CN114485385B - 工件坐标系校准方法、装置及系统 - Google Patents

工件坐标系校准方法、装置及系统 Download PDF

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CN114485385B CN202011147451.XA CN202011147451A CN114485385B CN 114485385 B CN114485385 B CN 114485385B CN 202011147451 A CN202011147451 A CN 202011147451A CN 114485385 B CN114485385 B CN 114485385B
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Abstract

本申请涉及一种工件坐标系校准方法、装置及系统。所述方法包括：获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵；获取至少三组工件单行点云及其对应的角度编码器值，分别得到工件单行点云数组和角度编码器值数组；根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差；所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。采用本方法能够能够降低工件测量偏差、提高工件测量准确性。

Description

工件坐标系校准方法、装置及系统
技术领域
本申请涉及3D视觉技术领域，特别是涉及一种工件坐标系校准方法、装置及系统。
背景技术
随着3D(3-dimension的缩写，指三维)视觉校准算法技术的发展，为了解决结构光立体相机旋转运动模式下点云生成不够准确的问题，出现了工件坐标系校准算法。
目前市面上使用的工件坐标系校准算法为根据机械结构设计，直接获取机械设计时工件坐标系；利用面结构光立体相机或者双目相机或者TOF(TimeofFligh的缩写，指飞行时间技术)结构光相机对放置于旋转机构平台上的旋转工件进行立体扫描，直接获取空间工件旋转坐标系中心；利用二维标定板获取三维信息，再通过校准得到旋转工件坐标系；通过对物体表面的标志点编码特征及空间特征进行检测、匹配，获得全场各拍摄图像之间的坐标系。
然而，目前的工件坐标系校准方法，由于机械安装及制造误差，使得旋转机构平台坐标系与相机坐标系之间不能准确匹配，测出来的工件的空间信息往往与其真实值之间存在较大偏差。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低工件测量偏差、提高工件测量准确性的工件坐标系校准方法、装置及系统。
一种工件坐标系校准方法，所述方法包括：
获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵；
获取至少三组工件单行点云及其对应的角度编码器值，分别得到工件单行点云数组和角度编码器值数组；
根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组，计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差；
在所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。
在其中一个实施例中，还包括：
所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径，包括上外径、上内径、下内径和下外径至少两种。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组，计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差，包括：
根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组计算得到工件点云；
根据所述工件点云计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径；
根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径计算得到总误差。
在其中一个实施例中，还包括：
根据所述欧拉角矩阵、工件单行点云数组和角度编码器值数组计算得到工件点云，包括：
根据所述角度编码器值数组分别获得对应的由所述欧拉角矩阵转换得到的位姿变换矩阵；
根据所述位姿变换矩阵和所述工件单行点云数组获得工件点云。
在其中一个实施例中，还包括：
根据所述位姿变换矩阵和所述工件单行点云数组获得工件点云，包括：
针对所述角度编码器值数组中各角度编码器值，执行下述处理步骤：
根据对应于该所述角度编码器值的位姿变换矩阵，右乘所述工件单行点云数组中对应于该所述角度编码器值的工件单行点云，得到对应该角度编码器值的子工件点云；
当根据各所述角度编码器值分别得到对应的子工件点云时，根据各所述子工件点云之和获得工件点云。
在其中一个实施例中，还包括：
根据所述工件点云计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径，包括：
提取所述工件点云中，工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置处一周的点云数据；
根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置一周的点云数据，分别拟合得到对应的空间球；
根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置一周的点云数据，分别拟合得到对应的空间平面；
根据所述空间球和对应的空间平面，分别确定工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径。
在其中一个实施例中，还包括：
在所述总误差大于或者等于所述误差阈值时，修正所述欧拉角矩阵，并返回继续执行根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组，计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差。
在其中一个实施例中，还包括：
所述修正欧拉角矩阵，包括：
根据所述欧拉角矩阵计算获得欧拉角矩阵改正数矩阵；
根据所述欧拉角矩阵改正数矩阵修正所述欧拉角矩阵。
一种工件坐标系校准装置，所述装置包括：
欧拉角矩阵转换模块，用于获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵；
数据获取模块，用于获取至少三组工件单行点云及其对应的角度编码器值，分别得到工件单行点云数组和角度编码器值数组；
工件坐标系矩阵转换模块，用于根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组，计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差；当所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵；
获取至少三组工件单行点云及其对应的角度编码器值，分别得到工件单行点云数组和角度编码器值数组；
根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组，计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差；
在所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵；
获取至少三组工件单行点云及其对应的角度编码器值，分别得到工件单行点云数组和角度编码器值数组；
根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组，计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差；
在所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。
一种工件坐标系校准系统，包括：
旋转机构平台、线激光立体相机以及校准设备，所述旋转机构平台，用于放置工件；
所述旋转机构平台旋转至对应旋转位置时，所述线激光立体相机扫描工件获取至少两组工件单行点云，得到工件单行点云数组；
校准设备，获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵；在所述线激光立体相机获取至少两组工件单行点云的同时，获取与每组工件单行点云对应的角度编码器值，得到角度编码器值数组；根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差；在所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。
上述一种工件坐标系校准方法，向校准设备中输入初始工件坐标系，校准设备根据该初始工件坐标系转化成欧拉角矩阵。线激光立体相机拍摄获取多组工件单行点云，并将其实时传输给校准设备得到工件单行点云数组。同时，校准设备实时记录与每组单行点云相对应的角度编码器值，得到角度编码器值数组。校准设备再根据欧拉角矩阵、工件单行点云数组和角度编码器值计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差。当校准设备判定总误差小于误差阈值时，校准设备将前述的欧拉角矩阵转化成工件坐标系矩阵。校准过程，实际上是将相机坐标系(即工件坐标系)转换成能准确对应于旋转机构平台坐标系(该旋转机构平台坐标系即工件所在的坐标系，工件所在的坐标系不是工件坐标系)的相机坐标系，该校正后的相机坐标系即校正后的工件坐标系，校准后的工件坐标系和旋转机构平台坐标系之间匹配准确度得到提高，即使后期测量工件，仍存在机械安装及制造上的误差，也能够降低工件测量偏差、提高工件坐标系测量准确性。
附图说明
图1为一个实施例中工件坐标系校准系统的整体结构示意图；
图2为一个实施例中工件坐标系校准方法的流程示意图；
图3为另一个实施例中工件的结构示意图；
图4为一个实施例中根据欧拉角矩阵、工件单行点云数组和角度编码器值计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差的流程示意图；
图5为一个实施例中根据欧拉角矩阵、工件单行点云数组和角度编码器值数组计算得到工件点云的流程示意图；
图6为一个实施例中根据位姿变换矩阵和工件单行点云数组获得工件点云的流程示意图；
图7为一个实施例中根据工件点云计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的流程示意图；
图8为一个实施例中根据工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差判定是否需要修正欧拉角矩阵的流程示意图；
图9为一个实施例中修正欧拉角的流程示意图；
图10为一个实施例中工件坐标系校准装置的结构框图。
图11为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
附图标记，1、立体相机安装组件；2、电控总箱；4、线激光立体相机；5、支架。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种工件坐标系校准的系统，该系统包括：
立体相机安装组件1、电控总箱2、旋转机构平台3、线激光立体相机4、校准设备(图中未示出)。该校准设备可以是计算机终端或工控机，以计算机终端为例，旋转机构平台3、线激光立体相机4和电控总箱2上均设有可与计算机终端通信的接口，旋转机构平台3、线激光立体相机4和电控总箱2可通过USB(UniversalSerialBus的缩写，通用串行总线)、以太网和RS232(EIA-RS-232，标准串口)与计算机终端实现通信连接，本申请包括但不限于通过USB、以太网和RS232三种方式。
其中，旋转机构平台3用于放置二维标定板和工件，校准时，先将工件立在旋转机构平台3上。工件可以采用至少具有两个自由度的工件，例如具有四个自由度的工字形工件。
电控总箱2可用于控制旋转机构平台3旋转，其包含有多个电气部件及PLC(ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器)控制模块，如启停开关、应急按钮、用于控制旋转机构平台3旋转的驱动器等。旋转机构平台3和电控总箱2之间可通过USB、以太网和RS232实现通信，该PLC控制模块内载有用于控制旋转机构平台3以一定角度旋转的内部程序。
该系统还包括放置于地面的支架5，立体相机安装组件1安装于支架5上，线激光立体相机4安装于立体相机安装组件1上，线激光立体相机4内安装有与其一体设置的激光组件，激光组件可以发出激光。线激光立体相机4上还安装有用于启闭激光的按钮，该按钮可通过操作人员触控实现激光的启闭。
线激光立体相机4在校准过程中，用于扫描工件获取至少两组工件单行点云，得到工件单行点云数组。线激光立体相机4可以相对立体相机安装组件1调节一定角度，以获得最佳的拍摄视角。
在校准过程中，计算机终端先根据机械安装尺寸或粗略的标定，获得初始工件坐标系作为初始的输入值。线激光立体相机4对放置于旋转机构平台3上的工字形工件进行扫描和拍摄，拍摄之前，可通过操作人员触控按钮或计算机终端控制的方式使线激光立体相机4中的激光保持一直打开的状态，从而使工件在随旋转机构平台3旋转的过程中，其外侧壁均能被激光线照射，得到数据更全面的单行点云。
以工字形工件为例，操作人员通过鼠标点击或触屏触控的方式向计算机终端输入一定旋转角度值，该旋转角度值传输至PLC控制模块中，之后PLC控制模块将驱动驱动器，控制旋转机构平台3旋转该旋转角度值，旋转角度值在一个实施例中直接等于角度编码器值，在另一个实施例中，旋转角度值可以是对应角度编码器值的n倍或1/n，在另一个实施例中，旋转角度值为360n+m时(其中n为旋转的圈数，m为角度值)，角度编码器值可以是m。当旋转机构平台3旋转至该旋转位置处时，激光线照射到工字形工件的竖直侧壁上形成一条亮线(如图3所示)，线激光立体相机4拍摄得到对应该亮线的一组工件点云，并将该组工件点云实时传输给计算机终端，计算机终端根据该亮线可以提取得到工件单行点云，旋转机构平台3绕其竖直旋转轴线旋转一周，可以得到完整的多组工件单行点云。
计算机终端记录该工件单行点云对应的角度编码器值，并根据其获取的工件单行点云进行计算处理，最终计算得到准确的工件坐标系。由于机械安装及制造误差，使旋转机构平台3和线激光立体相机4之间存在一定的位置误差，从而使未进行校准前的相机坐标系无法完全对应于旋转机构平台3坐标系，此时通过线激光立体相机4测得的工件的空间信息与其真实值会存在一定偏差。校准之后，再根据该工件坐标系测量工件时，可以获得准确的工件空间信息。
在另一个实施例中，电控总箱2上还设有用于调整旋转速度和旋转角度值单位增量的按键、启停旋转机构平台3的开关、以及用于显示旋转角度值和当前旋转速度的显示界面，操作人员可以通过直接按键的方式调整旋转速度及旋转角度值。电控总箱2每次重新启动时，其默认的旋转角度值是0度、其默认的旋转速度是0转每秒。操作人员触控电控总箱2上用于设定旋转速度的按键，使电控总箱2通过驱动器控制旋转机构平台3以当前设定的速度旋转。
采集工件单行点云时，线激光立体相机4和计算机终端的配合关系与前述一致，不同的地方在于电控总箱2和计算机终端的配合关系。在该实施例中，操作人员通过鼠标点击或触屏触控的方式，使计算机终端发出开始执行电控总箱2内PLC控制模块的信号，此时操作人员再通过按键可以向PLC控制模块输入旋转角度值，使PLC控制模块驱动驱动器，控制旋转机构平台3旋转对应角度。该旋转角度值会同步发送到计算机终端，并存储于计算机终端，显示于计算机终端的显示屏上。计算机终端会根据获取的工件单行点云及角度编码器值进行计算，并把最终计算得到的工件坐标系显示在显示屏上。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种工件坐标系校准方法，包括以下步骤：
步骤102，获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵。
其中，由于机械安装及制造误差，旋转机构平台坐标系和线激光立体相机中的相机坐标系往往不能准确对应，使同一物体稳定处于某确定位置时，其在旋转机构平台坐标系测得的值不同于其在相机坐标系中的值。此处，相机坐标系指的是以相机的聚焦中心为原点，以光轴为Z轴建立的三维直角坐标系；旋转机构平台坐标系即以旋转机构平台上端面为XY平面，以竖直方向旋转轴线为Z轴，以旋转轴线与旋转机构平台的交点为圆心建立的三维直角坐标系。初始工件坐标系可以理解为不能准确对应于旋转机构平台坐标系的相机坐标系，它也可以是对先前已经校准过的工件坐标系。
具体地，以先前已校准过的工件坐标系作为初始工件坐标系为例，
初始工件坐标系：
Figure BDA0002740157180000091
其中，(x,y,z)作为初始工件坐标系矩阵的平移向量，/>
Figure BDA0002740157180000092
为相机坐标系中X轴方向的单位向量，/>
Figure BDA0002740157180000093
为相机坐标系中Y轴方向的单位向量。
根据旋转矩阵：
Figure BDA0002740157180000094
平移矩阵/>
Figure BDA0002740157180000095
可得欧拉角矩阵：
Figure BDA0002740157180000101
其中，(rxx，ryx，rzx)为线激光立体相机绕X轴产生角度偏差时的坐标值，(rxy，ryy，rzy)为线激光立体相机绕Y轴产生角度偏差时的坐标值，(rxz，ryz，rzz)为线激光立体相机绕Y轴产生角度偏差时的坐标值。
步骤104，获取至少三组工件单行点云及其对应的角度编码器值，分别得到工件单行点云数组和角度编码器值数组。
其中，点云是目标表面的空间点集合。线激光立体相机中拍摄得到激光照射在工件外壁上时的图片，计算机终端根据该图片提取得到对应该激光线的一组工件点云数据，该组工件点云数据即工件单行点云。工件单行点云数组是由若干工件单行点云的数据组。角度编码器值即旋转机构平台旋转一定角度时对应的角度值。角度编码器值是由若干角度编码器值组成的数据组。
步骤106，根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组，计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差。
其中，总误差是指工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径，相对于其各自的真实半径值的误差之和。
步骤108，在所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。
其中，一个实施例中的误差阈值可以为0.01，也可以小于0.01，误差阈值越小，欧拉角矩阵转换成工件坐标系矩阵的要求更严格，从而越有利于提高待校准的工件坐标系的准确性。
具体地，欧拉角矩阵转旋转矩阵：
Figure BDA0002740157180000111
Figure BDA0002740157180000112
Figure BDA0002740157180000113
Figure BDA0002740157180000114
Figure BDA0002740157180000115
Figure BDA0002740157180000116
由旋转矩阵R和平移向量T可以得到：/>
Figure BDA0002740157180000117
上述工件坐标系校准方法中，先向计算机终端输入初始工件坐标系矩阵，计算机终端将该初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵。计算机终端再实时获取至少三组工件单行点云及其对应的角度编码器值，分别得到工件单行点云数组和角度编码器值数组。计算机终端在获取工件单行点云数组和角度编码器值数组后，再对其进行计算得到工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差，当总误差小于误差阈值时，计算机终端再将前述的有误差的欧拉角矩阵转换成工件坐标系矩阵，此时得到的工件坐标系能够降低工件测量偏差、提高工件测量准确性。
在一个实施例中，如图3所示，所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径，包括上外径、上内径、下内径和下外径至少两种。
其中，本申请将沿工件高度方向各位置处的半径分别称之为：上外径、上内径、下内径和下外径。工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径，包括上外径、上内径、下内径和下外径至少两种。其组合类型可以是包含上外径、上内径的正立的“T”字形工件，也可以是包含下外径、下内径的倒立的“T”字形工件，也可以是包含上内径、下内径或者包含上外径和下外径的圆柱状工件。采用的工件的自由度越多，越有利于获得准确的工件坐标系。
在一个实施例中，如图4所示，根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组，计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差，包括：
步骤1062，根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组计算得到工件点云。
其中，工件点云是工件旋转一周过程中，被激光线照射到的轮廓的点云集合。
步骤1064，根据所述工件点云计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径。
步骤1066，根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径计算得到总误差。
具体地，以工字形工件为例，
Figure BDA0002740157180000121
其中，
R1、R2、R3、R4是工字形工件四个半径的理论值，该理论值在加工制成时获得，R1i、R2i、R3i、R4i是工字形工件在校准过程中的测量实际值，Q1、Q2、Q3、Q4是误差权值系数。
本实施例中，计算机终端根据欧拉角矩阵、工件单行点云数组和角度编码器值计算获得工件点云。再通过工件点云计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的数值，最后再得到这些半径的总误差，有利于计算机终端后续对总误差和误差阈值进行比较，从而确定是否继续对欧拉角矩阵进行修正。
在一个实施例中，如图5所示，根据所述欧拉角矩阵、工件单行点云数组和角度编码器值数组计算得到工件点云，包括：
步骤10622，根据所述角度编码器值数组分别获得对应的由所述欧拉角矩阵转换得到的位姿变换矩阵。
其中，根据角度编码器值数组中的角度编码器值分别得到由欧拉角矩阵转换得到的位姿变换矩阵，即对应一个角度编码器值有一个与之对应的位姿变换矩阵。
步骤10624，根据所述位姿变换矩阵和所述工件单行点云数组获得工件点云。
本实施例中，通过欧拉角矩阵、工件单行点云数组及角度编码器值等计算得到工件点云，该工件点云为整个工件被激光扫描到的轮廓的点云数据，便于后续从该工件点云数据中提取部分点云数据。
在一个实施例中，如图6所示，根据所述位姿变换矩阵和所述工件单行点云数组获得工件点云，包括：
针对所述角度编码器值数组中各角度编码器值，执行下述处理步骤106242-106244：
步骤106242，根据对应于该所述角度编码器值的位姿变换矩阵，右乘所述工件单行点云数组中对应于该所述角度编码器值的工件单行点云，得到对应该角度编码器值的子工件点云；
步骤106244，当根据各所述角度编码器值分别得到对应的子工件点云时，根据各所述子工件点云之和获得工件点云。
具体地，
Figure BDA0002740157180000141
其中，Ai为工件单行点云，θi为角度编码器值，R(θi)为根据不同角度编码器值计算获得的位姿变换矩阵，Ai(R(θi))为子工件点云。以工字形工件为例，Ai为4X1矩阵，则R(θi)为4X4矩阵，二者乘积得出4X1矩阵。根据不同角度编码器值对Ai和R(θi)的乘积求和，从而可以得到完整的工件点云数据。
在一个实施例中，如图7所示，根据所述工件点云计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径，包括：
步骤10642，提取所述工件点云中，工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置处一周的点云数据。
其中，以工字形工件为例，由于其具有上外径、上内径、下内径和下外径，工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置处一周的点云数据指的是，工字形工件上外径、上内径、下内径和下外径各位置处对应的一周的点云数据。
步骤10644，根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置一周的点云数据，分别拟合得到对应的空间球。
其中，空间球指的是根据点云数据拟合得到的球体。对应工件一个半径位置即有一个空间球，以工字形工件为例，由于其具有上外径、上内径、下内径和下外径，因此它相应的具有四个空间球，分别由其上外径、上内径、下内径和下外径拟合得到。
步骤10646，根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置一周的点云数据，分别拟合得到对应的空间平面。
其中，空间平面指的是根据点云数据拟合得到的平面。对应工件一个半径位置即有一个空间平面，以工字形工件为例，由于其具有上外径、上内径、下内径和下外径，因此它相应的具有四个空间平面，分别由其上外径、上内径、下内径和下外径拟合得到。
步骤10648，根据所述空间球和对应的空间平面，分别确定工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径。
其中，以工字形工件为例，根据其上外径拟合得到对应的空间球和空间平面，可以拟合计算得到其上外径的数值，其他如上内径、下内径和下外径同理可得。
具体地，空间球方程：(x-a)2+(y-b)2+(c-z)2＝R2，空间平面方程：A'x+B'y+C'z+D'＝0，其中，(x,y,z)为各半径位置处对应的点云坐标，R为空间球的半径。以工字形工件上外径为例，根据其一周的点云数据，分别对其各个点云进行计算，可以得到若干个R值，对这若干个R值求取平均值，可以近似拟合得到工件上外径位置处对应的半径值。
本实施例中的拟合方法可以是最小二乘法但不限于最小二乘法。
在一个实施例中，如图8所示，在所述总误差大于或者等于所述误差阈值时，执行以下步骤：
步骤502，在所述总误差大于或者等于所述误差阈值时，修正所述欧拉角矩阵，并返回继续执行根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组，计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差。
本实施例中，总误差大于或者等于误差阈值时，则修正欧拉角矩阵，直到总误差小于误差阈值，才将对应的欧拉角矩阵转换成工件坐标系，有利于保证最后校准的工件坐标系是由更准确的欧拉角矩阵在转换得到的，从而也提高了工件坐标系的准确性。
在一个实施例中，如图9所示，所述修正欧拉角矩阵，包括：
步骤5022，根据所述欧拉角矩阵计算获得欧拉角矩阵改正数矩阵。
步骤5024，根据所述欧拉角矩阵改正数矩阵修正所述欧拉角矩阵。
具体地，先对欧拉角矩阵求偏导，再采用高斯牛顿法或牛顿法对其进行计算得到欧拉角矩阵改正数矩阵，最后利用求偏导前的欧拉角矩阵减去欧拉角矩阵改正数矩阵，即可得到修正后的欧拉角矩阵。
Figure BDA0002740157180000161
由高斯牛顿法：(JTJ)Δx＝JT·res，Δx＝(JTJ)-1(JT·res)，
Figure BDA0002740157180000162
其中，/>
Figure BDA0002740157180000163
为修正后的欧拉角矩阵。
应该理解的是，虽然上述实施例涉及的各流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，上述实施例涉及的各流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图10所示，提供了一种工件坐标系校准装置，包括：欧拉角矩阵转换模块、数据获取模块和工件坐标系矩阵转换模块，其中：
欧拉角矩阵转换模块，用于获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵。
数据获取模块，用于获取至少三组工件单行点云及其对应的角度编码器值，分别得到工件单行点云数组和角度编码器值数组。
工件坐标系矩阵转换模块，用于根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差；当所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。
在一个实施例中，所述装置还包括：
总误差确定模块，用于根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组计算得到工件点云；根据所述工件点云计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径；根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径计算得到总误差。
在一个实施例中，所述装置还包括：
工件半径获取模块，用于提取所述工件点云中，工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置处一周的点云数据；根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置一周的点云数据，分别拟合得到对应的空间球；根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置一周的点云数据，分别拟合得到对应的空间平面；根据所述空间球和对应的空间平面，分别确定工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径。
在一个实施例中，所述装置还包括：
工件点云获取模块，用于根据所述角度编码器值数组分别获得对应的由所述欧拉角矩阵转换得到的位姿变换矩阵；根据所述位姿变换矩阵和所述工件单行点云数组获得工件点云。
在一个实施例中，所述装置还包括：
判断修正欧拉角模块，用于在所述总误差大于或者等于所述误差阈值时，修正所述欧拉角矩阵，并返回继续执行根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组，计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差。
在一个实施例中，所述装置还包括：
欧拉角矩阵修正模块，用于根据所述欧拉角矩阵计算获得欧拉角矩阵改正数矩阵；根据所述欧拉角矩阵改正数矩阵修正所述欧拉角矩阵。
关于工件坐标系校准装置的具体限定可以参见上文中对于工件坐标系校准方法的限定，在此不再赘述。上述工件坐标系校准装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图11所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储单行点云、角度编码器值等数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种工件坐标系校准方法、装置及系统方法。
本领域技术人员可以理解，图11中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵；
获取至少三组工件单行点云及其对应的角度编码器值，分别得到工件单行点云数组和角度编码器值数组；
根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差；
在所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组计算得到工件点云；
根据所述工件点云计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径；
根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径计算得到总误差。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
提取所述工件点云中，工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置处一周的点云数据；
根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置一周的点云数据，分别拟合得到对应的空间球；
根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置一周的点云数据，分别拟合得到对应的空间平面；
根据所述空间球和对应的空间平面，分别确定工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据所述角度编码器值数组分别获得对应的由所述欧拉角矩阵转换得到的位姿变换矩阵；
针对所述角度编码器值数组中各角度编码器值，执行下述处理步骤：
根据对应于该所述角度编码器值的位姿变换矩阵，右乘所述工件单行点云数组中对应于该所述角度编码器值的工件单行点云，得到对应该角度编码器值的子工件点云；
当根据各所述角度编码器值分别得到对应的子工件点云时，根据各所述子工件点云之和获得工件点云。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
在所述总误差大于或者等于所述误差阈值时，修正所述欧拉角矩阵，并返回继续执行根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组，计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据所述欧拉角矩阵计算获得欧拉角矩阵改正数矩阵；
根据所述欧拉角矩阵改正数矩阵修正所述欧拉角矩阵。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵；
获取至少三组工件单行点云及其对应的角度编码器值，分别得到工件单行点云数组和角度编码器值数组；
根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差；
在所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(StaticRandomAccessMemory，SRAM)或动态随机存取存储器(DynamicRandomAccessMemory，DRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种工件坐标系校准方法，其特征在于，所述方法应用于工件坐标系校准系统，所述工件坐标系校准系统包括旋转机构平台、线激光立体相机以及校准设备，所述旋转机构平台，用于放置工件；所述旋转机构平台旋转至对应旋转位置时，所述线激光立体相机扫描工件获取至少两组工件单行点云，得到工件单行点云数组；
所述方法包括：
获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵；
获取至少三组工件单行点云及其对应的角度编码器值，分别得到工件单行点云数组和角度编码器值数组；
根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组计算得到工件点云；根据所述工件点云计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径；根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径计算得到总误差，所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径，包括上外径、上内径、下内径和下外径至少两种；
在所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述欧拉角矩阵、工件单行点云数组和角度编码器值数组计算得到工件点云，包括：
根据所述角度编码器值数组分别获得对应的由所述欧拉角矩阵转换得到的位姿变换矩阵；
根据所述位姿变换矩阵和所述工件单行点云数组获得工件点云。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述位姿变换矩阵和所述工件单行点云数组获得工件点云，包括：
针对所述角度编码器值数组中各角度编码器值，执行下述处理步骤：
根据对应于该所述角度编码器值的位姿变换矩阵，右乘所述工件单行点云数组中对应于该所述角度编码器值的工件单行点云，得到对应该角度编码器值的子工件点云；
当根据各所述角度编码器值分别得到对应的子工件点云时，根据各所述子工件点云之和获得工件点云。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述工件点云计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径，包括：
提取所述工件点云中，工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置处一周的点云数据；
根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置一周的点云数据，分别拟合得到对应的空间球；
根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置一周的点云数据，分别拟合得到对应的空间平面；
根据所述空间球和对应的空间平面，分别确定工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述总误差大于或者等于所述误差阈值时，修正所述欧拉角矩阵，并返回继续执行根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组，计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径的总误差。
6.一种工件坐标系校准装置，其特征在于，所述装置设置于工件坐标系校准系统，所述工件坐标系校准系统还包括旋转机构平台和线激光立体相机，所述旋转机构平台，用于放置工件；所述旋转机构平台旋转至对应旋转位置时，所述线激光立体相机扫描工件获取至少两组工件单行点云，得到工件单行点云数组，所述装置包括：
欧拉角矩阵转换模块，用于获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵；
数据获取模块，用于获取至少三组工件单行点云及其对应的角度编码器值，分别得到工件单行点云数组和角度编码器值数组；
工件坐标系矩阵转换模块，用于根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组计算得到工件点云；根据所述工件点云计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径；根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径计算得到总误差，所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径，包括上外径、上内径、下内径和下外径至少两种；当所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括工件点云获取模块，用于：根据所述角度编码器值数组分别获得对应的由所述欧拉角矩阵转换得到的位姿变换矩阵；根据所述位姿变换矩阵和所述工件单行点云数组获得工件点云。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括工件半径获取模块，用于：提取所述工件点云中，工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置处一周的点云数据；根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置一周的点云数据，分别拟合得到对应的空间球；根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径位置一周的点云数据，分别拟合得到对应的空间平面；根据所述空间球和对应的空间平面，分别确定工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
10.一种工件坐标系校准系统，其特征在于，包括：
旋转机构平台、线激光立体相机以及校准设备，所述旋转机构平台，用于放置工件；
所述旋转机构平台旋转至对应旋转位置时，所述线激光立体相机扫描工件获取至少两组工件单行点云，得到工件单行点云数组；
校准设备，获取初始工件坐标系矩阵，并将所述初始工件坐标系矩阵转化成欧拉角矩阵；在所述线激光立体相机获取至少两组工件单行点云的同时，获取与每组工件单行点云对应的角度编码器值，得到角度编码器值数组；根据所述欧拉角矩阵、所述工件单行点云数组和所述角度编码器值数组计算得到工件点云；根据所述工件点云计算获得工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径；根据所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径计算得到总误差，所述工件垂直于旋转机构平台上端面方向的至少两个半径，包括上外径、上内径、下内径和下外径至少两种；在所述总误差小于误差阈值时，转换所述欧拉角矩阵得到校正后的工件坐标系矩阵。
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