CN113888626A - 惯性测量单元与线扫描3d相机在线联合标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置及标定方法，此装置包括安装板、第一转接架、第二转接架、二维工业相机和三维标定块；所述安装板的顶面安装于检测梁固定架上，所述第一转接架和第二转接架的一端与所述安装板的底面紧固相连；所述二维工业相机安装于第一转接架的另一端，所述三维标定块安装于第二转接架的另一端，所述二维工业相机的镜头朝向所述三维标定块；所述三维标定块的外表面呈阶梯状，各阶梯面上设有圆，各所述圆的颜色与三维标定块的外表面颜色不同。本发明具有结构简单、操作简便、成本低且精度高等优点。

Description

惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置及方法

技术领域

本发明主要涉及相机标定技术领域，具体涉及一种惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置及方法。

背景技术

铁路巡检中轨道几何参数测量技术大致分为两类：基于机械电子传感器的接触式测量与基于光学成像的非接触式测量。其中，接触式测量技术以机械电子式传感器接触铁轨表面完成测量，如轨距尺、磨耗测量仪、miniprof轨廓仪，通过机械探头接触完成轨距、钢轨磨耗测量(如轨距测量精度高达±0.1mm)。

非接触式测量技术中主要包含两种方法，第一种是结合全站仪和IMU的测量方法。例如德国GEDO CE、安博格GRP1000型号轨检车，该系统以轨检车作为精密车架，通过全站仪得到轨面高程、IMU获取列车姿态信息联合定位解算，此外还利用接触式传感器，最终实现不平顺、轨距等几何参数测量，测量精度较高。但其采用人工手推式移动，检测速度低(移动一次只采集一帧轮廓)，且无法实现钢轨磨耗测量，限制了它的应用场景，一般用于轨道铺设中测量任务。

第二种方法联合采用IMU与线扫描3D相机方法，是一种在运动模式下连续测量方法。其中线扫描3D相机完成铁轨点云数据采集，通过配准算法得到轨廓特征点(如轨面中点、轨距点)的坐标值，IMU得到的姿态信息可用于减轻或校正车体本身振动对检测精度影响。该系统因其扫描速度快、非接触激光测量不产生额外磨耗、精度稳定性高等优点成为中高速轨检车主要检测方式。其中关键一步需将IMU与线扫描3D相机联合标定，使采集到分离的左右铁轨轨廓点云图像统一到惯性基准坐标系。

如图1所示，在基于激光扫描的铁轨轨廓几何测量系统中，需要将惯性测量单元2(简称IMU)与线扫描3D相机5进行联合标定，以建立IMU为基准、两侧线扫描3D相机5空间坐标统一的点云输出。由此获得的左右铁轨11点云数据处于同一个坐标系下，可以直接利用它们进行轨距、超高等轨道几何参数的计算。其中线扫描3D相机5安装在安装架4上，安装架4安装在检测梁固定架1上。

现有的视觉传感器-IMU外参标定技术主要可分为两类：一种是基于移动平台中相机采集帧和IMU时序配对的自标定方法，如公开文件CN109029433所述；另一种是基于IMU安装位置参数并借助外部精密测量仪器的标定方法,如公开文件CN108225371中借助光瞄求得惯导与转台之间的标定矩阵。

由于相机与惯性测量单元安装与轨检车车底，安装结构体积庞大重量较重，难以实现自标定方法所要求的移动平台等条件；此外线扫描3D相机采集的数据为空间轮廓点，不同于普通相机棋盘格标定模型，因此自标定方法并不适用钢轨。

基于IMU安装位置的视觉惯导标定技术中，已有的与本发明最为相近的技术方案是靶球法，该方法通过靶球作为转接介质，借助移动式三坐标机这种精密测量仪器现场测出IMU的安装位置与靶球球心坐标，标定时分别计算出靶球球心在不同坐标系下坐标完成标定。但是靶球法由于每次标定时都需要用到移动式三坐标机，借用移动式三坐标机工时费高，定期维护时存在成本高的问题。在标定时需将靶球固定4个不同位置并分别打标，而打标时容易产生磕碰和误标，发现错误后还需重新打标，因此采集数据过程耗时且繁琐。实际使用时，采集到的数据通常经过离线处理得到最终标定结果，难以实现现场实时标定。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单、操作简便、成本低且精度高的惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置，包括安装板、第一转接架、第二转接架、二维工业相机和三维标定块；所述安装板的顶面安装于检测梁固定架上，所述第一转接架和第二转接架的一端与所述安装板的底面紧固相连；所述二维工业相机安装于第一转接架的另一端，所述三维标定块安装于第二转接架的另一端，所述二维工业相机的镜头朝向所述三维标定块；所述三维标定块的外表面呈阶梯状，各阶梯面上设有圆，各所述圆的颜色与三维标定块的外表面颜色不同。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述阶梯状外表面设有黑色氧化层，各阶梯面上的圆未被所述黑色氧化层覆盖而呈现白色基色。

所述三维标定块为铝材质的三维标定块。

所述氧化层为氧化铝。

各阶梯面沿三维标定块的高度方向依次布置；其中各阶梯面上设置有多个圆且相互对应，单个阶梯面上圆沿三维标定块的长度方向依次布置且圆心在同一直线上，不同阶梯面上相对应圆的圆心在同一直线上。

本发明还公开了一种基于如上所述的惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置的标定方法，包括步骤：

1)获取安装板上定位基准到三维标定块坐标系的旋转平移变换矩阵；

2)将安装板装配在检测梁固定架上，通过共同的定位基准进行定位，得到三维标定块到惯性测量单元坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；其中惯性测量单元与检测梁固定架的位姿关系已知；

3)二维工业相机采集三维标定块的图像，经处理获得各圆心亚像素坐标；

线扫描3D相机投射出一字线激光到三维标定块上，经图像处理获得单像素激光中心线像素坐标；

根据交比不变原理和各圆心在二维工业相机投影成像面上的点，得到一字线激光的点各特征点在三维标定块坐标系下的YW轴坐标，再根据三维标定块的尺寸得到各特征点在三维标定块坐标系下的坐标；

4)线扫描3D相机采集一字线激光的轮廓数据，对该轮廓数据进行处理，得出各特征点在线扫描3D相机成像坐标系下的坐标；

5)步骤3)和步骤4)中求得各特征点坐标，实际上为同一个点分别在三维标定块坐标系和线扫描3D相机成像坐标系下坐标，可求得两个坐标系的旋转平移变换矩阵；

再根据三维标定块坐标系到惯性测量单元关系，最终求得线扫描3D相机成像坐标系变换到惯性测量单元坐标系的旋转平移变换矩阵。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤3)中，各特征点为三维标定块边侧沿某一方向分布的三个圆的圆心连线与一字线激光的交点。

在步骤1)中，通过三坐标机获取安装板上定位基准到三维标定块坐标系的旋转平移变换矩阵。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的联合标定装置，在标定时只需将它安装于检测梁固定架上即可，操作方便；在出厂前完成整套加工装配，在轨检车使用一段时间后的再次标定维护中，此时由于不需要使用移动式三坐标机，因此交付后无二次使用费用，降低了维护成本。

本发明基于工业相机成像模型，并使用交比不变原理求取三维标定块上特征点在三维标定块坐标系上的Y_W轴方向坐标，并结合圆检测算法、光中心提取算法加以实现，能够实现惯性测量单元与线扫描3D相机高精度联合标定，并且具有操作简便、低成本、精度高特点。

附图说明

图1为现有技术中基于激光扫描技术的铁轨轨廓几何测量系统。

图2为本发明的联合标定装置在实施例的结构示意图。

图3为本发明中的三维标定块在实施例的结构示意图。

图4为本发明的标定装置在具体应用时的实施例图。

图5为图4的A-A视图。

图6为本发明中的二维工业相机采集图像(无激光)。

图7为本发明中的二维工业相机采集图像(包含一字线激光)。

图8为本发明中基于交比不变原理得出特征点在三维标定块坐标系下Y_W轴坐标。

图9为本发明中的3D轮廓相机采集的一帧轮廓图。

图10本发明的坐标变换关系流程图。

图例说明：1、检测梁固定架；2、惯性测量单元；3、截停伸长杆；4、安装架；5、线扫描3D相机；6、一字激光线；7、安装板；8、第一转接架；9、第二转接架；10、三维标定块；11、铁轨；12、二维工业相机；13、镜头。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图2～5所示，本实施例的惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置，包括安装板7、第一转接架8、第二转接架9、二维工业相机12和三维标定块10；安装板7的顶面安装于检测梁固定架1上，第一转接架8和第二转接架9的一端与安装板7的底面紧固相连；二维工业相机12安装于第一转接架8的另一端，三维标定块10安装于第二转接架9的另一端，二维工业相机12的镜头13朝向三维标定块10；三维标定块10的外表面呈阶梯状，各阶梯面上设有圆，各圆的颜色与三维标定块10的外表面颜色不同。

在一具体实施例中，阶梯状外表面设有黑色氧化层，各阶梯面上的圆未被黑色氧化层覆盖而呈现白色基色。其中三维标定块10为铝材质，氧化层为氧化铝。具体加工工艺是用铝材先加工出阶梯块的外形，然后表面氧化成黑色氧化铝，最后通过激光刻蚀或者刀刻方法在阶梯块表面加工圆(将表面黑色氧化铝刮去露出白色铝材基色)。

在一具体实施例中，各阶梯面沿三维标定块10的高度方向依次布置；其中各阶梯面上设置有多个圆且相互对应，单个阶梯面上圆沿三维标定块10的长度方向依次布置且圆心在同一直线上，不同阶梯面上相对应圆的圆心在同一直线上。

本发明的联合标定装置，在标定时只需将它安装于检测梁固定架1上即可，操作方便；在出厂前完成整套加工装配，在轨检车使用一段时间后的再次标定维护中，此时由于不需要使用移动式三坐标机，因此交付后无二次使用费用，降低了维护成本。

本发明还公开了一种基于如上所述的惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置的标定方法，包括步骤：

1)获取安装板7上定位基准到三维标定块10坐标系的旋转平移变换矩阵；

2)将安装板7装配在检测梁固定架1上，通过共同的定位基准进行定位，得到三维标定块10到惯性测量单元2坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；其中惯性测量单元2与检测梁固定架1的位姿关系已知；

3)二维工业相机12采集三维标定块10的图像，经处理获得各圆心亚像素坐标；

线扫描3D相机5投射出一字线激光6到三维标定块10上，经图像处理获得单像素激光中心线像素坐标；

根据交比不变原理和各圆心在二维工业相机12投影成像面上的点，得到一字线激光6的点各特征点在三维标定块10坐标系下的Y_W轴坐标，再根据三维标定块10的尺寸得到各特征点在三维标定块10坐标系下的坐标；

4)线扫描3D相机5采集一字线激光6的轮廓数据，对该轮廓数据进行处理，得出各特征点在线扫描3D相机5成像坐标系下的坐标；

5)步骤3)和步骤4)中求得各特征点坐标，实际上为同一个点分别在三维标定块10坐标系和线扫描3D相机5成像坐标系下坐标，可求得两个坐标系的旋转平移变换矩阵；

再根据三维标定块10坐标系到惯性测量单元2关系，最终求得线扫描3D相机5成像坐标系变换到惯性测量单元2坐标系的旋转平移变换矩阵。

在一具体实施例中，在步骤3)中，各特征点为三维标定块10边侧沿某一方向分布的三个圆的圆心连线与一字线激光6的交点。

本发明基于工业相机成像模型，并使用交比不变原理求取三维标定块10上特征点在三维标定块10坐标系上的Y_W轴方向坐标，并结合圆检测算法、光中心提取算法加以实现，能够实现惯性测量单元2与线扫描3D相机5高精度联合标定，并且具有操作简便、低成本、精度高特点。

下面结合一具体的实施例对上述发明做进一步详细说明：

步骤1：将图2中的安装板7、第一转接架8、第二转接架9、二维工业相机12和三维标定块10依次紧固连接，组成标定装置；出厂前用三坐标机测量获得安装板7上定位基准到三维标定块10坐标系的旋转平移变换矩阵；

步骤2：将图4中检测梁固定架1和安装板7装配时，通过共同的定位基准来定位和固紧，而惯性测量单元2和检测梁固定架1的位姿关系已知，其中检测梁固定架1与截停伸长杆3相连；最终，可求出三维标定块10到惯性测量单元2坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；

步骤3：图4中二维工业相机12采集三维标定块10的图像如图5所示，经处理获得其圆心亚像素坐标；线扫描3D相机5投射出一字线激光6到三维标定块10上，如图6所示，经图像处理获得单像素激光中心线像素坐标，根据交比不变原理：

其中e、f、h、m为E、F、H、M在二维工业相机12投影成像面上的点(已知)，如图7所示，其中E、F、H为三维标定块10边侧沿Y_W方向分布的三个圆的圆心，M为E、F、H的连线与一字线激光6的交点；

可求出M、N、P、Q、U、V点在三维标定块10坐标系下Y_W轴坐标，如图8所示，X_W轴和Z_W轴坐标为三维标定块10固定尺寸的高度和宽度，因此该步骤可得各点在三维标定块10坐标系下的(X_W，Y_W，Z_W)；

步骤4：线扫描3D相机5采集的轮廓数据如图8所示，对该轮廓数据进行处理，得出M、N、P、Q、U、V在线扫描3D相机5成像坐标系O_C-X_CY_CZ_C下的坐标(X_c,Y_c,Z_c)；

步骤5：步骤3和步骤4中求得的M～V点坐标，实际上为同一个点分别在三维标定块10坐标系O_W-X_WY_WZ_W(图3所示)和线扫描3D相机5O_C-X_CY_CZ_C(图8所示)成像坐标系下坐标，可求得两个坐标系的旋转平移变换矩阵。

而步骤1和2求得三维标定块10坐标系O_W-X_WY_WZ_W到惯性测量单元2关系，最终求得线扫描3D相机5成像坐标系变换到惯性测量单元2坐标系的旋转平移变换矩阵。

上述坐标变换关系如图9所示。

本发明替代已有的靶球法完成标定，具有操作简单方便、维护成本低特点，并且可以完成实时高精度的现场作业。

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，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置，其特征在于，包括安装板(7)、第一转接架(8)、第二转接架(9)、二维工业相机(12)和三维标定块(10)；所述安装板(7)的顶面安装于检测梁固定架(1)上，所述第一转接架(8)和第二转接架(9)的一端与所述安装板(7)的底面紧固相连；所述二维工业相机(12)安装于第一转接架(8)的另一端，所述三维标定块(10)安装于第二转接架(9)的另一端，所述二维工业相机(12)的镜头(13)朝向所述三维标定块(10)；所述三维标定块(10)的外表面呈阶梯状，各阶梯面上设有圆，各所述圆的颜色与三维标定块(10)的外表面颜色不同。

2.根据权利要求1所述的惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置，其特征在于，所述阶梯状外表面设有黑色氧化层，各阶梯面上的圆未被所述黑色氧化层覆盖而呈现白色基色。

3.根据权利要求2所述的惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置，其特征在于，所述三维标定块(10)为铝材质的三维标定块。

4.根据权利要求3所述的惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置，其特征在于，所述氧化层为氧化铝。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置，其特征在于，各阶梯面沿三维标定块(10)的高度方向依次布置；其中各阶梯面上设置有多个圆且相互对应，单个阶梯面上圆沿三维标定块(10)的长度方向依次布置且圆心在同一直线上，不同阶梯面上相对应圆的圆心在同一直线上。

6.一种基于权利要求1～5中任意一项所述的惯性测量单元与线扫描3D相机在线联合标定装置的标定方法，其特征在于，包括步骤：

1)获取安装板(7)上定位基准到三维标定块(10)坐标系的旋转平移变换矩阵；

2)将安装板(7)装配在检测梁固定架(1)上，通过共同的定位基准进行定位，得到三维标定块(10)到惯性测量单元(2)坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；其中惯性测量单元(2)与检测梁固定架(1)的位姿关系已知；

3)二维工业相机(12)采集三维标定块(10)的图像，经处理获得各圆心亚像素坐标；

线扫描3D相机(5)投射出一字线激光(6)到三维标定块(10)上，经图像处理获得单像素激光中心线像素坐标；

根据交比不变原理和各圆心在二维工业相机(12)投影成像面上的点，得到一字线激光(6)的点各特征点在三维标定块(10)坐标系下的YW轴坐标，再根据三维标定块(10)的尺寸得到各特征点在三维标定块(10)坐标系下的坐标；

4)线扫描3D相机(5)采集一字线激光(6)的轮廓数据，对该轮廓数据进行处理，得出各特征点在线扫描3D相机(5)成像坐标系下的坐标；

5)步骤3)和步骤4)中求得各特征点坐标，实际上为同一个点分别在三维标定块(10)坐标系和线扫描3D相机(5)成像坐标系下坐标，可求得两个坐标系的旋转平移变换矩阵；

再根据三维标定块(10)坐标系到惯性测量单元(2)关系，最终求得线扫描3D相机(5)成像坐标系变换到惯性测量单元(2)坐标系的旋转平移变换矩阵。

7.根据权利要求6所述的标定方法，其特征在于，在步骤3)中，各特征点为三维标定块(10)边侧沿某一方向分布的三个圆的圆心连线与一字线激光(6)的交点。

8.根据权利要求6所述的标定方法，其特征在于，在步骤1)中，通过三坐标机获取安装板(7)上定位基准到三维标定块(10)坐标系的旋转平移变换矩阵。

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