次拍摄位置处的图像采集装置坐标系变换到被投影目标物体坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；
S3.转动双轴转台装置，标定第二图像采集装置坐标系(第二次拍摄位置处的图像采集装置坐标系)及激光扫描投影仪坐标系：
转动双轴转台装置，将旋转角度记为θ，将转动后的图像采集装置坐标系标定为第二图像采集装置坐标系；将激光扫描投影仪的坐标系标定为激光扫描投影仪坐标系；
S4.图像采集装置采集一号合作目标图像，并标定第二图像采集装置坐标系与激光扫描投影仪坐标系的坐标变化关系：
图像采集装置对激光扫描投影仪上的一号合作目标进行图像获取，通过粒子群算法解算出第二图像采集装置坐标系至激光扫描投影仪坐标系的旋转矩阵R2和平移矩阵T2，得到的以下关系式：
Figure BDA0002449519010000061
其中，(x2,y2,z2)为第二图像采集装置坐标系下一号合作目标的三维坐标值，(X2,Y2,Z2)为激光扫描投影仪坐标系下一号合作目标的三维坐标值，R2和T2分别为第二图像采集装置坐标系变换到激光扫描投影仪坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；
S5.解算第一图像采集装置坐标系和第二图像采集装置坐标系的坐标转换关系：
第一图像采集装置坐标系和第二图像采集装置坐标系的转换关系如下式所示：
Figure BDA0002449519010000062
其中，(x3,y3,z3)为第一拍摄位置处的图像采集装置坐标系下的三维坐标值，(x4,y4,z4)为第二次拍摄位置处的图像采集装置坐标系下的三维坐标值，R3和T3分别为第一图像采集装置坐标系变换到第二图像采集装置坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；
S6.标定激光扫描投影仪坐标系与被投影目标物体坐标系的坐标转换关系：
建立激光扫描投影仪坐标系和被投影目标物体坐标系的坐标转换关系的数学模型，并对其进行解算，求解出激光扫描投影仪坐标系和被投影目标物体坐标系的坐标转换关系，如下式所示：
Figure BDA0002449519010000063
其中，(X1,Y1,Z1)为被投影目标物体坐标系下二号合作目标8的三维坐标值；(X3,Y3,Z3)为激光扫描投影仪坐标系下二号合作目标的三维坐标值；R3和T3分别为第一图像采集装置坐标系和第二图像采集装置坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵；R2和T2分别为第二图像采集装置坐标系到激光扫描投影仪坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；R1和T1分别为第一图像采集装置坐标系到被投影目标物体坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；
步骤二、激光扫描投影仪依据步骤一标定的坐标转换关系，得出被投影目标物体上二号合作目标在激光扫描投影仪坐标系中分别对应的两个转角值；
步骤三、依据上述各合作目标对应的两个转角值，设置水平方向和垂直方向的自主寻的搜索范围，从而实现被投影目标物体上二号合作目标的自主搜索扫描；
步骤四、完成合作目标的自主寻的扫描后，即完成了激光扫描投影仪与被投影目标物体间位姿转换关系的建立，激光扫描投影仪器读取待投影零部件的CAD数学模型，然后双轴振镜将激光光束不断循环地偏转扫描，在被投影目标物体上形成待装配零件的轮廓线框图形，从而完成待投影零部件的激光扫描投影。
实施例1
如图1，在实施例中，一种新型自标定激光扫描投影系统，具体包括：光学相机1、双轴转台3、环境光源4、激光扫描投影仪5、一号合作目标6、被投影目标物体7、二号合作目标8、计算机9，光学相机1上安装有镜头2。
在本实施例中，被投影目标物体7指最终承接投影图形的物体，例如：假设要将汽车底盘上的某个零部件安装在底盘上，底盘即被投影目标物体，需要激光扫描投影仪在底盘上投影出该零部件的位置和形状。
在本实施例中，光学相机1的坐标系为C-XYZ，镜头2安装于其上，光学相机1与双轴转台3连接，双轴转台3带动光学相机1旋转，分别对激光扫描投影仪5和被投影目标物体7进行拍摄，并将光学相机1和双轴转台3作为整体进行位姿转换关系的标定；
激光扫描投影仪5上安装有至少4个一号合作目标6，激光扫描投影仪5的坐标系为P-XYZ；被投影目标物体7上安装有至少5个二号合作目标8，被投影目标物体7的坐标系为O-XYZ；
环境光源4位于可辐射所有一号合作目标6和二号合作目标8的位置处，或安装于光学相机1上；
计算机9首先控制安装有光学相机1的双轴转台3实现双轴旋转，使光学相机1指向被投影目标物体7，并存储当前双轴转台3的转角值；光学相机1的拍摄视场应覆盖被投影目标物体7和二号合作目标8所在的范围。计算机9控制环境光源4辐射红外波段光线，闪耀照亮被投影目标物体7上的二号合作目标8；计算机9控制光学相机1对被投影目标物体7进行拍摄，并获取被投影目标物体7上所安装的二号合作目标8的相对位置关系，将其图像存储于计算机9中；计算机9可通过现有通用的单目视觉位姿解算方法得出光学相机1的C-XYZ坐标系与被投影目标物体7的O-XYZ坐标系间的位姿转换矩阵。
然后，计算机9控制双轴转台3完成双轴旋转，将光学相机1指向激光扫描投影仪5，并存储当前双轴转台3的转角值；光学相机1的拍摄视场应覆盖激光扫描投影仪5和一号合作目标6所在的范围。计算机9控制环境光源4辐射红外波段光线，闪耀照亮激光扫描投影仪5和投影仪器合作目标6；计算机9再控制光学相机1对激光扫描投影仪5进行拍摄，并获取激光扫描投影仪5上所安装一号合作目标6的相对位置关系，将其图像存储于计算机9中。
计算机9能够控制光学相机1完成图像拍摄和图像存储，能够控制环境光源4的闪耀辐射，能够控制双轴转台3完成双轴旋转并存储转角位置信息，还能够基于上述数据完成位置和姿态的解算等。
利用计算机中存储的两组双轴转台3的转角值；摄激光扫描投影仪5与一号合作目标6的相对位置关系图像和位姿转换矩阵；被投影目标物体7与二号合作目标8的相对位置关系图像和位姿转换矩阵；通过本发明中公开应用于激光扫描投影技术的自标定方法，计算得出激光扫描投影仪5的P-XYZ坐标系与被投影目标物体7的O-XYZ坐标系间的位姿转换关系。
实施例2
本发明提供一种新型自标定激光扫描投影方法，包括如下步骤：
步骤一、对激光扫描投影仪和被投影目标物体之间的坐标转换关系进行标定，如图2所示，包括如下步骤：
S1.将光学相机1和双轴转台3作为一个整体，将其坐标系标定为光学相机坐标系C1-XYZ；将被投影目标物体7的坐标系标定为被投影目标物体坐标系O-XYZ；
S2.光学相机1对被投影目标物体7上的二号合作目标8进行图像获取，通过粒子群算法解算出C1-XYZ和O-XYZ的旋转矩阵R1和平移矩阵T1，并得到以下关系式：
Figure BDA0002449519010000091
其中，(x1,y1,z1)为光学相机坐标系C1-XYZ下二号合作目标8的三维坐标值，(X1,Y1,Z1)为被投影目标物体坐标系O-XYZ下二号合作目标8的三维坐标值，R1和T1分别为光学相机坐标系C1-XYZ变换到被投影目标物体坐标系O-XYZ的旋转矩阵和平移矩阵；
各二号合作目标8在被投影目标物体坐标系O-XYZ下的三维坐标值是通过工艺加工预设或经测量标定的；
S3.转动双轴转台3，将旋转角度记为θ，将此时的光学相机坐标系标定为C2-XYZ；将激光扫描投影仪5的坐标系标定为激光扫描投影仪坐标系P-XYZ；
S4.光学相机1对激光扫描投影仪上的一号合作目标6进行图像获取，通过粒子群算法解算出光学相机坐标系C2-XYZ至激光扫描投影仪坐标系P-XYZ的旋转矩阵R2和平移矩阵T2，并得到的以下关系式：
Figure BDA0002449519010000092
其中，(x2,y2,z2)为光学相机坐标系C2-XYZ下一号合作目标的三维坐标值，(X2,Y2,Z2)为激光扫描投影仪坐标系P-XYZ下一号合作目标的三维坐标值，R2和T2分别为光学相机坐标系C2-XYZ变换到激光扫描投影仪坐标系P-XYZ的旋转矩阵和平移矩阵；
各一号合作目标在激光扫描投影仪坐标系P-XYZ下的精准三维坐标值，可通过激光跟踪仪的测量获得；
S5.光学相机坐标系C1-XYZ和光学相机坐标系C2-XYZ的转换关系如下式所示：
Figure BDA0002449519010000101
其中，(x3,y3,z3)为第一拍摄位置处的图像采集装置坐标系下的三维坐标值，(x4,y4,z4)为第二次拍摄位置处的图像采集装置坐标系下的三维坐标值，R3和T3分别为光学相机坐标系C1-XYZ变换到光学相机坐标系C2-XYZ之间的旋转矩阵和平移矩阵；
S6.建立激光扫描投影仪4和被投影目标物体6的坐标转换关系的数学模型，并对其进行解算，求解出激光扫描投影仪4和被投影目标物体6的坐标转换关系，如下式所示：
Figure BDA0002449519010000102
其中，(X1,Y1,Z1)为被投影目标物体坐标系O-XYZ下二号合作目标8的三维坐标值；(X3,Y3,Z3)为激光扫描投影仪坐标系P-XYZ下二号合作目标的三维坐标值；R3和T3分别为光学相机坐标系C1-XYZ变换到光学相机坐标系C2-XYZ之间的旋转矩阵和平移矩阵；R2和T2分别为光学相机坐标系C2-XYZ变换到激光扫描投影仪坐标系P-XYZ的旋转矩阵和平移矩阵；R1和T1分别为光学相机坐标系C1-XYZ变换到被投影目标物体坐标系O-XYZ的旋转矩阵和平移矩阵；
步骤二、激光扫描投影仪依据上述获取的坐标转换关系，得出被投影目标物体上各二号合作目标在激光扫描投影仪坐标系中的两个转角值；
步骤三、依据上述两个转角值，设置水平方向和垂直方向的自主寻的搜索范围，从而实现被投影目标物体上多个二号合作目标的自主搜索扫描；
步骤四、完成合作目标的自主寻的扫描后，即完成了激光扫描投影仪与被投影目标物体间位姿转换关系的建立，激光扫描投影仪器读取待投影零部件的CAD数学模型，然后双轴振镜将激光光束不断循环地偏转扫描，在被投影目标物体上形成待装配零件的轮廓线框图形，从而完成待投影零部件的激光扫描投影。
以上所述，仅为本发明揭露的技术范围内，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种新型自标定激光扫描投影系统，其特征在于，包括图像采集装置、二维转台装置、激光扫描投影仪、被投影目标物体、环境光源以及上位机控制器；
激光扫描投影仪上安装有多个合作目标，将激光扫描投影仪上安装的合作目标定义为一号合作目标；
被投影目标物体上安装有多个合作目标，将被投影目标物体上安装的合作目标定义为二号合作目标；
图像采集装置安装在二维转台装置上，通过旋转二维转台装置，图像采集装置分别对被投影目标物体和激光扫描投影仪进行图像采集和数据存储；
上位机控制器同时与图像采集装置、二维转台装置、激光扫描投影仪、被投影目标物体以及环境光源控制连接；
所述环境光源可同时辐射所有一号合作目标和二号合作目标；
所述图像采集装置的图像采集范围应能够覆盖被投影目标物体及二号合作目标所在的范围，并且能够覆盖激光扫描投影仪和一号合作目标所在的范围；
所述上位机控制器控制二维转台装置旋转并对其旋转方向及旋转角度数据进行储存；上位机控制器控制数据采集装置分别对被投影目标物体和激光扫描投影仪进行图像采集并进行数据存储，根据采集的数据进行激光扫描投影仪与被投影目标物体的坐标转换关系的解算、建立和自动标定，且在解算坐标转换关系时采用粒子群算法；
所述激光扫描投影仪与被投影目标物体的坐标转换关系的解算具体过程为：二维转台装置能够旋转角度θ；安置于双轴转台装置上的图像采集装置分别采集双轴转台装置转动前后的二号合作目标图像和一号合作目标图像，将数据采集装置第一次拍摄位置处的图像采集装置坐标系定义为第一图像采集装置坐标系，将数据采集装置第二次拍摄位置处的图像采集装置坐标系定义为第二图像采集装置坐标系；解算得出第一图像采集装置坐标系变换到第二图像采集装置坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵；将上述旋转矩阵和平移矩阵作为中间过渡转换矩阵，即求解得出激光扫描投影仪坐标系和被投影目标物体坐标系的坐标转换关系。
2.如权利要求1所述的一种新型自标定激光扫描投影系统，其特征在于，所述图像采集装置为光学相机，光学相机上设有镜头。
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