CN112484722B - 结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，在任一测量位置处，判断：全局定位装置能否进行全局定位；若是，利用全局定位装置获取：视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系以及惯性导航系统坐标系与全局坐标系之间的关系；若否，利用惯性导航系统实时获取从上一正常测量位置移动到当前测量位置的惯性导航数据，再利用所述惯性导航数据解算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系；对每个测量位置处的视觉传感器进行全局定位，完成对待测工件所有测点的三维测量；本方法能够在被遮挡的位置进行全局定位，具有便捷、高效的特点。

Description

结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法
技术领域
本发明涉及视觉测量领域，具体涉及一种结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法。
背景技术
目前视觉测量已经被广泛应用于工业制造领域；对于大型尺寸的工件检测，需要设置多个测量位置，并对每个位置进行全局定位，将各个视觉传感器采集的测点信息汇总到全局坐标系中，实现对大型工件的整体测量，现有的全局定位方法为通过摄影测量系统或激光跟踪仪等全局定位装置，获取视觉传感器上的标志点，对各个视觉传感器进行全局定位；公开文件CN102607457中还公开了一种基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置，其通过激光跟踪仪和惯性导航单元联合求解光刀坐标系到世界坐标系的转换关系，其中激光跟踪仪靶球用于获取平移关系T＝(x,y,z)T；惯性导航单元用于获取旋转关系R，二者相互配合，实现转换关系的快速获取；该技术方案存在两个弊端：1)当跟踪仪靶球被遮挡时，激光跟踪仪将无法解算平移关系；2)惯性导航单元容易受到积分误差的影响，在长时间工作后，其得到的惯性导航数据误差较大，造成转换关系计算不准确；实际应用过程中，测量大尺寸待测工件不可避免的存在标志点被遮挡的情形，特别是测量面型复杂的构件时，如汽车车身、高铁舱段、飞机舱段等，视觉传感器需要深入到工件内部进行部分测点的检测，此时会造成部分或全部标志点被遮挡，全局定位装置(激光跟踪仪等)无法对此时的视觉传感器定位；在这种情况下，公开文件CN102607457的技术方案无法实施，而在现有方法中，往往利用机器人的重复定位精度获取视觉传感器的位姿，但由于机器人连杆变形、齿轮磨损等原因，机器人末端的姿态会发生漂移，这需要定期修正机器人重复定位的位置，这给测量系统的维护带来了难度。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，本方法能够解决全局定位装置在部分测量位置(标志点被遮挡)无法获得足够数量标志点的问题，在被遮挡的测量位置，仅利用惯性导航系统辅助获得被遮挡测量位置的视觉传感器在全局坐标系中的位置，适用于面型复杂的大型构件测点全局定位，具有便捷、高效的特点。
本发明技术方案如下：
一种结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，当大型待测工件落位在检测工位内，视觉传感器依据待测工件上不同测点的位置，移动到不同的测量位置；在测量位置处视觉传感器能够采集到测点的三维信息；
所述视觉传感器的外壳上固定有多个标志点，其通过机械机构连接有惯性导航系统，二者同步移动并保持相对位姿不变；标定两者之间的转换关系RT；
所述检测工位内还设置有全局定位装置，其用于采集多个标志点位置信息并计算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系；
在任一测量位置处，判断：全局定位装置是否能够对视觉传感器进行全局定位；
若是，则将当前测量位置记为正常测量位置，并利用全局定位装置获取：视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系以及惯性导航系统坐标系与全局坐标系之间的关系；
若否，则将当前测量位置记为被遮挡测量位置，并利用惯性导航系统实时获取从上一正常测量位置移动到当前测量位置的惯性导航数据，再利用所述惯性导航数据解算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系；
根据以上判断，对每个测量位置处的视觉传感器进行全局定位，再将其采集的待测工件上测点的三维信息转换到全局坐标系中，完成对待测工件所有测点的三维测量。
进一步，视觉传感器和惯性导航系统通过手持方式移动到各个测量位置，或者，检测工位中设置机器人，机器人末端固定视觉传感器和惯性导航系统。
当采用机器人移动视觉传感器时，可以采用以下定位方法：
一种结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，检测工位中设置机器人，机器人末端固定视觉传感器和惯性导航系统，二者同步移动并保持相对位姿不变；所述视觉传感器的外壳上固定有多个标志点；
所述检测工位内还设置有全局定位装置，其用于采集多个标志点位置信息并计算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系；
大型待测工件落位在检测工位内，根据多个测点所在的不同位置，设有多个测量位置，在每个测量位置处，机器人停止运动、调整位姿，保障视觉传感器能够采集到测点的三维信息；
利用以下方法，为每个测量位置匹配对应的全局定位方式并设置其在机器人移动轨迹中的位置排序：
判断在当前测量位置处，全局定位装置是否能够对视觉传感器进行全局定位；
若是，则将当前测量位置记为正常测量位置，并利用全局定位装置获取：视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系以及惯性导航系统坐标系与全局坐标系之间的关系；
若否，则将当前测量位置记为被遮挡测量位置，并利用惯性导航系统实时获取从上一正常测量位置移动到当前测量位置的惯性导航数据，再利用所述惯性导航数据解算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系；
将各个测量位置的全局定位方式和位置排序存储为示教信息；
实际检测时，机器人依据所述示教信息，带动视觉传感器和惯性导航系统依次运动到各个测量位置处，视觉传感器采集被测物上测点的三维信息，根据相应的全局定位方式，对不同测量位置的视觉传感器进行全局定位，再将采集到被测物上测点的三维信息转换到全局坐标系中，完成对被测物的三维测量。
进一步，所述全局定位装置包括固定在视觉检测工位上方的多个相机，所述多个相机的整体视场能够覆盖整个视觉检测工位；
所述标志点为圆形反光标记点或编码点。
或者，所述全局定位装置为一个或多个激光跟踪仪，将激光跟踪仪坐标系作为全局坐标系；
所述标志点为激光跟踪仪靶球。
进一步，判断：全局定位装置是否能够对视觉传感器进行全局定位的方式为：
全局定位装置是否能够采集到的至少三个不共线的标志点。
进一步，利用全局定位装置获取视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系，具体方法为：
预先标定视觉传感器外壳上的标志点在传感器坐标系中的位置坐标；
全局定位装置采集多个标志点，计算其在全局坐标系中的坐标，利用刚体变换得到传感器坐标系与全局坐标系之间的旋转平移关系RT＇。
进一步，利用所述惯性导航数据解算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系，具体方法为：
惯性导航系统通过角速度计和加速度计获得：从上一正常测量位置移动到当前测量位置，角速度和加速度的测量值，生成惯性导航数据；利用惯性导航数据得到惯性导航系统在当前测量位置相对于上一个正常测量位置的旋转平移关系H；
则计算此处视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系为：RT＇×H×RT；
其中，RT＇表示在上一正常测量位置处，利用全局定位装置获取的视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的旋转平移关系；RT为预先标定的视觉传感器和惯性导航系统之间的转换关系。
为了保证测量精度，视觉传感器的移动轨迹中，首个测量位置为正常测量位置；相邻两个正常测量位置之间设置被遮挡测量位置的个数小于等于3个。
本方法不仅能够解决标志点被遮挡时，全局定位的问题，还考虑到了惯性导航系统在短时间内定位精度高，长时间则会存在积分误差的问题，为了保证系统定位的精度，在设置测量位置排序时，首个测量位置为正常测量位置；相邻两个正常测量位置之间设置被遮挡测量位置的个数小于等于3个；当视觉传感器由被遮挡测量位置转换为正常测量位置后，利用全局定位装置采集标记点信息、更新惯性导航系统与全局坐标系的关系，重新定位惯性导航系统在全局坐标系中的位置，以此作为惯性导航系统新的初始位置，再进行下一次角速度和加速度的测量，即保障惯性导航系统在短时间(短距离)内定位，进而削弱了惯性导航系统的姿态积分误差对定位精度的影响。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例1
一种结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，当大型待测工件落位在检测工位内，视觉传感器依据待测工件上不同测点的位置，移动到不同的测量位置；在测量位置处视觉传感器能够采集到测点的三维信息；
其中，视觉传感器和惯性导航系统通过手持方式移动到各个测量位置，或者，检测工位中设置机器人，机器人末端固定视觉传感器和惯性导航系统；
视觉传感器的外壳上固定有多个标志点，其通过机械机构连接有惯性导航系统，二者同步移动并保持相对位姿不变；标定两者之间的转换关系RT；
检测工位内还设置有全局定位装置，其用于采集多个标志点位置信息并计算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系；
在任一测量位置处，判断：全局定位装置是否能够对视觉传感器进行全局定位(全局定位装置是否能够采集到的至少三个不共线的标志点)；
若是，则将当前测量位置记为正常测量位置，并利用全局定位装置获取：视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系以及惯性导航系统坐标系与全局坐标系之间的关系；
若否，则将当前测量位置记为被遮挡测量位置，并利用惯性导航系统实时获取从上一正常测量位置移动到当前测量位置的惯性导航数据，再利用惯性导航数据解算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系；
根据以上判断，对每个测量位置处的视觉传感器进行全局定位，再将其采集的待测工件上测点的三维信息转换到全局坐标系中，完成对待测工件所有测点的三维测量。
其中，全局定位装置包括固定在视觉检测工位上方的多个相机，多个相机的整体视场能够覆盖整个视觉检测工位；
具体实施时，以任一部相机的坐标系作为全局坐标系，基于摄影测量原理，多个相机分别采集标志点，利用光束平差法解算出多个标记点的位置信息；
标志点为圆形反光标记点或编码点。
或者，全局定位装置为一个或多个激光跟踪仪，将激光跟踪仪坐标系作为全局坐标系；
标志点为激光跟踪仪靶球。
本实施例中，采用固定在视觉检测工位上方的多个相机进行全局定位，判断：全局定位装置是否能够采集到的至少四个不共面的标志点；
具体的，利用全局定位装置获取视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系，具体方法为：
预先标定视觉传感器外壳上的标志点在传感器坐标系中的位置坐标；
全局定位装置采集至少四个不共面的标志点，计算其在全局坐标系中的坐标，利用刚体变换得到传感器坐标系与全局坐标系之间的旋转平移关系RT＇。
利用惯性导航数据解算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系，具体方法为：
惯性导航系统通过角速度计和加速度计获得：从上一正常测量位置移动到当前测量位置，角速度和加速度的测量值，生成惯性导航数据；利用惯性导航数据得到惯性导航系统在当前测量位置相对于上一个正常测量位置的旋转平移关系H；
Figure BDA0002788082670000081
其中ψ、γ、θ通过惯性导航系统三自由度陀螺仪的角速度计积分获得；x、y、z、通过对角速度计和加速度计积分获得；
则计算此处视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系为：RT＇×H×RT；
其中，RT＇表示在上一正常测量位置处，利用全局定位装置获取的视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的旋转平移关系；RT为预先标定的视觉传感器和惯性导航系统之间的转换关系。
为了保证测量精度，视觉传感器的移动轨迹中，首个测量位置为正常测量位置；相邻两个正常测量位置之间设置被遮挡测量位置的个数小于等于3个。
本实施例中，将被遮挡测量位置穿插在正常测量位置之间，即两个正常测量位置之间设置0个或1个被遮挡测量位置。
实施例2
一种结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，检测工位中设置机器人，机器人末端固定视觉传感器和惯性导航系统，二者同步移动并保持相对位姿不变；视觉传感器的外壳上固定有多个标志点；
检测工位内还设置有全局定位装置，其用于采集多个标志点位置信息并计算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系；
大型待测工件落位在检测工位内，根据多个测点所在的不同位置，设有多个测量位置，在每个测量位置处，机器人停止运动、调整位姿，保障视觉传感器能够采集到测点的三维信息；
利用以下方法，为每个测量位置匹配对应的全局定位方式并设置其在机器人移动轨迹中的位置排序：
判断在当前测量位置处，全局定位装置是否能够对视觉传感器进行全局定位(全局定位装置是否能够采集到的至少三个不共线的标志点)；
若是，则将当前测量位置记为正常测量位置，并利用全局定位装置获取：视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系以及惯性导航系统坐标系与全局坐标系之间的关系；
若否，则将当前测量位置记为被遮挡测量位置，并利用惯性导航系统实时获取从上一正常测量位置移动到当前测量位置的惯性导航数据，再利用惯性导航数据解算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系；
将各个测量位置的全局定位方式和位置排序存储为示教信息；
实际检测时，机器人依据示教信息，带动视觉传感器和惯性导航系统依次运动到各个测量位置处，视觉传感器采集被测物上测点的三维信息，根据相应的全局定位方式，对不同测量位置的视觉传感器进行全局定位，再将采集到被测物上测点的三维信息转换到全局坐标系中，完成对被测物的三维测量。
其中，全局定位装置包括固定在视觉检测工位上方的多个相机，多个相机的整体视场能够覆盖整个视觉检测工位，以任一部相机的坐标系作为全局坐标系，各相机与全局坐标系的转换关系已知。
标志点为圆形反光标记点或编码点。
具体而言，利用全局定位装置获取视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系，具体方法为：
预先标定视觉传感器外壳上的标志点在传感器坐标系中的位置坐标；
全局定位装置采集至少三个不共线的标志点，计算其在全局坐标系中的坐标，利用刚体变换得到传感器坐标系与全局坐标系之间的旋转平移关系RT＇。
此外，利用惯性导航数据解算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系，具体方法为：
惯性导航系统通过角速度计和加速度计获得：从上一正常测量位置移动到当前测量位置，角速度和加速度的测量值，生成惯性导航数据；利用惯性导航数据得到惯性导航系统在当前测量位置相对于上一个正常测量位置的旋转平移关系H；
则计算此处视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系为：RT＇×H×RT；
其中，RT＇表示在上一正常测量位置处，利用全局定位装置获取的视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的旋转平移关系；RT为预先标定的视觉传感器和惯性导航系统之间的转换关系。
为了保证测量精度，视觉传感器的移动轨迹中，首个测量位置为正常测量位置；相邻两个正常测量位置之间设置被遮挡测量位置的个数小于等于3个。
本实施例中，将被遮挡测量位置穿插在正常测量位置之间，即两个正常测量位置之间设置0个或1个被遮挡测量位置。

Claims (7)

1.一种结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，其特征在于：检测工位中设置机器人，机器人末端固定视觉传感器和惯性导航系统，二者同步移动并保持相对位姿不变；所述视觉传感器的外壳上固定有多个标志点；
所述检测工位内还设置有全局定位装置，其用于采集多个标志点位置信息并计算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系；
大型待测工件落位在检测工位内，根据多个测点所在的不同位置，设有多个测量位置，在每个测量位置处，机器人停止运动、调整位姿，保障视觉传感器能够采集到测点的三维信息；
利用以下方法，为每个测量位置匹配对应的全局定位方式并设置其在机器人移动轨迹中的位置排序：
判断在当前测量位置处，全局定位装置是否能够对视觉传感器进行全局定位；
若是，则将当前测量位置记为正常测量位置，并利用全局定位装置获取：视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系以及惯性导航系统坐标系与全局坐标系之间的关系；
若否，则将当前测量位置记为被遮挡测量位置，并利用惯性导航系统实时获取从上一正常测量位置移动到当前测量位置的惯性导航数据，再利用所述惯性导航数据解算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系；
将各个测量位置的全局定位方式和位置排序存储为示教信息；
实际检测时，机器人依据所述示教信息，带动视觉传感器和惯性导航系统依次运动到各个测量位置处，视觉传感器采集被测物上测点的三维信息，根据相应的全局定位方式，对不同测量位置的视觉传感器进行全局定位，再将采集到被测物上测点的三维信息转换到全局坐标系中，完成对被测物的三维测量。
2.如权利要求1所述结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，其特征在于：所述全局定位装置包括固定在视觉检测工位上方的多个相机，所述多个相机的整体视场能够覆盖整个视觉检测工位；
所述标志点为圆形反光标记点或编码点。
3.如权利要求1所述结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，其特征在于：所述全局定位装置为一个或多个激光跟踪仪，将激光跟踪仪坐标系作为全局坐标系；
所述标志点为激光跟踪仪靶球。
4.如权利要求2或3所述结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，其特征在于：判断：全局定位装置是否能够对视觉传感器进行全局定位的方式为：
全局定位装置是否能够采集到的至少三个不共线的标志点。
5.如权利要求1所述结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，其特征在于：利用全局定位装置获取视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系，具体方法为：
预先标定视觉传感器外壳上的标志点在传感器坐标系中的位置坐标；
全局定位装置采集多个标志点，计算其在全局坐标系中的坐标，利用刚体变换得到传感器坐标系与全局坐标系之间的旋转平移关系RT＇。
6.如权利要求1所述结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，其特征在于：利用所述惯性导航数据解算视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系，具体方法为：
惯性导航系统通过角速度计和加速度计获得：从上一正常测量位置移动到当前测量位置，角速度和加速度的测量值，生成惯性导航数据；利用惯性导航数据得到惯性导航系统在当前测量位置相对于上一个正常测量位置的旋转平移关系H；
则计算此处视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的关系为：RT＇×H×RT；
其中，RT＇表示在上一正常测量位置处，利用全局定位装置获取的视觉传感器坐标系与全局坐标系之间的旋转平移关系；RT为预先标定的视觉传感器和惯性导航系统之间的转换关系。
7.如权利要求1所述结合惯性导航系统的视觉传感器全局定位方法，其特征在于：视觉传感器的移动轨迹中，首个测量位置为正常测量位置；相邻两个正常测量位置之间设置被遮挡测量位置的个数小于等于3个。
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