CN111623727A - 一种3d线激光轮廓传感器的快速标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D线激光轮廓传感器的快速标定方法，所述的快速标定方法为：预先加工一块标定块，任意安装3D线激光轮廓传感器后，对标定块进行扫描，扫描1帧，然后从该帧的轮廓信息中提取5个标记点的坐标并计算距离，根据推导的公式就可算出传送带方向与激光平面的垂直方向之间的关系。该发明方法不仅标定速度快，而且大大节省了调节传感器安装位置的时间。另外由于传统的3D线激光轮廓传感器只能正装，导致被扫描物体的局部区域出现盲区，使用该标定方法后，传感器可以任意安装，使想要提取的盲区能够被扫描到，从而提升3D线激光轮廓传感器的应用场景。

Description

一种3D线激光轮廓传感器的快速标定方法

技术领域

本发明涉及3D线激光轮廓传感器在工业自动化产线的应用。具体为一种3D线激光轮廓传感器的快速标定方法。

背景技术

随着工业产线自动化技术完善，待加工零件的结构越来越复杂，为了适应各种加工零件，3D线激光轮廓传感器被广泛应用于提取待加工零件的表面轮廓。通过采到的零件轮廓点云信息，根据需要的加工方式，对点云进行处理并生成加工轨迹，从而提高工业产线的自动化程度。

3D线激光轮廓传感器在扫描过程中，获取每帧扫描到的轮廓信息，然后根据实际的扫描方向和扫描步长来拼接每一帧的轮廓信息，从而得到完整的加工零件点云信息。

3D线激光轮廓传感器一般都是固定安装在传送带的正上方，待加工零件由传送带输送经过激光扫描平面，以编码器的方式记录每一帧的间隔长度，或者安装在伺服移动轴上，通过伺服系统的反馈信号来确定激光扫描平面的位置。传感器测量的每一帧信息之间的步长是很好测量的，可由测量实际的扫描长度除以触发扫描帧数获得。唯一的难点在于如何确定扫描方向，如果扫描方向与拼接方向不一致的话，将会导致拼接后的点云变形失真，从而导致加工误差，甚至是零件报废。

现有的处理扫描方向与拼接方向不一致的问题，一般采用中间调节装置来调节激光平面的3个旋转方向，使之与扫描方向垂直，该过程费时费力，并且需要制作配套的调节装置，从而进一步加大了投入成本。为了解决这一问题，本发明提出了一种快速标定激光平面与扫描方向关系的标定方法，并且3D线激光轮廓传感器可以任意安装。

发明内容

针对上述问题，本发明所要解决的技术问题是3D线激光轮廓传感器任意安装的情况下，如何快速标定3D线激光轮廓传感器坐标系下传送带方向关系的标定方法。

本发明的一种3D线激光轮廓传感器的快速标定方法，预先加工一块标定块，任意安装3D线激光轮廓传感器后，对标定块进行扫描，只需扫描1帧，然后从该帧的轮廓信息中提取5个标记点的坐标并计算距离，根据推导的公式就可算出传送带方向与激光平面的垂直方向之间的关系。

作为本发明的一种3D线激光轮廓传感器与传送带关系的快速标定方法及云点数据补偿，具体步骤如下：

步骤一、首先设计一种可提取三维标记点的标定块，其中P1面、P3面与P2面垂直，AP、BP、CP、DP、OP是5条细线，用来提取与激光平面相交的5个标记点A′、B′、C′、D′、O′,其中OP线与P1面垂直，且与P2面长边平行；ABCD为正方形；

步骤二、将3D线激光轮廓传感器任意方式安装在传送带上方，产生激光平面，保证能扫描到传送带上的物体；将3D线激光轮廓传感器以及编码器连接到电脑，将标定块放置在传送带上进行扫描，且保证P2面长边与传送带方向重合，并让标定块通过光平面时拍一帧获取当前的标定块轮廓，3D线激光轮廓传感器此时要保证五条细线都可以在激光平面下清晰可见，3D线激光轮廓传感器传回5个交点A′、B′、C′、D′、O′的坐标；

步骤三、计算5个交点A′、B′、C′、D′、O′之间的距离，带入推导的方程，便可获取传送带方向在3D线激光轮廓传感器坐标系下的3个余弦值，具体如下：

首先截取PAC平面，并经过O点做A′C′的平行线，便可获得推导模型，PO、AC的长度由加工块确定，A′O′以及C′O′的长度可由3D线激光轮廓传感器获取的坐标点计算得到，由三角关系，可知：

联立这4个方程便可解的：

由于底面ABCD的尺寸已知，则可将传送带的坐标系建立在ABCD平面上，且O点为原点，OP为传送带的正方向，由于QO的长度计算得到了，那么便可在传送带坐标系上计算A″点的坐标，并且OA″的矢量可以计算得到，同理OB″的矢量也可计算得到；

OA″与OB″两矢量叉乘便可获得激光平面的法向矢量方向OC″，并进行归一化处理；以上便是标定了传送带方向在3D线激光轮廓传感器坐标系下的3个余弦值，推导出传送带方向矢量V(dx,dy,dz)，从而实现了快速标定3D线激光轮廓传感器坐标系下传送带方向的标定。

步骤四、

设真实点云点为p(x,y,z)，拼接错误点为p′(x′,y′,z′)，则由传送带方向矢量V来还原p点：

p(x,y,z)＝x’+y’*dx，y’+y’*dy，z’+y’*dz；通过上述公式，遍历整个点云，以此来还原真实的、未变形的点云，以上从3D线激光轮廓传感器获取点云，再到补偿点云，整个计算过程都由计算机软件来协助计算，求得了拼接方向，便可对原始的拼接方向进行补偿，从而获得真实的、无变形的点云数据。

本发明的有益效果：该发明方法不仅标定速度快，而且大大节省了调节传感器安装位置的时间。另外由于传统的3D线激光轮廓传感器只能正装，导致被扫描物体的局部区域出现盲区，使用该标定方法后，传感器可以任意安装，使想要提取的盲区能够被扫描到，从而提升3D线激光轮廓传感器的应用场景。

附图说明

图1是本发明具体实施设计的标定块结构示意图；

图2是本发明具体实施3D线激光轮廓传感器任意方式安装在传送带上方的示意图；

图3为本发明具体实施的求解激光平面与传送带方向关系的简化模型图；

图4为本发明具体实施推导过程中关系换算的模型图。

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。

一种3D线激光轮廓传感器的快速标定方法：

步骤一、首先设计了一种可提取三维标记点的标定块，其结构如图1所示，P1面、P3面与P2面垂直，AP,BP,CP,DP,OP是细线，用来提取与激光平面相交的5个标记点,其中OP线与P1面垂直，且与P2面长边平行；ABCD为正方形。

步骤二、如图2，将3D线激光轮廓传感器任意方式安装在传送带上方，产生激光平面，保证能扫描到传送带上的物体；将3D线激光轮廓传感器以及编码器连接到电脑，将标定块放置在传送带上进行扫描，且保证P2面长边与传送带方向重合，并让标定块通过光平面时拍一帧获取当前的标定块轮廓，3D线激光轮廓传感器此时要保证五条细线都可以在激光平面下清晰可见，3D线激光轮廓传感器传回5个交点A′、B′、C′、D′、O′的坐标。

步骤三、根据图3、图4的模型，进行推导激光平面与传送带方向的求解模型；

首先截取PAC平面，并经过O点做A′C′的平行线，便可获得图4的推导模型，PO、AC的长度由加工块确定了，A′O′以及C′O′可由3D线激光轮廓传感器获取的坐标点计算得到。由图4的三角关系，可知：

联立这4个方程便可解的：

由于底面ABCD的尺寸已知，则可将传送带的坐标系建立在ABCD平面上，且O点为原点，OP为传送带的正方向。由于QO的长度计算得到了，那么便可在传送带坐标系上计算A″点的坐标，并且OA″的矢量可以计算得到。同理OB″的矢量也可计算得到。

OA”与OB”两矢量叉乘便可获得激光平面的法向矢量方向OC”，并进行归一化处理。以上便是标定了激光平面拼接方向在传送带坐标系下的表示。

OC″＝OA″×OB″

以上是实施例推导传送带方向矢量V(dx,dy,dz)的过程。

步骤四、根据上述推导，将步骤一获取的5个坐标点代入上述推导方程，可算得传送带方向矢量V(dx,dy,dz)，接下来对3D线激光轮廓传感器所扫描到的每一帧的点云进行补偿，以此来还原真实，未变形的点云数据。

设真实点云点为p(x,y,z)，拼接错误点为p′(x′,y′,z′)，则由传送带方向矢量V来还原p点：

p(x,y,z)＝x’+y’*dx，y’+y’*dy，z’+y’*dz；通过上述公式，遍历整个点云，以此来还原真实的、未变形的点云，以上从3D线激光轮廓传感器获取点云，再到补偿点云，整个计算过程都由计算机软件来协助计算。

通过软件触发3D线激光轮廓传感器拍照，此时要保证五条细线都可以在激光平面下清晰可见，由传感器返回5条细线与激光光平面的5个交点的坐标：

A′(-53.07，0，47.62)、B′(-61.05，0，-63.30)、C′(60.85，0，-59.66)、D′(52.01，0，46.52)、O′(0.54，0，-1.85)。

根据图三、图四的模型，进行推导激光平面与传送带方向的求解模型：

首先截取PAC平面，并经过O点做A′C′的平行线，便可获得图四的推导模型，PO、AC的长度由加工块确定了，A′O′以及C′O′可由3D线激光轮廓传感器获取的坐标点计算得到。由图四的三角关系，可知：

联立这4个方程便可解的：

由于底面ABCD的尺寸已知，则可将传送带的坐标系建立在ABCD平面上，且O点为原点，OP为传送带的正方向。由于QO的长度计算得到了，那么便可在传送带坐标系上计算A″(-116.14，97.28，43.50)点的坐标，并且OA″的矢量可以计算得到：

OA″＝(-116.14，-97.28，43.50)；

同理OB″的矢量也可计算得到：

OB″＝(143.41，-132.90，48.75)；

OA″与OB″两矢量叉乘便可获得垂直于激光平面的矢量方向：

其中dx、dy、dz为方向矢量V在激光平面坐标系下的方向余弦。

以一点为例，通过3D线激光轮廓传感器及编码器获得的坐标为p′(80,10,100)，则由传送带方向矢量V来还原p点：

p(x,y,z)＝(80+10*0.0327464，10+10*0.37515，100+10*0.926385)＝(80.327464,13.7515,109.26385)；

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 (3)

1.一种3D线激光轮廓传感器的快速标定方法，其特征在于：所述的快速标定方法为：预先加工一块标定块，任意安装3D线激光轮廓传感器后，对标定块进行扫描1帧，然后从该帧的轮廓信息中提取5个标记点的坐标并计算距离，计算出传送带方向与激光平面的垂直方向之间的关系，实现快速标定。

2.根据权利要求1所述的一种3D线激光轮廓传感器的快速标定方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、首先设计一种可提取三维标记点的标定块，其中P1面、P3面与P2面垂直，AP、BP、CP、DP、OP是5条细线，用来提取与激光平面相交的5个标记点A′、B′、C′、D′、O′,其中OP线与P1面垂直，且与P2面长边平行；ABCD为正方形；

步骤二、将3D线激光轮廓传感器任意方式安装在传送带上方，产生激光平面，保证能扫描到传送带上的物体；将3D线激光轮廓传感器以及编码器连接到电脑，将标定块放置在传送带上进行扫描，且保证P2面长边与传送带方向重合，并让标定块通过光平面时拍一帧获取当前的标定块轮廓，3D线激光轮廓传感器此时要保证五条细线都可以在激光平面下清晰可见，3D线激光轮廓传感器传回5个交点A′、B′、C′、D′、O′的坐标；

步骤三、计算5个交点A′、B′、C′、D′、O′之间的距离，带入推导的方程，便可获取传送带方向在3D线激光轮廓传感器坐标系下的3个余弦值，具体如下：

首先截取PAC平面，并经过O点做A′C′的平行线，便可获得推导模型，PO、AC的长度由加工块确定，A′O′以及C′O′的长度可由3D线激光轮廓传感器获取的坐标点计算得到，由三角关系，可知：

联立这4个方程便可解的：

由于底面ABCD的尺寸已知，则可将传送带的坐标系建立在ABCD平面上，且O点为原点，OP为传送带的正方向，由于QO的长度计算得到了，那么便可在传送带坐标系上计算A″点的坐标，并且OA″的矢量可以计算得到，同理OB″的矢量也可计算得到；

OA″与OB″两矢量叉乘便可获得激光平面的法向矢量方向OC″，并进行归一化处理；以上便是标定了传送带方向在3D线激光轮廓传感器坐标系下的3个余弦值，推导出传送带方向矢量V(dx,dy,dz)，从而实现了快速标定3D线激光轮廓传感器坐标系下传送带方向的标定。

3.根据权利要求2所述的一种3D线激光轮廓传感器的云点数据快速补偿方法，其特征在于：具体步骤如下：

实现了快速标定激光平面与传送带方向关系的标定后，对3D线激光轮廓传感器所扫描到的每一帧的点云进行补偿，以此来还原真实、未变形的点云数据，具体如下：

设真实点云点为p(x,y,z)，拼接错误点为p′(x′,y′,z′)，则由传送带方向矢量V来还原p点：

p(x,y,z)＝x’+y’*dx，y’+y’*dy，z’+y’*dz；

通过上述公式，遍历整个点云，以此来还原真实的、未变形的点云，以上从3D线激光轮廓传感器获取点云，再到补偿点云，整个计算过程都由计算机软件来协助计算，求得了拼接方向，便可对原始的拼接方向进行补偿，从而获得真实的、无变形的点云数据。

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