CN114136357A - 一种适用于面结构光传感器的测试方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于面结构光传感器的测试方法及测试系统，该方法中待测物固定在夹具上，夹具上固定设特征点I，利用其构建单次测量的理论坐标系；获取各位姿下理论坐标系与夹具坐标系的转换关系；测试步骤如下：1)某一预设位姿获取传感器坐标系下所有点的三维坐标，基于特征点I构建局部坐标系，获取待测物上特征点在局部坐标系下的三维坐标；2)获取不同理论坐标系下各点的偏差值，再获取夹具坐标系下的偏差值；3)求各点在夹具坐标系下的实测三维坐标；4)基于RPS点求取夹具坐标系与零件坐标系的转换关系，获取待测物上特征点在零件坐标系下的坐标。该方法无需外部跟踪系统，能实现高精度的绝对测量，系统造价低，便于商业推广。

Description

一种适用于面结构光传感器的测试方法及测试系统

技术领域

本发明涉及自动化生产与检测领域，具体涉及一种适用于面结构光传感器的测试方法及测试系统。

背景技术

目前针对零件尺寸的非接触式的在线测量，可大致分为三种。第一种，借助机器人重复性到位的柔性在线测量。该测量模型可用公式P＝X×B×Z×Pc表示，众所周知，X(视觉传感器与机器人法兰盘的坐标系转化关系)和Z(机器人Base与零件的坐标系转换关系)是一个固定矩阵，可以通过标定的方式准确获得，而B(机器人法兰盘实际坐标系与机器人Base的关系)受机器人运动学的限制，必然会存在绝对到位精度(±2mm)和到位重复性(±0.06mm)的问题，这已然成为制约整套系统精度的关键一环。工业上普遍采用与三坐标测量值比对的方法，来提高系统精度，但该方法无法修正波动量，且会引入两套测量系统之间固有的差异误差，所以对该系统的精度提升十分有限。

第二种，借助外部跟踪系统，建立全局坐标系的柔性绝对测量。该测量模型可用公式P＝A×T×Pc表示，其中T(跟踪系统与零件的坐标系转换关系)是一个固定矩阵，A(视觉传感器与跟踪系统的坐标转换关系)的准确度取决于外部跟踪系统的动态精度。该套测量系统相比于上一种，机器人只是视觉传感器的运动载体，系统精度不再受机器人到位精度与重复性的影响。一般所选用的外部跟踪系统有跟踪仪，全站仪，高分辨率全局相机等，这些外部跟踪系统的精度(15μm+6μm/m)能达到计量等级，理论上能实现零件特征的绝对测量。但对于每一个被测特征，视觉传感器在测量时需要注意视线，保证较好地暴露在外置的跟踪系统中，这导致该套系统的检测率很难达到100％，且外置的跟踪系统会使整套测量系统的成本成倍增加。

第三种，激光雷达。通过测量被测目标的水平角，俯仰角和距离得到目标的坐标信息，进而转化为直角坐标系坐标(X,Y,Z)。得益于激光测距无固定景深的优势，再配上测头内置的高精度旋转编码器，让激光雷达自身即可实现大范围长工作距的测量工作。工业上多将其安装在机器人末端，实现柔性在线测量。该测量模型可用公式P＝R×Pc表示，R是激光雷达实时坐标系与零件坐标系的转换关系，可通过测量固定球座进行实时精确标定。但整套系统造价较高，无法广泛应用在每一个需要在线测量的工位。

可见现有方法中，第一种依赖于机器人的重复精度，后两种需要借助外加设备，造价高，不利于实际推广。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于面结构光传感器的测试方法及测试系统，该方法无需外部跟踪系统，能实现高精度的绝对测量，无附加设备，系统造价成本低，便于在商业市场上推广。

为此，本发明的技术方案如下：

一种适用于面结构光传感器的测试方法，待测物被夹具固定，所述夹具上固定设有特征点I，所述面结构光传感器单次测量时能同时获取全部或局部的待测物图像和至少三个特征点I的图像；

所述特征点I在同一坐标系下的三维坐标值预先通过高精度测试设备获取，此坐标系记为夹具坐标系；在面结构光传感器单次测量的视场内，分别依据其中三个特征点I的坐标值构建各位姿所对应的理论坐标系；获取各位姿所对应的理论坐标系与夹具坐标系的转换关系；

假定待测物数模坐标系原点与夹具坐标系原点重合，依据待测物数模数据获取夹具坐标系下待测物上各特征点的三维坐标，记为点集Q；分别获取不同位姿所确定的理论坐标系下各特征点的三维坐标，记为点集Q_n’，n＝1，2，3……面结构光传感器变换的位姿总数；

所述测试方法包括如下步骤：

1)所述面结构光传感器在某一预设位姿下获取面结构光传感器坐标系下的待测物上特征点的三维坐标以及视野内特征点I的三维坐标，基于特征点I的三维坐标构建局部坐标系，获取结构光传感器坐标系与局部坐标系的转换关系，继而将待测物上特征点的三维坐标从结构光传感器坐标系转换到局部坐标系下，记为点集P_n，n＝1，2，3……面结构光传感器变换的位姿总数；

2)基于特征点I获取局部坐标系与理论坐标系的转换关系，继而将点集P_n中数据转换到理论坐标系下，记为点集P_n’，将点集P_n’与点集Q_n’对照，获取不同理论坐标系下各点的偏差值；

基于理论坐标系与夹具坐标系的转换关系，获取夹具坐标系下各点的偏差值；

3)在夹具坐标系下，点集Q中各点加上步骤2)获取的偏差值，得到各点在夹具坐标系下的实测三维坐标，记为点集M；

4)从点集M中选取RPS点在夹具坐标系下的实测三维坐标，获取RPS点在零件坐标系下的三维坐标，求取夹具坐标系与零件坐标系的旋转平移关系，继而将点集M中所有点转换到零件坐标系下。RPS点通常为RPS孔，但也可以基于实际基准点的形态转换为其它形态，只要能实现定位即可。进一步，所述高精度测试设备为三坐标测试机、关节臂式测量机或者激光跟踪仪。

进一步，所述特征点I为反光标记点、靶球或孔。

进一步，步骤2)中分别在各位姿下单独计算其对应理论坐标系各点的偏差值。

一种适用于面结构光传感器的测试系统，包括用于固定待测物的夹具及面结构光传感器；所述夹具上固定设有特征点I，所述面结构光传感器单次测量时能同时获取全部或局部的待测物图像和至少三个特征点I的图像。更进一步，该测试系统包括标准数据模块、零件标准数据模块、实测模块和结论获取模块；

所述标准数据模块存储有面结构光传感器单次测量位姿下构建的理论坐标系到夹具坐标系之间的转换关系，以供调用；所述夹具坐标系下各特征点I的三维坐标预先通过高精度测试设备获取；所述面结构光传感器单次测量位姿下构建的理论坐标系基于单次测量时视场内的特征点I构建；

所述零件标准数据模块存储有点集Q及点集Q_n’，n＝1，2，3……面结构光传感器变换的位姿总数；所述点集Q为假定待测物数模坐标系原点与夹具坐标系原点重合，依据待测物数模数据获取的夹具坐标系下待测物上各特征点的三维坐标；所述点集Q_n’为将点集Q中的点对应转换到不同理论坐标系下的各特征点的三维坐标；

所述实测模块用于获取夹具坐标系下各点的三维坐标，即点集M；获取方法包括如下步骤：①在所述面结构光传感器的某一预设位姿下，获取面结构光传感器坐标系下的待测物上特征点的三维坐标以及视野内特征点I的三维坐标，基于特征点I的三维坐标构建局部坐标系，获取结构光传感器坐标系与局部坐标系的转换关系，继而将待测物上特征点的三维坐标从结构光传感器坐标系转换到局部坐标系下，记为点集P_n，n＝1，2，3……面结构光传感器变换的位姿总数；②基于特征点I获取局部坐标系与理论坐标系的转换关系，继而将点集P_n中数据转换到理论坐标系下，记为点集P_n’，将点集P_n’与点集Q_n’对照，获取不同理论坐标系下各点的偏差值；基于理论坐标系与夹具坐标系的转换关系，获取夹具坐标系下各点的偏差值；③在夹具坐标系下，点集Q中各点加上步骤②获取的偏差值，得到各点在夹具坐标系下的实测三维坐标，记为点集M；

所述结论获取模块用于获取零件坐标系下所有点的坐标；其基于待测零件上RPS点在零件坐标系、夹具坐标系下三维坐标获取两个坐标系之间的转换关系，继而将点集M中各点转换到零件坐标系下。

该测试方法及测试系统，该方法无需外部跟踪系统，能实现高精度的绝对测量，无附加设备，系统造价成本低，便于在商业市场上推广。

附图说明

图1为本发明提供的适用于面结构光传感器的测试方法的流程图；

图2为本发明提供的适用于面结构光传感器的测试方法的测试系统图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

一种适用于面结构光传感器的测试方法，待测物被夹具固定，夹具上固定设有特征点I，面结构光传感器1单次测量时能同时获取全部或局部的待测物图像和至少三个特征点I的图像；特征点I可以为人工贴在夹具上的反光标记点，或者设置在夹具上位置固定的靶球或孔；

特征点I在同一坐标系下的三维坐标值预先通过高精度测试设备获取，此坐标系记为夹具坐标系(具体来说：高精度测试设备可以为三坐标测试机、关节臂式测量机或者激光跟踪仪，只要精度高于测试精度要求即可)；在面结构光传感器单次测量的视场内，分别依据其中三个特征点I的坐标值构建各位姿所对应的理论坐标系；获取各位姿所对应的理论坐标系与夹具坐标系的转换关系；

假定待测物数模坐标系原点与夹具坐标系原点重合，依据待测物数模数据获取夹具坐标系下待测物上各特征点的三维坐标，记为点集Q；分别获取不同位姿所确定的理论坐标系下各特征点的三维坐标，记为点集Q_n’，n＝1，2，3……面结构光传感器变换的位姿总数；

测试方法包括如下步骤：

1)面结构光传感器1在某一预设位姿下获取面结构光传感器坐标系下的待测物上特征点的三维坐标以及视野内特征点I的三维坐标，基于特征点I的三维坐标构建局部坐标系，获取结构光传感器坐标系与局部坐标系2的转换关系，继而将待测物上特征点3的三维坐标从面结构光传感器坐标系转换到局部坐标系下，记为点集P_n，n＝1，2，3……面结构光传感器变换的位姿总数；

2)基于特征点I获取局部坐标系与理论坐标系的转换关系，继而将点集P_n中数据转换到理论坐标系下，记为点集P_n’，将点集P_n’与点集Q_n’对照，获取不同理论坐标系下各点的偏差值；也即在各位姿下单独计算其对应理论坐标系各点的偏差值；

基于理论坐标系与夹具坐标系的转换关系，获取夹具坐标系下各点的偏差值；

3)在夹具坐标系下，点集Q中各点加上步骤2)获取的偏差值，得到各点在夹具坐标系下的实测三维坐标，记为点集M；

4)从点集M中选取RPS点在夹具坐标系下的实测三维坐标，获取RPS点在零件坐标系下的三维坐标，求取夹具坐标系与零件坐标系的旋转平移关系，继而将点集M中所有点转换到零件坐标系下。RPS点通常为RPS孔，但也可以基于实际基准点的形态转换为其它形态，只要能实现定位即可。

上述适用于面结构光传感器的测试方法通过以下测试系统实现：包括用于固定待测物的夹具及面结构光传感器；夹具上固定设有特征点I，面结构光传感器单次测量时能同时获取全部或局部的待测物图像和至少三个特征点I的图像。更进一步，该测试系统包括标准数据模块、零件标准数据模块、实测模块和结论获取模块；

标准数据模块存储有面结构光传感器单次测量位姿下构建的理论坐标系到夹具坐标系之间的转换关系，以供调用；夹具坐标系下各特征点I的三维坐标预先通过高精度测试设备获取；面结构光传感器单次测量位姿下构建的理论坐标系基于单次测量时视场内的特征点I构建；

零件标准数据模块存储有点集Q及点集Q_n’，n＝1，2，3……面结构光传感器变换的位姿总数；点集Q为假定待测物数模坐标系原点与夹具坐标系原点重合，依据待测物数模数据获取的夹具坐标系下待测物上各特征点的三维坐标；点集Q_n’为将点集Q中的点对应转换到不同理论坐标系下的各特征点的三维坐标；

实测模块用于获取夹具坐标系下各点的三维坐标，即点集M；获取方法包括如下步骤：①在面结构光传感器的某一预设位姿下，获取面结构光传感器坐标系下的待测物上特征点的三维坐标以及视野内特征点I的三维坐标，基于特征点I的三维坐标构建局部坐标系，获取结构光传感器坐标系与局部坐标系的转换关系，继而将待测物上特征点的三维坐标从结构光传感器坐标系转换到局部坐标系下，记为点集P_n，n＝1，2，3……面结构光传感器变换的位姿总数；②基于特征点I获取局部坐标系与理论坐标系的转换关系，继而将点集P_n中数据转换到理论坐标系下，记为点集P_n’，将点集P_n’与点集Q_n’对照，获取不同理论坐标系下各点的偏差值；基于理论坐标系与夹具坐标系的转换关系，获取夹具坐标系下各点的偏差值；③在夹具坐标系下，点集Q中各点加上步骤②获取的偏差值，得到各点在夹具坐标系下的实测三维坐标，记为点集M；

结论获取模块用于获取零件坐标系下所有点的坐标；其基于待测零件上RPS点在零件坐标系、夹具坐标系下三维坐标获取两个坐标系之间的转换关系，继而将点集M中各点转换到零件坐标系下。

根据实际测试，普通柔性在线测量的系统重复性精度为±0.2mm，测量结果与CMM(三坐标测量机，英文全称为：Coordinate Measurement Machine)比对的差异为±0.3mm；使用本发明的技术方案后，该柔性在线测量的系统重复性精度提到至±0.1mm，测量结果与CMM比对的差异缩小至±0.15mm。即在原有测量系统的基础上，采用本发明的技术方案，能够将其精度水平提高一倍。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (6)

1.一种适用于面结构光传感器的测试方法，待测物被夹具固定，其特征在于：所述夹具上固定设有特征点I，所述面结构光传感器单次测量时能同时获取全部或局部的待测物图像和至少三个特征点I的图像；

所述特征点I在同一坐标系下的三维坐标值预先通过高精度测试设备获取，此坐标系记为夹具坐标系；在面结构光传感器单次测量的视场内，分别依据其中三个特征点I的坐标值构建各位姿所对应的理论坐标系；获取各位姿所对应的理论坐标系与夹具坐标系的转换关系；

假定待测物数模坐标系原点与夹具坐标系原点重合，依据待测物数模数据获取夹具坐标系下待测物上各特征点的三维坐标，记为点集Q；分别获取不同位姿所确定的理论坐标系下各特征点的三维坐标，记为点集Q_n’，n＝1，2，3……面结构光传感器变换的位姿总数；

所述测试方法包括如下步骤：

1)所述面结构光传感器在某一预设位姿下获取面结构光传感器坐标系下的待测物上特征点的三维坐标以及视野内特征点I的三维坐标，基于特征点I的三维坐标构建局部坐标系，获取结构光传感器坐标系与局部坐标系的转换关系，继而将待测物上特征点的三维坐标从结构光传感器坐标系转换到局部坐标系下，记为点集P_n，n＝1，2，3……面结构光传感器变换的位姿总数；

2)基于特征点I获取局部坐标系与理论坐标系的转换关系，继而将点集P_n中数据转换到理论坐标系下，记为点集P_n’，将点集P_n’与点集Q_n’对照，获取不同理论坐标系下各点的偏差值；

基于理论坐标系与夹具坐标系的转换关系，获取夹具坐标系下各点的偏差值；

3)在夹具坐标系下，点集Q中各点加上步骤2)获取的偏差值，得到各点在夹具坐标系下的实测三维坐标，记为点集M；

4)从点集M中选取RPS点在夹具坐标系下的实测三维坐标，获取RPS点在零件坐标系下的三维坐标，求取夹具坐标系与零件坐标系的旋转平移关系，继而将点集M中所有点转换到零件坐标系下。

2.如权利要求1所述适用于面结构光传感器的测试方法，其特征在于：所述高精度测试设备为三坐标测试机、关节臂式测量机或者激光跟踪仪。

3.如权利要求1所述适用于面结构光传感器的测试方法，其特征在于：所述特征点I为反光标记点、靶球或孔。

4.如权利要求1所述适用于面结构光传感器的测试方法，其特征在于：步骤2)中分别在各位姿下单独计算其对应理论坐标系各点的偏差值。

5.一种适用于面结构光传感器的测试系统，包括用于固定待测物的夹具及面结构光传感器；其特征在于：所述夹具上固定设有特征点I，所述面结构光传感器单次测量时能同时获取全部或局部的待测物图像和至少三个特征点I的图像。

6.如权利要求5所述适用于面结构光传感器的测试系统，其特征在于：包括标准数据模块、零件标准数据模块、实测模块和结论获取模块；

所述标准数据模块存储有面结构光传感器单次测量位姿下构建的理论坐标系到夹具坐标系之间的转换关系，以供调用；所述夹具坐标系下各特征点I的三维坐标预先通过高精度测试设备获取；所述面结构光传感器单次测量位姿下构建的理论坐标系基于单次测量时视场内的特征点I构建；

所述零件标准数据模块存储有点集Q及点集Q_n’，n＝1，2，3……面结构光传感器变换的位姿总数；所述点集Q为假定待测物数模坐标系原点与夹具坐标系原点重合，依据待测物数模数据获取的夹具坐标系下待测物上各特征点的三维坐标；所述点集Q_n’为将点集Q中的点对应转换到不同理论坐标系下的各特征点的三维坐标；

所述实测模块用于获取夹具坐标系下各点的三维坐标，即点集M；获取方法包括如下步骤：①在所述面结构光传感器的某一预设位姿下，获取面结构光传感器坐标系下的待测物上特征点的三维坐标以及视野内特征点I的三维坐标，基于特征点I的三维坐标构建局部坐标系，获取结构光传感器坐标系与局部坐标系的转换关系，继而将待测物上特征点的三维坐标从结构光传感器坐标系转换到局部坐标系下，记为点集P_n，n＝1，2，3……面结构光传感器变换的位姿总数；②基于特征点I获取局部坐标系与理论坐标系的转换关系，继而将点集P_n中数据转换到理论坐标系下，记为点集P_n’，将点集P_n’与点集Q_n’对照，获取不同理论坐标系下各点的偏差值；基于理论坐标系与夹具坐标系的转换关系，获取夹具坐标系下各点的偏差值；③在夹具坐标系下，点集Q中各点加上步骤②获取的偏差值，得到各点在夹具坐标系下的实测三维坐标，记为点集M；

所述结论获取模块用于获取零件坐标系下所有点的坐标；其基于待测零件上RPS点在零件坐标系、夹具坐标系下三维坐标获取两个坐标系之间的转换关系，继而将点集M中各点转换到零件坐标系下。

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