CN112045682B - 一种固态面阵激光安装的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态面阵激光安装的标定方法，包括步骤：(1)在机械臂上固定安装固态面阵激光，在相对机械臂基座的已知坐标位置上放置靶标；(2)获取靶标上的特征点在固态面阵激光坐标系下的坐标；(3)根据固态面阵激光在机械臂上的安装参数得到固态面阵激光坐标系与机械臂末端坐标系之间的变换关系，得到靶标上的特征点在机械臂末端坐标系下的实际坐标；(4)得到靶标上的特征点在机械臂末端坐标系下的理论坐标；(5)将靶标上的特征点在机械臂末端坐标系下的实际坐标与理论坐标进行对比。本发明只需要一块标定板，时间快，不需要现场搭建固定场景，可以获取机器人手臂和激光相机的安装偏差并克服，达到机械臂和激光相机坐标系的对齐。

Description

一种固态面阵激光安装的标定方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种固态面阵激光安装的标定方法。

背景技术

空中带电作业机器人是能在高空配网线路进行带电作业的机器人，通过远程操控策略，以代替人工完成带电作业。与传统人工带电作业方式相比，杜绝了人身安全风险，作业效率提升一倍，而且全过程实现人与电的物理隔绝，有效提升了带电作业质量和效率。带电作业机器人在空中作业过程中，需要对周围特定的电线、瓷瓶、电杆等物体实现有效感知，快速准确获取周围环境的点云模型，能够为后续一系列操作提供支撑。现有技术中，采用激光雷达进行带电作业机器人周围环境的点云建模。

激光雷达是通过发射激光和接收激光来进行测距的系统，其工作原理是：光源驱动模块驱动光发射器发出光信号，该光信号在传播过程中遇到障碍物即被反射和散射，光接收器接收到反射或散射的光信号后，信号处理模块对发射光和接收光进行比较，作适当处理后，获得雷达到障碍物的相对距离。

现有的模式是将激光相机固定到机械臂末端，建立激光相机坐标系和机械臂末端坐标系的相互位置关系，如果需要也可以根据机械臂末端与机器人(机械臂)坐标系建立转换关系。但是由于安装误差和传感器本身的偏差，每台机器上安装的固态面阵激光与机器人坐标之间的关系，都和机械结构参数存在一定的偏差。所以要对每一台机器进行手眼标定。

发明内容

发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种固态面阵激光安装的标定方法，可以快速获取固态面阵激光相机在机械臂坐标系下的安装位置参数，获取机器人手臂和激光相机的安装偏差并克服，达到机械臂和激光相机坐标系的对齐。

技术方案：

一种固态面阵激光安装的标定方法，包括步骤：

(1)在机械臂上固定安装固态面阵激光，在相对机械臂基座的已知坐标位置上放置靶标，在靶标上设有若干特征点；

(2)通过机械臂控制固态面阵激光运动，并通过固态面阵激光获取靶标上的特征点在固态面阵激光坐标系下的坐标；

(3)根据固态面阵激光在机械臂上的安装参数得到固态面阵激光坐标系与机械臂末端坐标系之间的变换关系，进而将靶标上的特征点在固态面阵激光坐标系下的坐标变换到机械臂末端坐标系下，得到靶标上的特征点在机械臂末端坐标系下的实际坐标；

(4)根据靶标相对机械臂基座的已知坐标位置，得到靶标在机械臂末端坐标系下的理论坐标；

(5)将靶标在机械臂末端坐标系下的实际坐标与靶标在机械臂末端坐标系下的理论坐标进行对比标定。

所述靶标采用黑白棋盘网格靶标，其上设有至少四个棋盘网格点作为特征点。

更具体地：

(1)在相对机械臂基座的已知坐标的不同位置处放置靶标；

(2)分别通过机器人机械臂运动控制安装其上的固态面阵激光根据不同位置靶标，按照设定的角度和位置运动至指定位置，通过标定固态面阵激光内参的模式获取不同位置处的靶标上的特征点在其相对应姿态下固态面阵激光坐标系下的坐标；

(3)根据固态面阵激光在机械臂上的安装参数得到固态面阵激光坐标系与机械臂末端坐标系之间的变换关系，进而把靶标上的特征点在固态面阵激光坐标系下的坐标转换到机械臂末端坐标系下，得到不同位置处的靶标上的特征点在机械臂末端坐标系下的实际坐标；

(4)根据不同位置处的靶标相对机器人机械臂基座的已知坐标位置，得到不同位置处的靶标上的特征点在机械臂末端坐标系下的理论坐标；

(5)将步骤(3)得到的不同位置处的靶标上的特征点在机械臂末端坐标系下的实际坐标与步骤(4)得到的不同位置处的靶标上的特征点在机械臂末端坐标系下的理论坐标进行对比，确定固态面阵激光是否安装正确。

所述步骤(5)中，采用深度图进行对比标定，并滤除误差。

所述靶标固定安装在机械臂末端。

具体为：

(1)根据机械安装参数得到靶标上的特征点在机械臂末端坐标系的坐标，得到固态面阵激光相对于机械臂末端的理论坐标关系RT_{Camera_Flange}’；

(2)通过靶标在固态面阵激光坐标系下的坐标，得到靶标相对于固态面阵激光的计算参数RT_{Calibration__Camera}；

(3)根据靶标安装在机械臂末端上的位置得到靶标相对于机械臂末端的计算参数为RT_{Calibration_Flange}，其中RT_{Calibration_Flange}为靶标变换到机械臂末端的移动变换参数，可以得到：

RT_{Camera_Flange}＝RT_{Calibration_Flange}＊RT_{Calibration_Camera} ^-1

其中，RT_{Camera_Flange}是固态面阵激光相对于机械臂末端的实际坐标关系；

(4)将固态面阵激光相对于机械臂末端的实际坐标关系RT_{Camera_Flange}与根据固态面阵激光的安装位置得到其相对于机械臂末端的理论坐标关系RT_{Camera_Flange}’进行对比，即二者之间的姿态角的差值及三轴偏移Diff_{Camera_Flange}＝RT_{Camera_Flange}’＊RT_{Camera_Flange} ^-1，若误差小于阈值则正确，可使用标定的RT_{Camera_Flange}参数，即固态面阵激光安装正确；若偏差过大视为安装错误，需要重新检查安装件。

阈值的设置具体为：滚动角差值Diff_{Camera_Flange}(Roll)、俯仰角差值Diff_{Camera_Flange}(Pitch)、偏航角差值Diff_{Camera_Flange}(Yaw)均设为0.03弧度，X轴偏移Diff_{Camera_Flange}(X)、Y轴偏移Diff_{Camera_Flange}(Y)、Z轴偏移Diff_{Camera_Flange}(Z)均设为0.02m。

有益效果：本发明只需要一块标定板，时间快，不需要现场搭建固定场景；可以快速获取固态面阵激光相机在机械臂坐标系下的安装位置参数，获取机器人手臂和激光相机的安装偏差并克服，达到机械臂和激光相机坐标系的对齐。

附图说明

图1为借鉴传统方法的固态面阵激光标定方法的安装示意图。

图2为本发明另一实施例的固态面阵激光安装的标定方法的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

本发明参考双目视觉和机械臂手眼标定的传统方法采用固定靶标标定方式，如图1所示，本发明固态面阵激光安装的标定方法包括安装在机器人机械臂上的固态面阵激光以及放置在相对机器人机械臂基座的已知坐标位置的靶标。在本发明中，靶标采用黑白棋盘网格靶标，其上设有至少四个棋盘网格点。

本发明的固态面阵激光安装的标定方法步骤如下：

(1)在标定时，将靶标放置到相对机械臂基座的已知坐标的不同位置处，并且明确棋盘网格相对机械臂末端坐标系的位姿，即确定在机械臂末端坐标系下的靶标上的网格坐标；

(2)根据靶标放置的位置，通过机器人机械臂运动控制安装其上的固态面阵激光根据不同位置靶标，按照设定的角度和位置运动至指定位置，通过标定固态面阵激光内参的模式获取不同位置处的靶标在其相对应姿态下固态面阵激光坐标系下的坐标。

(3)根据固态面阵激光在机械臂上的安装参数得到固态面阵激光坐标系与机械臂末端坐标系之间的变换关系，进而把靶标在固态面阵激光坐标系下的坐标转换到机械臂末端坐标系下，得到不同位置处的靶标在机械臂末端坐标系下的实际坐标；

(4)根据不同位置处的靶标相对机器人机械臂基座的已知坐标位置，得到不同位置处的靶标在机械臂末端坐标系下的理论坐标；

(5)将步骤(3)得到的不同位置处的靶标在机械臂末端坐标系下的实际坐标与步骤(4)得到的不同位置处的靶标在机械臂末端坐标系下的理论坐标进行对比，确定固态面阵激光是否安装正确。

本实施例使用多角度多点位的IR图(灰度图)标定，需要机械臂配合联动标定，标定过程相对复杂，但是标定精度最高，而且可以通过多维度的深度图滤除掉误差。

在本发明中，还提供了一种另一种实施例的固态面阵激光安装的标定系统，如图2所示，本发明另一实施例的固态面阵激光安装的标定系统包括安装在机器人机械臂上的固态面阵激光以及固定安装在机械臂末端上的靶标。

在本发明中，靶标采用黑白棋盘网格靶标。

本发明另一实施例的固态面阵激光安装的标定方法在标定时，根据靶标固定安装在机械臂末端上可以得到靶标相对于机械臂末端坐标系的坐标。

具体如下：

已知条件：根据固态面阵激光的理论安装位置可以得到固态面阵激光相对于机械臂末端的理论坐标关系RT_{Camera_Flange}’。

实现流程：固态面阵激光在机械臂上安装完成后，在合适的积分时间下，调用SDK的串口命令抓一张靶标的深度图和IR图，通过靶标多个棋盘格特征点在固态面阵激光坐标系下的坐标，得到靶标相对于固态面阵激光的计算参数RT_{Calibration__Camera}；

根据靶标安装在机械臂末端上的位置得到靶标相对于机械臂末端的计算参数为RT_{Calibration_Flange}，其中RT_{Calibration_Flange}为靶标变换到机械臂末端的移动变换参数，可以得到：

RT_{Camera_Flange}＝RT_{Calibration_Flange}＊RT_{Calibration_Camera} ^-1

其中，RT_{Camera_Flange}是固态面阵激光相对于机械臂末端的实际坐标关系；

将固态面阵激光相对于机械臂末端的实际坐标关系RT_{Camera_Flange}与根据固态面阵激光安装位置相对于机械臂末端的理论坐标关系RT_{Camera_Flange}’进行对比，得到二者之间的六个自由度的差值Diff_{Camera_Flange}＝RT_{Camera_Flange}，＊RT_{Camera_Flange} ^-1，若误差小于阈值则正确，可使用标定的RT_{Camera_Flange}参数，即固态面阵激光安装正确；若偏差过大视为安装错误，需要重新检查安装件。其中，六个自由度的差值包括姿态角差值及三轴偏移；

在本发明中，阈值的设置具体为：姿态角差值中滚动角差值Diff_{Camera_Flange}(Roll)、俯仰角差值Diff_{Camera_Flange}(Pitch)、偏航角差值Diff_{Camera_Flange}(Yaw)均设为0.03弧度，X轴偏移Diff_{Camera_Flange}(X)、Y轴偏移Diff_{Camera_Flange}(Y)、Z轴偏移Diff_{Camera_Flange}(Z)均设为0.02m，此参数可根据加工工艺适当调整。

其中，合适的积分时间根据靶标与固态面阵激光距离确定，本实施例中，靶标与固态面阵激光的距离为720.5mm，进行70次积分迭代，即合适的积分时间为进行70次积分迭代的时间。

本发明整个过程只需要一块标定板，时间快，不需要现场搭建固定场景。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种固态面阵激光安装的标定方法，其特征在于：包括步骤：

(1)在机械臂上固定安装固态面阵激光，在机械臂末端固定安装靶标，在靶标上设有若干特征点；

(2)通过固态面阵激光获取靶标的深度图和灰度图，并通过固态面阵激光获取靶标上的特征点在固态面阵激光坐标系下的坐标，得到靶标相对于固态面阵激光的计算参数RT_{Calibration_Camera}；

(3)根据固态面阵激光的安装位置得到其相对于机械臂末端的理论坐标关系RT_{Camera_Flange}’；

(4)根据靶标安装在机械臂末端上的位置得到靶标相对于机械臂末端的计算参数为RT_{Calibration_Flange}，其中RT_{Calibration_Flange}为靶标变换到机械臂末端的移动变换参数，得到：

RT_{Camera_Flange}＝RT_{Calibration_Flange}＊RT_{Calibration_Camera} ^-1

其中，RT_{Camera_Flange}是固态面阵激光相对于机械臂末端的实际坐标关系；

(5)将固态面阵激光相对于机械臂末端的实际坐标关系RT_{Camera_Flange}与根据固态面阵激光的安装位置得到其相对于机械臂末端的理论坐标关系RT_{Camera_Flange}’进行对比，即二者之间的姿态角的差值及三轴偏移Diff_{Camera_Flange}＝RT_{Camera_Flange}’＊RT_{Camera_Flange} ^-1，若误差小于阈值则正确，可使用标定的RT_{Camera_Flange}参数，即固态面阵激光安装正确；若偏差过大视为安装错误，需要重新检查安装件。

2.根据权利要求1所述的固态面阵激光安装的标定方法，其特征在于：所述靶标采用黑白棋盘网格靶标，其上设有至少四个棋盘网格点作为特征点。

3.根据权利要求1所述固态面阵激光安装的标定方法，其特征在于：阈值的设置具体为：滚动角差值Diff_{Camera_Flange}(Roll)、俯仰角差值Diff_{Camera_Flange}(Pitch)、偏航角差值Diff_{Camera_Flange}(Yaw)均设为0.03弧度，X轴偏移Diff_{Camera_Flange}(X)、Y轴偏移Diff_{Camera_Flange}(Y)、Z轴偏移Diff_{Camera_Flange}(Z)均设为0.02m。

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