CN112991467A - 基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法 - Google Patents

基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法，事先确定相机与投影标识系统之间的相对位姿关系，借助相机对被投影对象进行初步定位，使得激光投影标识系统能够在无人的情况下对被投影对象进行定位，达到投影标识系统与被投影对象之间相对位姿自动化确定的目的，本发明进一步利用相机对被投影对象的位姿进行实时监控，当发现被投影对象的位姿发生改变后，立即提示投影标识系统重新对被投影对象进行自动化引导定位，进而实现对标识出的被投影对象进行实时校正的目的。本发明能够有效减少激光投影标识过程中人为操作与监控的次数，投出的激光曲线始终与设计位置相符合，提高了激光投影标识在实际使用过程中的智能化水平。

Description

基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法
技术领域
本发明涉及激光定位投影技术领域，特别是一种基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法。
背景技术
空间三维（3D）曲线的激光投影标识技术能够将工业生产中零部件的数字化设计信息直接地显示在真实的产品制造现场，是增强现实技术的一个重要分支，被广泛应用于数字化制造、数字化检测领域。激光投影标识技术的具体实现基本依赖于商用化的激光振镜投影标识系统，在借助该系统对目标曲线（被投影对象）进行激光投影标识之前，首先需要将投影标识系统与目标曲线进行位姿对齐。目前，对齐过程一般需要依靠人工引导辅助定位，即通过人为操作激光投影标识系统去找到布置在目标被投影对象表面用于定位的反光靶点的大概位置，待找到所有反光靶点的大概位置后，激光投影标识系统将根据反光靶点的大概位置设定一个搜素范围，在该范围内对反光靶点进行精确的扫描定位，从而完成整个对齐过程。
由于激光投影标识系统本身不具备观测、测量的能力，当被投影对象的整体位姿因一些外界原因发送了改变，此时投影标识系统无法监测到这种位姿的改变，因而投出的空间曲线就会与设计位置产生偏移。为了及时纠正这种位置偏移，就需要人工定时地对投影现场进行检查，当发现有偏移情况发生时，再次通过人工引导控制投影标识系统重新与被投影对象进行位姿对齐，这使得激光投影标识技术的自动化、智能化水平都不高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法。本发明使得激光投影标识系统能够在无人的情况下对被投影对象自动进行引导定位，还能够对被投影对象的位姿进行实时监测与校正。
本发明的技术方案：基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法，包括以下步骤：
步骤一：对基于激光振镜的投影标识系统进行标定，获得投影标识系统输入控制数字信号与其所对应出射光在投影标识系统坐标系下的空间向量之间的映射关系；
对参与引导定位的相机进行标定，获得相机的内参；
步骤二：求解出相机与投影标识系统之间的相对位姿关系；
步骤三：当投影标识系统的投影区域内出现表面布有反光靶点的被投影对象时，控制相机对布置在被投影对象表面的反光靶点进行图像采样，采样得反光靶点在被投影对象坐标系内的空间坐标，借助步骤一标定好的相机内参求解出相机与被投影对象之间的相对位姿关系；
步骤四：借助步骤三获取的相机与被投影对象间的相对位姿关系、反光靶点在被投影对象坐标系内的空间坐标以及步骤二获取的相机与投影标识系统之间的相对位姿关系，求解出反光靶点在投影标识系统坐标系内近似的空间位置；
步骤五：借助步骤一中标定好的映射关系、步骤四中获取的反光靶点在投影标识系统坐标系内近似的空间位置，求解出投影标识系统近似投射到这些反光靶点所需要的激光振镜输入控制数字信号；
步骤六：对步骤五得到的数字信号进一步处理，确定投影标识系统精确投射到反光靶点中心所需要的激光振镜输入控制数字信号；
步骤七：借助步骤一中标定好的映射关系、步骤六中得到的数字信号、反光靶点在被投影对象坐标系内的空间坐标，精确求解出投影标识系统与被投影对象之间的相对位姿关系，完成相机对投影标识系统与被投影对象之间的引导定位；
步骤八：控制相机按照固定帧率对被投影对象表面反光靶点的图像进行实时采样，将采样结果与步骤三中反光靶点的图像采样结果进行比较，当两者之差超出设定的阈值时，认定被投影对象的位姿发生了改变；
步骤九：当位姿改变后的被投影对象表面的反光靶点采样图像处于稳定后，取稳定后新的反光靶点实时采样图像位置，按照步骤三至步骤七重新实现投影标识系统与被投影对象之间的位姿对齐，完成相机对投影标识系统与被投影对象之间的位姿实时监控与校正。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明通过事先标定出相机与激光投影标识系统之间的位姿关系，使得相机可以代替人工引导激光投影标识系统对反光靶点进行激光扫描定位，从而自动化的实现激光投影标识系统与被投影对象之间的位姿对齐，在此基础上，通过相机对被投影对象表面反光靶点图像的实时采样，还能够对被投影对象的位姿进行实时监控，通过对比前后采样图像位置，在被投影对象的位姿发生改变时自动对投射出的激光曲线进行实时的位姿校正，极大地提高了激光投影标识作业在实际生产过程中的自动化与智能化水平。
前述的基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法中，所述步骤二具体包括以下步骤：
步骤2.1：将贴有N个反光靶点的标定板放置在步骤一投影标识系统的投影区域内，调整相机视场使相机能观测到投影标识系统的投影区域；
步骤2.2：获取相机与标定板之间的相对位姿关系、获取投影标识系统与标定板之间的相对位姿关系；
步骤2.3：根据投影区域的大小，改变标定板的放置位置，重复步骤2.2，获取多个相机与标定板之间的相对位姿关系以及多个投影标识系统与标定板之间的相对位姿关系；
步骤2.4：根据步骤2.3中获取的多个相机与标定板之间的相对位姿关系以及多个投影标识系统与标定板之间的相对位姿关系，求解出相机与投影标识系统之间的相对位姿关系。
前述的基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法中，所述步骤2.2中，控制相机对步骤2.1中的标定板进行图像采样，获取相机与标定板之间的相对位姿关系；
控制投影标识系统对投影区域内标定板上的反光靶点进行扫描点位，获取投影标识系统与标定板之间的相对位姿关系。
前述的基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法中，所述步骤2.2中，根据相机对标定板进行图像采样获得的图像中反光靶点的中心位置、反光靶点中心位置在标定板坐标系内的空间坐标、以及步骤一中获得的相机内参，求解出相机与标定板之间的相对位姿关系。
前述的基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法中，步骤六中对步骤五得到的数字信号进一步处理时，以步骤五得到的数字信号为中心规划出一个矩形激光扫描区域，在此区域内以激光网格线的形式对处在该区域内的反光靶点进行扫描定位，从而确定投影标识系统精确投射到反光靶点中心所需要的激光振镜输入控制数字信号。
前述的基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法中，所述步骤三中，根据相机对被投影对象进行图像采样获得的图像中反光靶点的中心位置、反光靶点的中心位置在被投影对象坐标系内的空间坐标、以及步骤一中获得的相机内参，求解出相机与被投影对象之间的相对位姿关系。
附图说明
图1是本发明借助相机自动引导激光投影标识系统对被投影对象进行定位的实施示意图；
图2是本发明激光投影标识系统的内部结构示意图；
图3是本发明中利用贴有反光靶点的标定板来确定相机与投影标识系统位姿关系的原理示意图；
图4是本发明中相机引导激光投影标识系统对被投影对象进行定位的方法原理示意图；
图5是本发明中相机对被投影对象位姿监控与投影标识自动校正的原理示意图；
图6是本发明的步骤流程图；
图7是本发明的一种具体实施例中待被投影对象与目标空间曲线的CAD数模图；
图8是本发明一种具体实施例中相机引导激光投影标识系统对被投影对象进行定位与目标空间曲线激光标识的整体过程图；
图9是本发明一种具体实施例中相机监测到被投影对象的位姿发生改变后，自动引导投影标识系统重新对被投影对象进行定位并标识校正目标曲线的整体过程图。
附图标记：100-激光投影标识系统，200-工业相机，300-总控装置，11-激光发射器，12-准直扩束装置，13-聚焦装置，14-二维振镜扫描头，21-光敏传感器，22-滤镜，23-聚焦镜，24-分光镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明使用的方法基于一个激光投影标识系统100（以下简称投影标识系统）、一个工业相机200（以下简称相机）与一个总控装置300，如图1所示。
其中，激光投影标识系统100如图2所示，包括激光振镜扫描装置和光敏传感装置；所述激光振镜扫描装置包括激光发射器11、准直扩束装置12、聚焦装置13和二维振镜扫描头14；所述光敏传感装置包括光敏传感器21、滤镜22、聚焦镜23和分光镜24。
所述总控装置300包括控制板和电脑主机，控制板用于协同控制激光振镜扫描装置和光敏传感装置，电脑主机用于系统软件与控制板、工业相机200之间的通信；所述光敏传感器21响应由激光发射器11发射后反射回的激光束信号。
如图3-图6所示，基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法，包括以下步骤：
步骤一：对基于激光振镜的投影标识系统进行标定，获得投影标识系统输入控制数字信号 D与其所对应出射光在投影标识系统坐标系下的空间向量V之间的映射关系
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
对参与引导定位的相机进行标定，获得相机的内参A。
步骤二：求解出相机与投影标识系统之间的相对位姿关系。
步骤二具体包括以下步骤：
步骤2.1：将贴有N个反光靶点的标定板放置在步骤一投影标识系统的投影区域内，调整相机视场使相机能观测到投影标识系统的投影区域；
步骤2.2：控制相机对步骤2.1中的标定板进行图像采样，根据相机对标定板进行图像采样获得的图像中反光靶点的中心位置
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、反光靶点中心位置在标定板坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE003
内的空间坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、以及步骤一中获得的相机内参A，求解出相机与标定板之间的相对位姿关系
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
通过人工指引的方式控制投影标识系统对投影区域内标定板上的反光靶点进行扫描点位，获取投影标识系统与标定板之间的相对位姿关系
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤2.3：根据投影区域的大小，改变标定板的放置位置，重复步骤2.2，获取M个相机与标定板之间的相对位姿关系
Figure DEST_PATH_IMAGE007
以及M个投影标识系统与标定板之间的相对位姿关系
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤2.4：根据步骤2.3中获取的M个相机与标定板之间的相对位姿关系
Figure DEST_PATH_IMAGE009
以及M个投影标识系统与标定板之间的相对位姿关系
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，可求解出M个相机与投影标识系统之间的相对位姿关系
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，以
Figure DEST_PATH_IMAGE012
的平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE013
作为相机与投影标识系统之间的最终相对位姿关系。
步骤三：当投影标识系统的投影区域内出现表面布有反光靶点的被投影对象时，控制相机对布置在被投影对象表面的反光靶点进行图像采样，根据相机对被投影对象进行图像采样获得的图像中反光靶点的中心位置
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、反光靶点的中心位置在被投影对象坐标系内的空间坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE015
、以及步骤一中获得的相机内参A，求解出相机与被投影对象之间的相对位姿关系
Figure DEST_PATH_IMAGE016
。
步骤四：借助步骤三获取的相机与被投影对象间的相对位姿关系
Figure DEST_PATH_IMAGE017
、反光靶点在被投影对象坐标系内的空间坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE018
以及步骤二获取的相机与投影标识系统之间的相对位姿关系
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，求解出反光靶点在投影标识系统坐标系内近似的空间位置
Figure DEST_PATH_IMAGE020
。
步骤五：借助步骤一中标定好的映射关系、步骤四中获取的反光靶点在投影标识系统坐标系内近似的空间位置
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，求解出投影标识系统近似投射到这些反光靶点所需要的激光振镜输入控制数字信号
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。
步骤六：以步骤五得到的数字信号
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为中心规划出一个矩形激光扫描区域，在此区域内以激光网格线的形式对处在该区域内的反光靶点进行扫描定位，从而确定投影标识系统精确投射到反光靶点中心所需要的激光振镜输入控制数字信号
Figure DEST_PATH_IMAGE024
。
步骤七：借助步骤一中标定好的映射关系、步骤六中得到的数字信号
Figure DEST_PATH_IMAGE025
、反光靶点在被投影对象坐标系内的空间坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，精确求解出投影标识系统与被投影对象之间的相对位姿关系，完成相机对投影标识系统与被投影对象之间的引导定位。
步骤八：控制相机按照固定帧率对被投影对象表面反光靶点的图像进行实时采样，并提取出反光靶点的实时中心位置
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，将采样结果
Figure DEST_PATH_IMAGE028
与步骤三中反光靶点的图像采样结果
Figure DEST_PATH_IMAGE029
进行比较，当两者之差
Figure DEST_PATH_IMAGE030
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为设定的阈值，认定此时被投影对象的位姿发生了改变。
步骤九：当位姿改变后的被投影对象表面的反光靶点采样图像处于稳定后，取稳定后新的反光靶点实时采样图像位置
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，按照步骤三至步骤七重新实现投影标识系统与被投影对象之间的位姿对齐，完成相机对投影标识系统与被投影对象之间的位姿实时监控与校正。
本发明一种具体实施例如下：
如图7所示，以一个多面体作为被投影对象，在该对象表面选取两个五边形作为目标空间曲线实施激光标识操作，并事先在多面体表面布置一定数量的反光靶点（如图7所示），反光靶点的空间位置事先已经被测量好。如图8所示，在标定完工业相机与投影标识系统之间的位姿关系后，控制相机对被投影对象进行图像采样，根据反光靶点的图像坐标与相机自身内参实现相机与多面体的定位，再通过相机坐标系下获取的反光靶点空间坐标自动引导激光投影标识系统对多面体进行激光扫描定位，最终完成投影标识系统与多面体之间的位姿关系确认，从而能够控制投影标识系统对目标曲线进行激光投影标识。
如图9所示，当多面体的位姿发生改变后，激光投射出的曲线已经与实际位置发生偏离，此时相机监测到多面体表面的反光靶点图像坐标发生明显改变，从而促发自动校正操作。当反光靶点图像坐标再次稳定以后，首先根据新的反光靶点图像坐标对多面体重新进行视觉定位，然后通过重新获取的相机坐标系下的反光靶点空间坐标，再次引导投影标识系统对多面体进行激光扫描定位，进而重新获取投影标识系统与多面体之间的位姿关系，借助该新的位姿关系重新对目标曲线进行激光投影标识，此时投射出的激光曲线又再次与其实际位置重合，最终完成整个自动校正过程。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：对基于激光振镜的投影标识系统进行标定，获得投影标识系统输入控制数字信号与其所对应出射光在投影标识系统坐标系下的空间向量之间的映射关系；
对参与引导定位的相机进行标定，获得相机的内参；
步骤二：求解出相机与投影标识系统之间的相对位姿关系；
步骤三：当投影标识系统的投影区域内出现表面布有反光靶点的被投影对象时，控制相机对布置在被投影对象表面的反光靶点进行图像采样，采样得反光靶点在被投影对象坐标系内的空间坐标，借助步骤一标定好的相机内参求解出相机与被投影对象之间的相对位姿关系；
步骤四：借助步骤三获取的相机与被投影对象间的相对位姿关系、反光靶点在被投影对象坐标系内的空间坐标以及步骤二获取的相机与投影标识系统之间的相对位姿关系，求解出反光靶点在投影标识系统坐标系内近似的空间位置；
步骤五：借助步骤一中标定好的映射关系、步骤四中获取的反光靶点在投影标识系统坐标系内近似的空间位置，求解出投影标识系统近似投射到这些反光靶点所需要的激光振镜输入控制数字信号；
步骤六：对步骤五得到的数字信号进一步处理，确定投影标识系统精确投射到反光靶点中心所需要的激光振镜输入控制数字信号；
步骤七：借助步骤一中标定好的映射关系、步骤六中得到的数字信号、反光靶点在被投影对象坐标系内的空间坐标，精确求解出投影标识系统与被投影对象之间的相对位姿关系，完成相机对投影标识系统与被投影对象之间的引导定位；
步骤八：控制相机按照固定帧率对被投影对象表面反光靶点的图像进行实时采样，将采样结果与步骤三中反光靶点的图像采样结果进行比较，当两者之差超出设定的阈值时，认定被投影对象的位姿发生了改变；
步骤九：当位姿改变后的被投影对象表面的反光靶点采样图像处于稳定后，取稳定后新的反光靶点实时采样图像位置，按照步骤三至步骤七重新实现投影标识系统与被投影对象之间的位姿对齐，完成相机对投影标识系统与被投影对象之间的位姿实时监控与校正。
2.根据权利要求1所述的基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法，其特征在于：所述步骤二具体包括以下步骤：
步骤2.1：将贴有N个反光靶点的标定板放置在步骤一投影标识系统的投影区域内，调整相机视场使相机能观测到投影标识系统的投影区域；
步骤2.2：获取相机与标定板之间的相对位姿关系、获取投影标识系统与标定板之间的相对位姿关系；
步骤2.3：根据投影区域的大小，改变标定板的放置位置，重复步骤2.2，获取多个相机与标定板之间的相对位姿关系以及多个投影标识系统与标定板之间的相对位姿关系；
步骤2.4：根据步骤2.3中获取的多个相机与标定板之间的相对位姿关系以及多个投影标识系统与标定板之间的相对位姿关系，求解出相机与投影标识系统之间的相对位姿关系。
3.根据权利要求2所述的基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法，其特征在于：所述步骤2.2中，控制相机对步骤2.1中的标定板进行图像采样，获取相机与标定板之间的相对位姿关系；
控制投影标识系统对投影区域内标定板上的反光靶点进行扫描点位，获取投影标识系统与标定板之间的相对位姿关系。
4.根据权利要求3所述的基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法，其特征在于：所述步骤2.2中，根据相机对标定板进行图像采样获得的图像中反光靶点的中心位置、反光靶点中心位置在标定板坐标系内的空间坐标、以及步骤一中获得的相机内参，求解出相机与标定板之间的相对位姿关系。
5.根据权利要求1所述的基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法，其特征在于：步骤六中对步骤五得到的数字信号进一步处理时，以步骤五得到的数字信号为中心规划出一个矩形激光扫描区域，在此区域内以激光网格线的形式对处在该区域内的反光靶点进行扫描定位，从而确定投影标识系统精确投射到反光靶点中心所需要的激光振镜输入控制数字信号。
6.根据权利要求1所述的基于相机的激光投影标识自动引导定位与实时校正方法，其特征在于：所述步骤三中，根据相机对被投影对象进行图像采样获得的图像中反光靶点的中心位置、反光靶点的中心位置在被投影对象坐标系内的空间坐标、以及步骤一中获得的相机内参，求解出相机与被投影对象之间的相对位姿关系。
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