CN112611340B - 一种视觉传感器中激光器光平面的调节方法 - Google Patents

一种视觉传感器中激光器光平面的调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种视觉传感器中激光器光平面的调节方法，视觉传感器包括：至少两部线激光器以及对称设置的两部相机，调节各个激光器的光平面重合：将观察板设置在标准工作距处，任选基准激光器、粗调节基准激光器及其他各激光器，使其投射的待调节激光条与基准激光条大致重合；对每幅图像中的待调节激光条与基准激光条均进行直线拟合，并判断待调节直线与基准直线之间的夹角、距离均值是否满足各自的阈值要求；将观察板分别固定在不同调节位置，使得视觉传感器在不同工作距处，各激光器与基准激光器的光平面均满足角度阈值及距离阈值的要求；本方法能够调节各个激光器的光平面满足重合要求，保障视觉传感器在各种工作状态下的使用正常。

Description

一种视觉传感器中激光器光平面的调节方法
技术领域
本发明涉及设备部件调节领域，具体涉及一种视觉传感器中激光器光平面的调节方法。
背景技术
在设备生产制造领域，零部件往往需要根据使用需求，调整自身位姿，使其能够处于最佳工作状态，以激光测量视觉传感器为例，在相机的检测视场内，激光器需要根据被测特征，调整自身测量角度，以满足测量角度、位置的要求；为了扩大测量范围、提高测量精度，激光测量视觉传感器设置有多个激光器，如专利文件CN107957247A和CN107843202A中提出的视觉测量装置，其采用了左、右对称设置的两个激光器，两个激光器的光平面重合，在测量时，两侧激光器分别向被测物投射激光条，相比于单激光器的投射，双目相机能够获取更多的测量信息；对于此类设有多个激光器的视觉传感器，在传感器投入使用之前，需要调节各个激光器的光平面重合。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种视觉传感器中激光器光平面的调节方法，其能够调节各个激光器的光平面满足重合要求，保障视觉传感器在各种工作状态下的使用正常；在进行实时调节时，在图像中将待调节激光条和基准激光条分割为左右两部分，能够有效防止计算出的夹角值不准确、利用角平分线计算距离均值，有效提高了计算精度，避免镜头采图畸变等图像质量对计算结果的影响。
一种视觉传感器中激光器光平面的调节方法，所述视觉传感器包括：至少两部线激光器以及对称设置的两部相机，其中线激光器的位置、角度可调节；
在视觉传感器的前方设置观察板，通过以下步骤调节各个激光器的光平面重合：
S1、将观察板设置在视觉传感器的标准工作距处，任选一部线激光器为基准激光器，其向观察板投射基准激光条，两部相机分别采集基准激光条的图像，标记为第一图像和第二图像；粗调节基准激光器，使得基准激光条同时位于第一图像和第二图像中的特定区域，固定此时基准激光器的为位置；再分别点亮并粗调节其他各激光器，使其投射的待调节激光条与基准激光条大致重合；
S2、点亮任一部激光器和基准激光器，两部相机分别采集待调节激光条与基准激光条图像，对每幅图像中的待调节激光条与基准激光条均进行直线拟合，并进行以下判断：
记待调节激光条拟合得到的直线为待调节直线、基准激光条拟合得到的直线为基准直线，计算待调节直线与基准直线之间的夹角和距离均值；
分别判断夹角和距离均值是否满足角度阈值及距离阈值的要求；
若是，则直接进行步骤S3；
若否，则通过调节激光器的翻滚角，使得夹角满足角度阈值要求；通过调节激光器整体上/下平移，使得距离均值满足距离阈值要求；再进行步骤S3；
S3、关闭当前激光器，点亮另一激光器和基准激光器，进行步骤S2的处理，直到遍历所有激光器；
S4、在标准工作距的前、后设置多个观察板的调节位置，将观察板分别固定在不同调节位置，改变其与视觉传感器之间的距离关系；每次变换观察板的位置，均进行步骤S2～S3；
操作完成后，固定各个激光器的位置，使得视觉传感器在不同工作距处，各激光器与基准激光器的光平面均满足角度阈值及距离阈值的要求。
为了防止镜头畸变对采集激光条的影响(图像两侧边缘处的激光条存在畸变)，进一步，步骤S2中，计算待调节直线与基准直线之间夹角的方法为：计算待调节直线与基准直线之间的交点，若存在交点，判断交点坐标是否在当前图像中，若是，则以当前交点为分割点，若否，则以图像的中心点为分割点；利用分割点将图像中的待调节直线分割为第一待调节直线和第二待调节直线、将基准直线分割成第一基准直线与第二基准直线；其中，第一待调节直线和第一基准直线位于分割点的同侧；计算第一待调节直线和第一基准直线之间的第一夹角、第二待调节直线和第二基准直线之间的第二夹角；
判断第一夹角和第二夹角是否均小于角度阈值；若否，则比较第一待调节直线和第一基准直线图像纵坐标的大小，设置翻滚角的旋转方向，根据第一夹角和第二夹角的角度均值，设置旋转角度，调节激光器翻滚角；调节后，再次计算并判断夹角值，直至其投射的待调节激光条与基准激光条之间的夹角满足要求。
进一步，步骤S2中，计算待调节激光条与基准激光条之间距离均值的方法为：计算待调节直线与基准直线之间的交点，若存在交点，判断交点坐标是否在当前图像中，若是，则以当前交点为分割点，若否，则以图像的中心点为分割点；利用分割点将图像中的待调节直线分割为第一待调节直线和第二待调节直线、将基准直线分割成第一基准直线与第二基准直线；其中，第一待调节直线和第一基准直线位于分割点的同侧；计算第一待调节直线和第一基准直线之间的第一角平分线、第二待调节直线和第二基准直线之间的第二角平分线；计算第一待调节直线所对应的待调节激光条上的各点与第一角平分线之间的第一距离均值；计算第二待调节直线所对应的待调节激光条上的各点与第二角平分线之间的第二距离均值；
判断第一距离均值和第二距离均值是否均小于距离阈值：若否，则比较第一待调节直线和第一基准直线图像纵坐标的大小，设置第一待调节直线所对应的待调节激光条的平移方向；比较第二待调节直线和第二基准直线图像纵坐标的大小，设置第二待调节直线所对应的待调节激光条的上/下平移方向；再计算第一距离均值和第二距离均值之和，根据计算结果设置平移距离，调节该激光器，调节后，再次计算并判断距离均值，直至其投射的待调节激光条与基准激光条之间的距离均值小于距离阈值。
进一步，观察板的调整位置设置有多个，其分布在0.2D～15D之间，标准工作距D取值范围2～50厘米；
设置观察板的放置次序：首先放置在标准工作距D处，再将观察板优先放置在与标准工作距D的更近的调整位置。
优选，在观察板的不同调整位置，预设不同的角度阈值、距离阈值；其中，角度阈值设置在1°～15°之间、距离阈值设置在0.1～2像素之间；
在标准工作距D预设的角度阈值、距离阈值最小；调整位置距离标准工作距D越近，其预设的角度阈值、距离阈值越小。
进一步，步骤S1中还包括：变换观察板的调整位置，在各个调整位置处，均进行粗调节，使得各个待调节激光条与基准激光条大致重合。
进一步，还包括步骤S5，对调节后的视觉传感器，进行以下检验步骤：
将观察板分别放置在不同的调整位置，在每个调整位置处，均计算待调节激光条与基准激光条之间的夹角值及距离均值、再复核其是否满足各自阈值的要求；
若在各个调整位置处，均满足要求，则视觉传感器中的激光器调节完成，否则，更换基准激光器，重复步骤S1。
优选，使得基准激光条位于第一图像和第二图像中的特定区域，具体为：
分别在第一图像和第二图像中设置特定区域，若基准激光条拟合的直线与图像X轴夹角小于8°，且其能够出现在特定区域，则调节完成。
为了降低镜头畸变对采集激光条图像的影响，优选，在第一图像和/或第二图像中选取[50，Xmax-50]区间内的激光条点云进行直线拟合，Xmax为第一图像或第二图像的横向尺寸。
本发明方法用于调节各个激光器的光平面相互重合；通过设置多个观察板位置，能够实现不同工作距下激光条的重合调节，进而保障视觉传感器在各种状态下的使用正常；利用不同的角度阈值、距离阈值保障在标准工作距(更多使用状态)时，视觉传感器的重合精度最佳；同时，在进行实时调节时，在图像中将待调节激光条和基准激光条分割为左右两部分，能够有效防止计算出的夹角值不准确、利用角平分线计算距离均值，有效提高了计算精度，避免镜头采图畸变等图像质量对计算结果的影响。
附图说明
图1为基准激光条在左右图像特定区域示意图；
图2为计算夹角、距离均值时分割待调节直线与基准直线的示意图；
图3为调节过程中基准激光条与待调节激光条示意图。
具体实施方式
一种视觉传感器中激光器光平面的调节方法，视觉传感器包括：至少两部线激光器以及对称设置的两部相机，其中线激光器的位置、角度可调节；
具体实施时，在视觉传感器的前方设置观察板，通过以下步骤调节各个激光器的光平面重合：
S1、将观察板设置在视觉传感器的标准工作距处，任选一部线激光器为基准激光器，其向观察板投射基准激光条，两部相机分别采集基准激光条的图像，标记为第一图像和第二图像；粗调节基准激光器，使得基准激光条同时位于第一图像和第二图像中的特定区域，固定此时基准激光器的为位置；(人为确定特定区域，为便于观察通常选取在图像的中间区域，尽量调节基准激光条与图像X轴平行)
本实施例中，分别在第一图像和第二图像中设置特定区域，并设置两条辅助线框出特定区域(如图1所示)，若基准激光条拟合的直线与图像X轴夹角小于8°，且其能够出现在特定区域(两条辅助线之间)，则调节完成；
再分别点亮并粗调节其他各激光器，使其投射的待调节激光条与基准激光条大致重合(通过肉眼观察重合，此时待调节激光条与基准激光条之间的夹角小于20°，二者之间的距离均值小于5像素)；
S2、点亮任一部激光器和基准激光器，两部相机分别采集待调节激光条与基准激光条图像，对每幅图像中的待调节激光条与基准激光条均进行直线拟合(为了降低镜头畸变对采集激光条图像的影响，优选，在第一图像和/或第二图像中选取[50pixel，Xmax-50pixel]区间内的激光条点云进行直线拟合，Xmax为第一图像或第二图像的横向像素尺寸)，并进行以下判断：
记待调节激光条拟合得到的直线为待调节直线、基准激光条拟合得到的直线为基准直线，计算待调节直线与基准直线之间的夹角和距离均值；
分别判断夹角和距离均值是否满足角度阈值及距离阈值的要求；
若是，则直接进行步骤S3；
若否，则通过调节激光器的翻滚角，使得夹角满足角度阈值要求；通过调节激光器整体上/下平移，使得距离均值满足距离阈值要求；再进行步骤S3；
具体的，判断夹角是否小于角度阈值，若是，则无需调节；若否，则调节该激光器的翻滚角(激光条在图像水平方向上的偏差角)，调节后，再次计算并判断夹角值，直至其投射的待调节激光条与基准激光条之间的夹角小于角度阈值，固定此时激光器的翻滚角；
计算待调节激光条与基准激光条之间的距离均值，判断距离均值是否小于距离阈值，若是，则无需调节；若否，则将该激光器整体上/下平移((激光条在图像竖直方向上的平移)，平移后，再次计算并判断距离均值，直至其投射的待调节激光条与基准激光条之间的距离小于距离阈值，固定此时激光器在位置；
激光器的翻滚角、上\下位置通过调节装置分别调节，当其中一个调节完成后，将其固定，再调节另外一个；两者的调节次序可依据实际情况而定，如，当夹角偏差较大时，先调节翻滚角；当距离均值与阈值差别角度时，则先调节上/下平移；
S3、关闭当前激光器，点亮另一激光器和基准激光器，进行步骤S2的处理，直到遍历所有激光器；
S4、在标准工作距的前、后设置多个观察板的调节位置，将观察板分别固定在不同调节位置，改变其与视觉传感器之间的距离关系；每次变换观察板的位置，均进行步骤S2～S3；(本实施例中，调节位置分布在0.2D～15D之间)
操作完成后，固定各个激光器的位置，使得视觉传感器在不同工作距处，各激光器与基准激光器的光平面均满足角度阈值及距离阈值的要求。
其中，在步骤S1时，变换观察板的调整位置，在各个调整位置处，均进行粗调节，使得各个待调节激光条与基准激光条大致重合。
由于图像两侧边缘处的激光条存在畸变，作为本发明的一种优选实施方式，步骤S2中，计算待调节直线与基准直线之间夹角的方法为：如图2所示，计算待调节直线与基准直线之间的交点，若存在交点，判断交点坐标是否在当前图像中，若是，则以当前交点为分割点，若否，则以图像的中心点为分割点；利用分割点将图像中的待调节直线分割为第一待调节直线和第二待调节直线、将基准直线分割成第一基准直线与第二基准直线；其中，第一待调节直线和第一基准直线位于分割点的同侧；计算第一待调节直线和第一基准直线之间的第一夹角、第二待调节直线和第二基准直线之间的第二夹角；
判断第一夹角和第二夹角是否均小于角度阈值；若否，则比较第一待调节直线和第一基准直线图像纵坐标的大小，设置翻滚角的旋转方向，根据第一夹角和第二夹角的角度均值，设置旋转角度，调节激光器翻滚角；调节后，再次计算并判断夹角值，直至其投射的待调节激光条与基准激光条之间的夹角满足要求。
计算待调节激光条与基准激光条之间距离均值的方法为：计算待调节直线与基准直线之间的交点，若存在交点，判断交点坐标是否在当前图像中，若是，则以当前交点为分割点，若否，则以图像的中心点为分割点；利用分割点将图像中的待调节直线分割为第一待调节直线和第二待调节直线、将基准直线分割成第一基准直线与第二基准直线；其中，第一待调节直线和第一基准直线位于分割点的同侧；计算第一待调节直线和第一基准直线之间的第一角平分线、第二待调节直线和第二基准直线之间的第二角平分线；计算第一待调节直线所对应的待调节激光条上的各点与第一角平分线之间的第一距离均值；计算第二待调节直线所对应的待调节激光条上的各点与第二角平分线之间的第二距离均值；
判断第一距离均值和第二距离均值是否均小于距离阈值：若否，则比较第一待调节直线和第一基准直线图像纵坐标的大小，设置第一待调节直线所对应的待调节激光条的平移方向；比较第二待调节直线和第二基准直线图像纵坐标的大小，设置第二待调节直线所对应的待调节激光条的上/下平移方向；再计算第一距离均值和第二距离均值之和，根据计算结果设置平移距离，调节该激光器，调节后，再次计算并判断距离均值，直至其投射的待调节激光条与基准激光条之间的距离均值小于距离阈值。
为了保证调节结果的可靠性，本实施例中，还对调节后的视觉传感器，进行以下检验步骤：
将观察板分别放置在不同的调整位置，在每个调整位置处，均计算待调节激光条与基准激光条之间的夹角值及距离均值、再复核其是否满足各自阈值的要求；
若在各个调整位置处，均满足要求，则视觉传感器中的激光器调节完成，否则，更换基准激光器，重复步骤S1。
具体的，观察板的调整位置分布在0.2D～15D之间，视觉传感器的标准工作距D取值范围2～50厘米；
设置观察板的放置次序：首先放置在标准工作距D处，再将观察板优先放置在与标准工作距D的更近的调整位置。
优选，在观察板的不同调整位置，预设不同的角度阈值、距离阈值；其中，角度阈值设置在1°～15°之间、距离阈值设置在0.1～2像素之间；
在标准工作距D预设的角度阈值、距离阈值最小；调整位置距离标准工作距D越近，其预设的角度阈值、距离阈值越小。
本实施例中，视觉传感器的标准工作距D＝4.5cm，线激光器设有两个，任选其一为基准激光器，其调节过程中的实拍图如图3所示；观察板的调整位置设有9个，其位置和每个调节位置的角度阈值、距离阈值如下表所示，其中D-10mm表示位于视觉传感器设置位置与标准工作距D位置之间距离标准工作距10mm的观察板位置、D+10mm表示标准工作距D远离视觉传感器的一侧，距离标准工作距10mm的观察板位置：
Figure GDA0003491280610000101
调节完成后，各调整位置(不同工作距)处待调节激光条与基准激光条之间的角度均值、距离均值计算结果如下：
第一图像中：
Figure GDA0003491280610000111
第二图像中：
Figure GDA0003491280610000112

Claims (9)

1.一种视觉传感器中激光器光平面的调节方法，所述视觉传感器包括：至少两部线激光器以及对称设置的两部相机，其中线激光器的位置、角度可调节；
其特征在于，在视觉传感器的前方设置观察板，通过以下步骤调节各个激光器的光平面重合：
S1、将观察板设置在视觉传感器的标准工作距处，任选一部线激光器为基准激光器，其向观察板投射基准激光条，两部相机分别采集基准激光条的图像，标记为第一图像和第二图像；粗调节基准激光器，使得基准激光条同时位于第一图像和第二图像中的特定区域，固定此时基准激光器的位置；再分别点亮并粗调节其他各激光器，使其投射的待调节激光条与基准激光条大致重合；
S2、点亮任一部激光器和基准激光器，两部相机分别采集待调节激光条与基准激光条图像，对每幅图像中的待调节激光条与基准激光条均进行直线拟合，并进行以下判断：
记待调节激光条拟合得到的直线为待调节直线、基准激光条拟合得到的直线为基准直线，计算待调节直线与基准直线之间的夹角和距离均值；
分别判断夹角和距离均值是否满足角度阈值及距离阈值的要求；
若是，则直接进行步骤S3；
若否，则通过调节激光器的翻滚角，使得夹角满足角度阈值要求；通过调节激光器整体上/下平移，使得距离均值满足距离阈值要求；再进行步骤S3；
S3、关闭当前激光器，点亮另一激光器和基准激光器，进行步骤S2的处理，直到遍历所有激光器；
S4、在标准工作距的前、后设置多个观察板的调节位置，将观察板分别固定在不同调节位置，改变其与视觉传感器之间的距离关系；每次变换观察板的位置，均进行步骤S2～S3；
操作完成后，固定各个激光器的位置，使得视觉传感器在不同工作距处，各激光器与基准激光器的光平面均满足角度阈值及距离阈值的要求。
2.如权利要求1所述视觉传感器中激光器光平面的调节方法，其特征在于：步骤S2中，计算待调节直线与基准直线之间夹角的方法为：计算待调节直线与基准直线之间的交点，若存在交点，判断交点坐标是否在当前图像中，若是，则以当前交点为分割点，若否，则以图像的中心点为分割点；利用分割点将图像中的待调节直线分割为第一待调节直线和第二待调节直线、将基准直线分割成第一基准直线与第二基准直线；其中，第一待调节直线和第一基准直线位于分割点的同侧；计算第一待调节直线和第一基准直线之间的第一夹角、第二待调节直线和第二基准直线之间的第二夹角；
判断第一夹角和第二夹角是否均小于角度阈值；若否，则比较第一待调节直线和第一基准直线图像纵坐标的大小，设置翻滚角的旋转方向，根据第一夹角和第二夹角的角度均值，设置旋转角度，调节激光器翻滚角；调节后，再次计算并判断夹角值，直至其投射的待调节激光条与基准激光条之间的夹角满足要求。
3.如权利要求1所述视觉传感器中激光器光平面的调节方法，其特征在于：步骤S2中，计算待调节激光条与基准激光条之间距离均值的方法为：计算待调节直线与基准直线之间的交点，若存在交点，判断交点坐标是否在当前图像中，若是，则以当前交点为分割点，若否，则以图像的中心点为分割点；利用分割点将图像中的待调节直线分割为第一待调节直线和第二待调节直线、将基准直线分割成第一基准直线与第二基准直线；其中，第一待调节直线和第一基准直线位于分割点的同侧；计算第一待调节直线和第一基准直线之间的第一角平分线、第二待调节直线和第二基准直线之间的第二角平分线；计算第一待调节直线所对应的待调节激光条上的各点与第一角平分线之间的第一距离均值；计算第二待调节直线所对应的待调节激光条上的各点与第二角平分线之间的第二距离均值；
判断第一距离均值和第二距离均值是否均小于距离阈值：若否，则比较第一待调节直线和第一基准直线图像纵坐标的大小，设置第一待调节直线所对应的待调节激光条的平移方向；比较第二待调节直线和第二基准直线图像纵坐标的大小，设置第二待调节直线所对应的待调节激光条的上/下平移方向；再计算第一距离均值和第二距离均值之和，根据计算结果设置平移距离，调节该激光器，调节后，再次计算并判断距离均值，直至其投射的待调节激光条与基准激光条之间的距离均值小于距离阈值。
4.如权利要求1所述视觉传感器中激光器光平面的调节方法，其特征在于：观察板的调整位置设置有多个，其分布在0.2D～15D之间，标准工作距D取值范围2～50厘米；
设置观察板的放置次序：首先放置在标准工作距D处，再将观察板优先放置在与标准工作距D的更近的调整位置。
5.如权利要求4所述视觉传感器中激光器光平面的调节方法，其特征在于：在观察板的不同调整位置，预设不同的角度阈值、距离阈值；其中，角度阈值设置在1°～15°之间、距离阈值设置在0.1～2像素之间；
在标准工作距D预设的角度阈值、距离阈值最小；调整位置距离标准工作距D越近，其预设的角度阈值、距离阈值越小。
6.如权利要求4所述视觉传感器中激光器光平面的调节方法，其特征在于：步骤S1中还包括：变换观察板的调整位置，在各个调整位置处，均进行粗调节，使得各个待调节激光条与基准激光条大致重合。
7.如权利要求1所述视觉传感器中激光器光平面的调节方法，其特征在于：还包括步骤S5，对调节后的视觉传感器，进行以下检验步骤：
将观察板分别放置在不同的调整位置，在每个调整位置处，均计算待调节激光条与基准激光条之间的夹角值及距离均值、再复核其是否满足各自阈值的要求；
若在各个调整位置处，均满足要求，则视觉传感器中的激光器调节完成，否则，更换基准激光器，重复步骤S1。
8.如权利要求1所述视觉传感器中激光器光平面的调节方法，其特征在于：使得基准激光条位于第一图像和第二图像中的特定区域，具体为：
分别在第一图像和第二图像中设置特定区域，若基准激光条拟合的直线与图像X轴夹角小于8°，且其能够出现在特定区域，则调节完成。
9.如权利要求1所述视觉传感器中激光器光平面的调节方法，其特征在于：为了降低镜头畸变对采集激光条图像的影响，在第一图像和/或第二图像中选取[50，Xmax-50]区间内的激光条点云进行直线拟合，Xmax为第一图像或第二图像的横向尺寸。
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