CN113781535A - 一种基于振动传感器的视觉3d点云数据的补偿装置及补偿方法 - Google Patents

一种基于振动传感器的视觉3d点云数据的补偿装置及补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于振动传感器的视觉3D点云数据的补偿装置及补偿方法，所述补偿装置在扫描待测工件的激光相机中设计了相机防振模块，利用加速度传感器捕获相机水平移动过程中产生的振动信号，补偿方法利用该装置，通过标定确定世界坐标系，并构建临时坐标系，在检测出相机振动的加速度后，通过二次积分求解出相机在三个方向上的位移量，通过坐标变换计算得到相机振动造成的点云偏移量，并对其进行补偿，有效抑制了相机振动对测量结果的影响，提升了高温锻造环境下工件测量的精度。

Description

一种基于振动传感器的视觉3D点云数据的补偿装置及补偿 方法
技术领域
本发明属于锻造自动化技术领域，特别是一种基于振动传感器的视觉3D点云数据的补偿装置及方法。
背景技术
在高温锻造生产线检测任务中，由于存在诸多干扰因素，包括现场空气中的大量粉尘、机械振动、高温辐射等，给自动化检测带来了巨大的困难。在现有的技术条件下，可以采用全封闭机壳抑制粉尘影响，并利用吹尘枪对堆积的粉尘进行定期清理；采用半导体温差片控制内外热量流动，抑制高温辐射影响。
但是，环境中的机械振动通常较难消除，所以必须对振动信号进行有效处理，减小其对测量精度带来较大的不利影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于振动传感器的视觉3D点云数据的补偿装置及补偿方法，以克服现有技术中机械振动对锻件的测量精度影响等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿装置，包括直线运动模块、激光相机模块、工件放置台、水平仪；
所述直线运动模块与激光相机模块相连接，激光相机模块用于采集待测工件表面的点云数据，直线运动模块用于带动激光相机模块进行运动；
所述工件放置台用于防止待测工件，水平仪设置在工件放置台上，用于确定水平面。
所述直线运动模块包括伺服电机和直线模组，伺服电机和直线模组相连接，并带动直线模组移动。
所述激光相机模块包括相机外壳、激光相机、相机防振模块和控制电路板；
所述相机外壳与直线运动模块相连接，相机外壳内设置激光相机，相机外壳内部侧壁还设置相机防振模块和控制电路板；
控制电路板用于控制相机工作；
相机防振模块包括加速度传感器，用于获取振动信号。
一种基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿方法，包括以下步骤：
步骤1，对待测工件扫描，得到点云信息；
步骤2，获取振动偏移量；
步骤3，进行坐标变换，将振动传感器坐标系下得到的振动偏移量变换到激光相机测量系统给出的世界坐标系下；
步骤4，利用世界坐标系下的偏移量，对点云进行补偿。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明的补偿装置，在激光相机模块的相机防振模块中内置加速度传感器获取微弱的振动信号，结构简单，易于实施；
(2)本发明的补偿方法通过标定确定世界坐标系，并构建临时坐标系，在检测出相机振动的加速度后，通过二次积分求解出相机在三个方向上的位移量，并通过旋转矩阵变换得到对应点的坐标值，从而对相机振动带来的点云偏差进行补偿，有效抑制了相机振动对测量结果的影响，提升了高温锻造环境下工件测量的精度。
下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的补偿装置结构的示意图。
图2为本发明中世界坐标系WCS与临时坐标系TCS示意图。
图3为本发明实施例中相机产生振动时扫描得到的点云与未振动时扫描得到的点云对比示意图。
图4为本发明实施例中经过振动传感器补偿得到的点云示意图。
图5为本发明的补偿方法步骤流程图。
具体实施方式
一种基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿装置，包括直线运动模块、激光相机模块、工件放置台4、水平仪8；
所述直线运动模块与激光相机模块相连接，激光相机模块用于采集待测工件表面的点云数据，直线运动模块用于带动激光相机模块进行运动；
所述工件放置台4用于防止待测工件，水平仪8设置在工件放置台4上，用于确定水平面。
所述直线运动模块包括伺服电机5和直线模组1，伺服电机5和直线模组1相连接，并带动直线模组1在直线方向上移动。
所述激光相机模块包括相机外壳、激光相机7、相机防振模块和控制电路板2；
所述相机外壳与直线运动模块相连接，相机外壳内设置激光相机7，相机外壳内部侧壁还设置相机防振模块和控制电路板2；
控制电路板2用于控制相机工作；
相机防振模块包括加速度传感器6，用于获取振动信号。
一种基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿方法，包括以下步骤：
步骤1，对待测工件扫描，得到点云信息；
步骤2，获取振动偏移量，具体为：
步骤2-1，获取激光相机模块扫描启动时，加速度传感器时间ts；
步骤2-2，激光相机测量系统由于外部因素产生振动时，加速度传感器获取由振动产生的X，Y，Z三个方向上的加速度ax，ay，az，记录振动结束的时间te，以及振动持续时间Δt；
判断振动持续时间Δt是否大于相机获取两帧时间的间隔，若大于相机获取两帧时间的间隔，则对Δt进行离散处理，得到Δt1，Δt2，……，Δtn，其中
Δt＝Δt1+Δt2+…+Δtn
步骤2-3，对加速度在振动持续时间上进行两次积分得到L＝∫∫adt，确定X，Y，Z三个方向上由振动产生的位移偏移量Lx，Ly，Lz。
步骤3，进行坐标变换，将振动传感器坐标系下得到的振动偏移量变换到激光相机测量系统给出的世界坐标系下，具体为：
步骤3-1，对激光相机测量系统的相机进行标定，得到相机的内外参数，并确定同一平面的世界坐标系WCS；
步骤3-2，在相机的有效视野内，利用水平仪确定水平面，并在该水平面上构建临时坐标系TCS；
步骤3-3，利用标定板分别在世界坐标系WCS和临时坐标系TCS对应特征点，确定临时坐标系TCS相对于世界坐标系WCS的旋转矩阵M，其中
Figure BDA0003220969760000031
Figure BDA0003220969760000032
Figure BDA0003220969760000041
M＝Rx(θ)Ry(θ)Rz(θ)
其中，θ为世界坐标系WCS和临时坐标系TCS对应坐标轴之间的夹角；
步骤3-4，将步骤1中获取的在临时坐标系TCS下的位移偏移量Lx，Ly，Lz通过旋转矩阵M变换到世界坐标系WCS下，记为Lwx，Lwy，Lwz；
步骤3-5，进一步对激光相机测量系统标定，得到光平面以及运动姿态标定结果。
步骤4，利用世界坐标系下的偏移量，对点云进行补偿，具体为：
步骤4-1，由激光相机模块启动时间ts、振动持续时间Δt和振动结束时间te，确定振动时对应相机记录的帧所对应的点云数据；
步骤4-2，将世界坐标系WCS下的偏移量Lwx，Lwy，Lwz，写入对应的点云数据，进行补偿。
下面通过附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例
结合图1，一种基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿装置，包括直线运动模块、激光相机模块、工件放置台4、水平仪8；
所述直线运动模块与激光相机模块相连接，激光相机模块用于采集待测工件表面的点云数据，直线运动模块用于带动激光相机模块进行运动；
所述工件放置台4用于防止待测工件，水平仪8设置在工件放置台4上，用于确定水平面。
所述直线运动模块包括伺服电机5和直线模组1，伺服电机5和直线模组1相连接，并带动直线模组1在直线方向上移动。
所述激光相机模块包括相机外壳、激光相机7、相机防振模块和控制电路板2；
所述相机外壳与直线运动模块相连接，相机外壳内设置激光相机7，相机外壳内部侧壁还设置相机防振模块和控制电路板2；
控制电路板2用于控制相机工作；
相机防振模块包括加速度传感器6，用于获取振动信号。
结合图5，一种基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿方法，包括以下步骤：
步骤1，对待测工件扫描，得到点云信息；
步骤2，获取振动偏移量，具体为：
步骤2-1，获取激光相机模块扫描启动时，加速度传感器时间ts；
步骤2-2，激光相机测量系统由于外部因素产生振动时，加速度传感器获取由振动产生的X，Y，Z三个方向上的加速度ax，ay，az，记录振动结束的时间te，以及振动持续时间Δt；
判断振动持续时间Δt是否大于相机获取两帧时间的间隔，若大于相机获取两帧时间的间隔，则对Δt进行离散处理，得到Δt1，Δt2，……，Δtn，其中
Δt＝Δt1+Δt2+…+Δtn
步骤2-3，对加速度在振动持续时间上进行两次积分得到L＝∫∫adt，确定X，Y，Z三个方向上由振动产生的位移偏移量Lx，Ly，Lz。
步骤3，进行坐标变换，将振动传感器坐标系下得到的振动偏移量变换到激光相机测量系统给出的世界坐标系下，具体为：
步骤3-1，对激光相机测量系统的相机进行标定，得到相机的内外参数，并确定同一平面的世界坐标系WCS；
步骤3-2，在相机的有效视野内，利用水平仪确定水平面，并在该水平面上构建临时坐标系TCS；
步骤3-3，利用标定板分别在世界坐标系WCS和临时坐标系TCS对应特征点，确定临时坐标系TCS相对于世界坐标系WCS的旋转矩阵M，其中
Figure BDA0003220969760000051
Figure BDA0003220969760000052
Figure BDA0003220969760000053
M＝Rx(θ)Ry(θ)Rz(θ)
其中，θ为世界坐标系WCS和临时坐标系TCS对应坐标轴之间的夹角，如图2所示；
步骤3-4，将步骤1中获取的在临时坐标系TCS下的位移偏移量Lx，Ly，Lz通过旋转矩阵M变换到世界坐标系WCS下，记为Lwx，Lwy，Lwz；
步骤3-5，进一步对激光相机测量系统标定，得到光平面以及运动姿态标定结果。
步骤4，利用世界坐标系下的偏移量，对点云进行补偿，具体为：
步骤4-1，由激光相机模块启动时间ts、振动持续时间Δt和振动结束时间te，确定振动时对应相机记录的帧所对应的点云数据；
步骤4-2，将世界坐标系WCS下的偏移量Lwx，Lwy，Lwz，写入对应的点云数据，进行补偿。
结合图3所示，为产生振动时扫描得到的点云与未产生振动时正常扫描得到的点云对比示意图，下面的曲线为正常扫描得到的点云示意图，上面的曲线为相机产生振动时扫描得到的点云示意图。由图可知相机振动对点云扫描结果产生了较大误差，所以需要对其进行补偿。
结合图4所示，为经过振动传感器补偿得到的点云示意图，上面的曲线为相机产生振动时扫描得到的点云示意图，下面的曲线为经过振动传感器补偿后得到的点云示意图。由图可知，经过振动传感器补偿之后，由相机振动带来的点云偏移得到了较好的修正，有效抑制了相机振动对测量结果的影响。
本发明在激光相机中设计了相机防振模块，利用加速度传感器捕获相机水平移动过程中产生的振动信号，并通过坐标变换计算得到相机振动造成的点云偏移量，并对其进行补偿，有效抑制了相机振动对测量结果的影响，提升了高温锻造环境下工件测量的精度。
以上述依据本发明的优选实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿装置，其特征在于，包括直线运动模块、激光相机模块、工件放置台(4)、水平仪(8)；
所述直线运动模块与激光相机模块相连接，激光相机模块用于采集待测工件表面的点云数据，直线运动模块用于带动激光相机模块进行运动；
所述工件放置台(4)用于防止待测工件，水平仪(8)设置在工件放置台(4)上，用于确定水平面。
2.根据权利要求1所述的基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿装置，其特征在于，所述直线运动模块包括伺服电机(5)和直线模组(1)，伺服电机(5)和直线模组(1)相连接，并带动直线模组(1)移动。
3.根据权利要求2所述的基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿装置，其特征在于，所述激光相机模块包括相机外壳、激光相机(7)、相机防振模块和控制电路板(2)；
所述相机外壳与直线运动模块相连接，相机外壳内设置激光相机(7)，相机外壳内部侧壁还设置相机防振模块和控制电路板(2)；
控制电路板(2)用于控制相机工作；
相机防振模块包括加速度传感器(6)，用于获取振动信号。
4.根据权利要求1-3所述的基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对待测工件扫描，得到点云信息；
步骤2，获取振动偏移量；
步骤3，进行坐标变换，将振动传感器坐标系下得到的振动偏移量变换到激光相机测量系统给出的世界坐标系下；
步骤4，利用世界坐标系下的偏移量，对点云进行补偿。
5.根据权利要求4所述的基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿方法，其特征在于，所述步骤2中的获取振动偏移量，具体包括以下步骤：
步骤2-1，获取激光相机模块扫描启动时，加速度传感器时间ts；
步骤2-2，激光相机测量系统由于外部因素产生振动时，加速度传感器获取由振动产生的X，Y，Z三个方向上的加速度ax，ay，az，记录振动结束的时间te，以及振动持续时间Δt；
步骤2-3，对加速度在振动持续时间上进行两次积分得到L＝∫∫adt，确定X，Y，Z三个方向上由振动产生的位移偏移量Lx，Ly，Lz。
6.根据权利要求5所述的基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿方法，其特征在于，所述步骤2-2中的加速度传感器获取振动持续时间Δt时，判断其是否大于相机获取两帧时间的间隔，若大于相机获取两帧时间的间隔，则对Δt进行离散处理，得到Δt1，Δt2，……，Δtn，其中
Δt＝Δt1+Δt2+…+Δtn。
7.根据权利要求4所述的基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿方法，其特征在于，所述步骤3中的坐标变换，具体包括以下步骤：
步骤3-1，对激光相机测量系统的相机进行标定，得到相机的内外参数，并确定同一平面的世界坐标系WCS；
步骤3-2，在相机的有效视野内，利用水平仪确定水平面，并在该水平面上构建临时坐标系TCS；
步骤3-3，利用标定板分别在世界坐标系WCS和临时坐标系TCS对应特征点，确定临时坐标系TCS相对于世界坐标系WCS的旋转矩阵M，其中
Figure FDA0003220969750000021
Figure FDA0003220969750000022
Figure FDA0003220969750000023
M＝Rx(θ)Ry(θ)Rz(θ)
其中，θ为世界坐标系WCS和临时坐标系TCS对应坐标轴之间的夹角；
步骤3-4，将步骤1中获取的在临时坐标系TCS下的位移偏移量Lx，Ly，Lz通过旋转矩阵M变换到世界坐标系WCS下，记为Lwx，Lwy，Lwz；
步骤3-5，进一步对激光相机测量系统标定，得到光平面以及运动姿态标定结果。
8.根据权利要求4所述的基于振动传感器的视觉3D点云数据补偿方法，其特征在于，所述步骤4中的利用世界坐标系下的偏移量，对点云进行补偿，具体包括以下步骤：
步骤4-1，由激光相机模块启动时间ts、振动持续时间Δt和振动结束时间te，确定振动时对应相机记录的帧所对应的点云数据；
步骤4-2，将世界坐标系WCS下的偏移量Lwx，Lwy，Lwz，写入对应的点云数据，进行补偿。
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