CN115267810A - 一种单线激光结合点激光精确定位方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供的单线激光结合点激光精确定位方法，在机械臂轨迹规划前，通过单线激光雷达和舵机扫描目标物体轮廓，并生成点云数据，处理点云可以得到目标物体角点或者边缘三维坐标信息，机械臂带着点激光到达指定的小范围区域内进行精确定位，根据精确定位的三维坐标来进行机械臂运动轨迹规划，精度可以达到毫米级别。需要的装置设备只需要采用现有的低成本硬件即可，控制舵机旋转并读取单线激光雷达和点激光数据，过程简单，易于实现大范围内找到目标物体三维坐标，精确规划机械臂运动的目的。

Description

一种单线激光结合点激光精确定位方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及大范围内机械臂精确定位方法技术领域。

背景技术

目前机械臂在大范围运动路径规划的过程中，需要已知远处目标点的三维坐标。通过多目相机可以获取三维坐标，但相机受外界环境光影响较大，且距离较远时获得的三维坐标点误差较大。可以通过线结构光或面结构光传感器扫描目标，获得三维坐标，但单线激光视野范围较小，且在距离较远时精度较差。也可以通过多线激光雷达扫描目标，获得三维坐标，但多线激光雷达成本较高。通过点激光可以得到单点的深度信息，但难以得到目标点三维坐标，且视野范围较小。

因此，机械臂在大范围运动路径规划的过程中，还缺少一种低成本精确定位目标点三维坐标的方法。

发明内容

本发明目的就是提供一种单线激光雷达结合点激光精确定位方法、系统及存储介质，以至少解决现有技术中的一个或多个问题。

本发明的技术方案构思：单线激光雷达扫描范围广，精度较高，但只能扫描一条线上的位置，无法扫描整个物体轮廓。采用舵机配合单线激光雷达则可进行大范围内扫描目标物体，然后点激光进行小范围内精确定位。舵机可以360°旋转，将激光雷达安装在舵机上，通过舵机旋转，可以改变激光雷达扫描位置和扫描角度，从而获得整个目标物体轮廓。最后将目标物体轮廓信息传输给机械臂，机械臂带着点激光到指定位置进行精确定位，进而引导机械臂运动。

第一方面，本发明实施例提供的单线激光结合点激光精确定位方法，包括：

S1，对单线激光雷达与旋转舵机的位置关系进行标定；

S2，对单线激光雷达和舵机系统与机械臂的位置关系进行标定；

S3，对点激光与机械臂的位置关系进行标定；

S4，旋转舵机带着单线激光雷达扫描目标物体，得到目标物体每个角点在机械臂坐标系下的坐标P_i；

S5，基于坐标P_i，机械臂带着点激光移动到目标物体的某一平面上；

S6，点激光测量该平面上不共线的三个以上的点，并转换到机械臂坐标系下为P_b1～P_bn，对P_b1～P_bn进行平面拟合，得到平面方程:Ax+By+Cz+D＝0；

S7，重复S6，直至得到目标物体上所有平面的平面方程；

S8，计算各个平面之间的交点，得到目标物体各个角点的精确三维坐标；

S9，机械臂根据目标物体各个角点的精确三维坐标，得到目标物体在机械臂坐标系下的位置，规划需要完成的行走路径。

本发明实施例提供的第一方面另一种可实施的方案之一，所述的单线激光雷达与旋转舵机位置关系标定，包括如下步骤：

S101，将平面标定板固定在单线激光雷达和旋转舵机系统前方；

S102，设置旋转舵机的旋转角度为θ₁，记录该角度单线激光雷达打在平面标定板上的点云；

S103，改变旋转舵机的旋转角度为θ_i，记录θ_i角度时单线激光雷达打在平面标定板上的点云；

S104，重复步骤S103，直至采集6-10组不同旋转角度对应的点云数据；

S105，在旋转舵机的坐标系下，根据单线激光雷达的所有点云数据在同一个平面上，进行非线性优化，得到单线激光雷达坐标系到旋转舵机坐标系下的旋转偏移关系。

本发明实施例提供的第一方面另一种可实施的方案之二，所述的单线激光雷达和舵机系统与机械臂位置关系标定，包括如下步骤：

S201，将平面标定板固定在单线激光雷达和旋转舵机系统前方；

S202，移动机械臂，使机械臂末端接触到平面标定板，记录下该位置机械臂末端在机械臂坐标系下的坐标P_C1；

S203，重复步骤S202 N次，记录机械臂末端在平面标定板不同点位上的坐标点P_C2、P_C3、到P_CN；

S204，通过P_C1-P_CN，使用最小二乘法拟合平面标定板在机械臂坐标系下的方程：Ax+By+Cz+D＝0；

S205，使用旋转舵机和单线激光雷达系统扫描平面标定板，记录下所有打在平面标定板上的点云数据；

S206，根据点云数据和平面方程：Ax+By+Cz+D＝0，计算出单线激光雷达和旋转舵机系统坐标系与机械臂坐标系之间的旋转偏移位置关系。

本发明实施例提供的第一方面另一种可实施的方案之三，所述的点激光与机械臂的位置关系标定，包括如下步骤：

S301，移动机械臂，使机械臂末端接触到平面标定板；

S302，记录下该位置机械臂末端在机械臂坐标系下的位置P_d1；

S303，调整机械臂姿态，重复步骤S302，直至记录了5个以上点的位置P_d2、P_d3、P_d4、P_d5；

S304，根据步骤S302和S303记录的所有点的位置，拟合平面标定板在机械臂坐标系下方程：Ax+By+Cz+D＝0；

S305，机械臂移动带着点激光打在平面标定板上；

S306，记录下该位置点激光的三维坐标点Pⁱ _laser

S307，调整机械臂姿态，重复步骤S305和S306，直至记录了10个以上三维坐标点P¹ _laser～P¹⁰ _laser；

S308，根据步骤S307记录的所有三维坐标点Pⁱ _laser和平面方程Ax+By+Cz+D＝0，计算点激光与机械臂坐标系之间的位置关系。

本发明实施例提供的第一方面另一种可实施的方案之四，目标物体每个角点在机械臂坐标系下的坐标P_i，是通过旋转舵机带着单线激光雷达扫描目标物体，得到目标物体的轮廓点云，处理目标物体的轮廓点云，得到目标物体每个角点在机械臂坐标系下的坐标P_i。

本发明实施例提供的第一方面另一种可实施的方案之五，

S6，点激光测量该平面上不共线的三个以上的点，通过刚体变换转换到机械臂坐标系下为P_b1～P_bn，使用最小二乘法对P_b1～P_bn进行平面拟合，得到平面方程:Ax+By+Cz+D＝0；S7,依次测量目标物体上的其他平面，得到各个平面的平面方程；S8，计算各个平面之间的交点，得到目标物体各个角点的精确三维坐标。

本发明实施例提供的单线激光结合点激光精确定位方法，包括步骤：1)将单线激光雷达安装在舵机上，通过舵机旋转，改变单线激光雷达扫描位置和扫描角度，获得整个目标物体轮廓并生成点云数据，处理点云得到目标物体角点或者/和边缘等特征点三维坐标信息,最后将目标物体轮廓的坐标信息传输给机械臂；2)机械臂带着点激光到达指定的区域内进行精确定位，根据精确定位的三维坐标来引导机械臂运动。

第二方面，本发明实施例提供了一种单线激光结合点激光精确定位系统，包括：

第一标定单元，用于对单线激光雷达与旋转舵机的位置关系进行标定；

第二标定单元，用于对单线激光雷达和舵机系统与机械臂的位置关系进行标定；

第三标定单元，用于对点激光与机械臂的位置关系进行标定；

单线激光雷达扫描单元，用于：使旋转舵机带着单线激光雷达扫描目标物体，得到目标物体每个角点在机械臂坐标系下的坐标P_i；

粗定位单元，用于：基于坐标P_i，机械臂带着点激光移动到目标物体的某一平面上；

点激光扫描单元，用于：利用点激光测量粗定位单元移动的某一平面上不共线的三个以上的点，并转换到机械臂坐标系下为P_b1～P_bn，对P_b1～P_bn进行平面拟合，得到平面方程:Ax+By+Cz+D＝0；

全局扫描单元，重复点激光扫描单元功能，直至得到目标物体上所有平面的平面方程；

精定位单元，用于：计算各个平面之间的交点，得到目标物体各个角点的精确三维坐标；

确定移动路线单元，用于：机械臂根据目标物体各个角点的精确三维坐标，得到目标物体在机械臂坐标系下的位置，规划需要完成的行走路径。

本发明实施例提供的第二方面另一种可实施的方案之一，所述第一标定单元，包括如下模块：

模块一，用于将平面标定板固定在单线激光雷达和旋转舵机系统前方；

模块二，用于：设置旋转舵机的旋转角度为θ₁，记录该角度下单线激光雷达打在平面标定板上的点云；

模块三，用于：改变旋转舵机的旋转角度为θ_i，记θ_i角度时单线激光雷达打在平面标定板上的点云；

模块四，用于：重复模块三的功能，直至采集6-10组不同旋转角度对应的点云数据；

模块五，用于:在旋转舵机的坐标系下，根据单线激光雷达的所有点云数据在同一个平面上，进行非线性优化，得到单线激光雷达坐标系到旋转舵机坐标系下的旋转偏移关系。

本发明实施例提供的第二方面另一种可实施的方案之二，所述的第二标定单元，包括如下模块：

模块一，用于将平面标定板固定在单线激光雷达和旋转舵机系统前方；

模块二，用于：移动机械臂，使机械臂末端接触到平面标定板，记录下该位置机械臂末端在机械臂坐标系下的坐标P_C1；

模块三，用于：重复模块二的功能N次，记录机械臂末端在平面标定板不同点位上的坐标点P_C2、P_C3、到P_CN；

模块四，用于：通过P_C1-P_CN，使用最小二乘法拟合平面标定板在机械臂坐标系下的方程：Ax+By+Cz+D＝0；

模块五，用于：使用旋转舵机和单线激光雷达系统扫描平面标定板，记录下所有打在平面标定板上的点云数据；

模块六，用于：根据点云数据和平面方程：Ax+By+Cz+D＝0，计算出单线激光雷达和旋转舵机系统坐标系与机械臂坐标系之间的旋转偏移位置关系。

本发明实施例提供的第二方面另一种可实施的方案之三，所述的第三标定单元，包括如下模块：

模块一，用于：移动机械臂，使机械臂末端接触到平面标定板；

模块二，用于记录下该位置机械臂末端在机械臂坐标系下的位置P_d1；

模块三，用于：调整机械臂姿态，重复模块二的功能，直至记录了5个以上点的位置P_d2、P_d3、P_d4、P_d5；

模块四，用于：根据模块二和模块三记录的所有点的位置，拟合平面标定板在机械臂坐标系下方程：Ax+By+Cz+D＝0；

模块五，用于机械臂移动带着点激光打在平面标定板上；

模块六，用于记录下该位置点激光的三维坐标点Pⁱ _laser

模块七，用于：调整机械臂姿态，重复模块五和模块六的功能，直至记录了10个以上三维坐标点P¹ _laser～P¹⁰ _laser；

模块八，根据模块七记录的所有三维坐标点Pⁱ _laser和平面方程Ax+By+Cz+D＝0，计算点激光与机械臂坐标系之间的位置关系。

本发明实施例提供的第二方面另一种可实施的方案之四，所述的单线激光雷达扫描单元，是通过旋转舵机带着单线激光雷达扫描目标物体，得到目标物体的轮廓点云，处理目标物体的轮廓点云，得到目标物体每个角点在机械臂坐标系下的坐标P_i。

第三方面，本发明实施例提供了一种单线激光结合点激光精确定位的装置或终端，包括一个或多个处理器、存储装置；存储装置，用于存储一个或多个程序；当所述的一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如上述第一方面中的任一所述的一种单线激光结合点激光精确定位方法。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述第一方面中任一所述的一种单线激光结合点激光精确定位方法。

本专利中出现的表明次数或数量的字母，如i、N、n等，均为1以上的整数，具体数量和大小结合每个方法步骤或单元/模块所需要的合理范围确定。

本发明的有益效果：

1.本发明采用单线激光雷达和旋转舵机一起进行目标物体粗定位，再结合点激光进行精定位，精度可以达到毫米级别。

2.利用现有的单线激光雷达和旋转舵机组合及点激光，进行非接触测量，可以大范围内找到目标物体三维坐标，达到规划机械臂运动的目的。

3.本发明实施例提供的单线激光结合点激光精确定位方法和系统，控制方便，每个步骤和单元/模块都可以独立控制。控制舵机旋转并读取单线激光雷达和点激光数据，过程简单，易于实现。

本发明实施例提供的单线激光结合点激光精确定位方法和系统、或装置设备，只需要采用现有的低成本硬件即可大范围内找到目标物体三维坐标，达到精确规划机械臂运动的目的。

下面结合附图对本发明的实施方案和原理进行示例性说明：

附图说明

图1为实施例的单线激光结合点激光精确定位系统定位目标物体6时的设备工作状态示意图。

图2为实施例单线激光雷达和舵机组合与机械臂的位置关系标定时设备工作状态示意图。

图3为实施例点激光传感器与机械臂位置关系标定时设备工作状态示意图。

图4为实施例单线激光雷达与旋转舵机位置关系标定时设备工作状态示意图。

图5为实施例单线激光结合点激光的精确定位方法定位目标物体6的流程图。

图6为单线激光雷达1与旋转舵机2位置关系标定流程图。

图7为单线激光雷达和舵机系统与机械臂5位置关系标定流程图。。

图8为点激光4与机械臂5位置关系标定流程图。

附图标记：

1单线激光雷达、2旋转舵机、3支架、4点激光传感器、5机械臂6长方形木块、7平面标定板

具体实施方式

此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利的技术方案，而非对公开技术方案的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开技术方案相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，实施例中提到的设备部件和/模块本身的结构如果没有详细说明，为本领域技术人员根据现有公开技术可理解或市售产品。

实施例提供的激光雷达扫描三维物体结合点激光精确定位引导机械臂运动的方法，在机械臂轨迹规划前，通过单线激光雷达和舵机扫描目标物体轮廓，并生成点云数据，处理点云可以得到目标物体角点或者边缘三维坐标信息，机械臂带着点激光到达指定的小范围区域内进行精确定位，根据精确定位的三维坐标来进行机械臂运动轨迹规划。

单线激光雷达配合舵机进行大范围内扫描目标物体轮廓和点激光小范围内精确定位方法，所述粗定位方法由用于生成物体轮廓点云的单线激光雷达和舵机系统实现，所述的精定位方法通过点激光系统结合机械臂实现。

本发明实施例提供的单线激光结合点激光精确定位方法，包括：

S1，对单线激光雷达与旋转舵机的位置关系进行标定；

S2，对单线激光雷达和舵机系统与机械臂的位置关系进行标定；

S3，对点激光与机械臂的位置关系进行标定；

S4，旋转舵机带着单线激光雷达扫描目标物体，得到目标物体每个角点在机械臂坐标系下的坐标P_i；

S5，基于坐标P_i，机械臂带着点激光移动到目标物体的某一平面上；

S6，点激光测量该平面上不共线的三个以上的点，并转换到机械臂坐标系下为P_b1～P_bn，对P_b1～P_bn进行平面拟合，得到平面方程:Ax+By+Cz+D＝0；

S7，重复S6，直至得到目标物体上所有平面的平面方程；

S8，计算各个平面之间的交点，得到目标物体各个角点的精确三维坐标；

S9，机械臂根据目标物体各个角点的精确三维坐标，得到目标物体在机械臂坐标系下的位置，规划需要完成的行走路径。

所述的单线激光雷达与旋转舵机位置关系标定，优选的实施方式之一，包括如下步骤：

S101，将平面标定板固定在单线激光雷达和旋转舵机系统前方；

S102，设置旋转舵机的旋转角度为θ₁，记录该角度单线激光雷达打在平面标定板上的点云；

S103，改变旋转舵机的旋转角度为θ_i，记录θ_i角度时单线激光雷达打在平面标定板上的点云；

S104，重复步骤S103，直至采集6-10组不同旋转角度对应的点云数据；

S105，在旋转舵机的坐标系下，根据单线激光雷达的所有点云数据在同一个平面上，进行非线性优化，得到单线激光雷达坐标系到旋转舵机坐标系下的旋转偏移关系。

所述的单线激光雷达和舵机系统与机械臂位置关系标定，优选的实施方案之一，包括如下步骤：

S201，将平面标定板固定在单线激光雷达和旋转舵机系统前方；

S202，移动机械臂，使机械臂末端接触到平面标定板，记录下该位置机械臂末端在机械臂坐标系下的坐标P_C1；

S203，重复步骤S202 N次，记录机械臂末端在平面标定板不同点位上的坐标点P_C2、P_C3、到P_CN；

S204，通过P_C1-P_CN，使用最小二乘法拟合平面标定板在机械臂坐标系下的方程：Ax+By+Cz+D＝0；

S205，使用旋转舵机和单线激光雷达系统扫描平面标定板，记录下所有打在平面标定板上的点云数据；

S206，根据点云数据和平面方程：Ax+By+Cz+D＝0，计算出单线激光雷达和旋转舵机系统坐标系与机械臂坐标系之间的旋转偏移位置关系。

所述的点激光与机械臂的位置关系标定，优选的实施方案之一，包括如下步骤：

S301，移动机械臂，使机械臂末端接触到平面标定板；

S302，记录下该位置机械臂末端在机械臂坐标系下的位置P_d1；

S303，调整机械臂姿态，重复步骤S302，直至记录了5个以上点的位置P_d2、P_d3、P_d4、P_d5…；

S304，根据步骤S302和S303记录的所有点的位置，拟合平面标定板在机械臂坐标系下方程：Ax+By+Cz+D＝0；

S305，机械臂移动带着点激光打在平面标定板上；

S306，记录下该位置点激光的三维坐标点Pⁱ _laser

S307，调整机械臂姿态，重复步骤S305和S306，直至记录了10个以上三维坐标点P¹ _laser～P¹⁰ _laser…；

S308，根据步骤S307记录的所有三维坐标点Pⁱ _laser和平面方程Ax+By+Cz+D＝0，计算点激光与机械臂坐标系之间的位置关系。

目标物体每个角点在机械臂坐标系下的坐标P_i，是通过旋转舵机带着单线激光雷达扫描目标物体，得到目标物体的轮廓点云，处理目标物体的轮廓点云，得到目标物体每个角点在机械臂坐标系下的坐标P_i。

实施例中单线激光结合点激光精确定位方法，各步骤还有各种优选的方案可选择，例如S6，点激光测量该平面上不共线的三个以上的点，通过刚体变换转换到机械臂坐标系下为P_b1～P_bn，使用最小二乘法对P_b1～P_bn进行平面拟合，得到平面方程:Ax+By+Cz+D＝0。例如S7,依次测量目标物体上的其他平面，得到各个平面的平面方程。例如S8，计算各个平面之间的交点，得到目标物体各个角点的精确三维坐标。

实施例提供的单线激光结合点激光精确定位方法，包括步骤：1)将单线激光雷达安装在舵机上，通过舵机旋转，改变单线激光雷达扫描位置和扫描角度，获得整个目标物体轮廓并生成点云数据，处理点云得到目标物体角点或者/和边缘等特征点三维坐标信息,最后将目标物体轮廓的坐标信息传输给机械臂；2)机械臂带着点激光到达指定的区域内进行精确定位，根据精确定位的三维坐标来引导机械臂运动。

参考图1，以长方形木块6做为目标物体，目标是得到木块的各个角点，但目标物体不仅限于长方形木块。图6为单线激光雷达1与旋转舵机2位置关系标定流程图。图7为单线激光雷达和舵机系统与机械臂5位置关系标定流程图。图8为点激光4与机械臂5位置关系标定流程图。

如图5流程所示，旋转舵机2带动单线激光雷达1旋转，单线激光雷达1实时扫描木块6得到木块6的整体轮廓点云，通过处理点云，计算得到木块6的8个角点的三维坐标，精度在厘米级别。机械臂5带着点激光4在木块6的各个平面上测量三个或以上的点，拟合出各个平面方程。平面之间交点为木块6角点的精确三维坐标，精度可以达到1mm。机械臂5根据木块6的角点坐标，可以进行运动路径规划，如沿着木块边缘进行行走。

同时，本发明还提供单线激光结合点激光精确定位系统的实施例，包括：

第一标定单元，用于对单线激光雷达与旋转舵机的位置关系进行标定；

第二标定单元，用于对单线激光雷达和舵机系统与机械臂的位置关系进行标定；

第三标定单元，用于对点激光与机械臂的位置关系进行标定；

单线激光雷达扫描单元，用于：使旋转舵机带着单线激光雷达扫描目标物体，得到目标物体每个角点在机械臂坐标系下的坐标P_i；

粗定位单元，用于：基于坐标P_i，机械臂带着点激光移动到目标物体的某一平面上；

点激光扫描单元，用于：利用点激光测量粗定位单元移动的某一平面上不共线的三个以上的点，并转换到机械臂坐标系下为P_b1～P_bn，对P_b1～P_bn进行平面拟合，得到平面方程:Ax+By+Cz+D＝0；

全局扫描单元，重复点激光扫描单元功能，直至得到目标物体上所有平面的平面方程；

精定位单元，用于：计算各个平面之间的交点，得到目标物体各个角点的精确三维坐标；

确定移动路线单元，用于：机械臂根据目标物体各个角点的精确三维坐标，得到目标物体在机械臂坐标系下的位置，规划需要完成的行走路径。

所述的第一标定单元，优选包括如下模块：

模块一，用于将平面标定板固定在单线激光雷达和旋转舵机系统前方；

模块二，用于：设置旋转舵机的旋转角度为θ₁，记录该角度下单线激光雷达打在平面标定板上的点云；

模块三，用于：改变旋转舵机的旋转角度为θ_i，记θ_i角度时单线激光雷达打在平面标定板上的点云；

模块四，用于：重复模块三的功能，直至采集6-10组不同旋转角度对应的点云数据；

模块五，用于:在旋转舵机的坐标系下，根据单线激光雷达的所有点云数据在同一个平面上，进行非线性优化，得到单线激光雷达坐标系到旋转舵机坐标系下的旋转偏移关系。

所述的第二标定单元，优选包括如下模块：

模块一，用于将平面标定板固定在单线激光雷达和旋转舵机系统前方；

模块二，用于：移动机械臂，使机械臂末端接触到平面标定板，记录下该位置机械臂末端在机械臂坐标系下的坐标P_C1；

模块三，用于：重复模块二的功能N次，记录机械臂末端在平面标定板不同点位上的坐标点P_C2、P_C3、到P_CN；

模块四，用于：通过P_C1-P_CN，使用最小二乘法拟合平面标定板在机械臂坐标系下的方程：Ax+By+Cz+D＝0；

模块五，用于：使用旋转舵机和单线激光雷达系统扫描平面标定板，记录下所有打在平面标定板上的点云数据；

模块六，用于：根据点云数据和平面方程：Ax+By+Cz+D＝0，计算出单线激光雷达和旋转舵机系统坐标系与机械臂坐标系之间的旋转偏移位置关系。

所述的第三标定单元，优选包括如下模块：

模块一，用于：移动机械臂，使机械臂末端接触到平面标定板；

模块二，用于记录下该位置机械臂末端在机械臂坐标系下的位置P_d1；

模块三，用于：调整机械臂姿态，重复模块二的功能，直至记录了5个以上点的位置P_d2、P_d3、P_d4、P_d5；

模块四，用于：根据模块二和模块三记录的所有点的位置，拟合平面标定板在机械臂坐标系下方程：Ax+By+Cz+D＝0；

模块五，用于机械臂移动带着点激光打在平面标定板上；

模块六，用于记录下该位置点激光的三维坐标点Pⁱ _laser

模块七，用于：调整机械臂姿态，重复模块五和模块六的功能，直至记录了10个以上三维坐标点P¹ _laser～P¹⁰ _laser；

模块八，根据模块七记录的所有三维坐标点Pⁱ _laser和平面方程Ax+By+Cz+D＝0，计算点激光与机械臂坐标系之间的位置关系。

所述的单线激光雷达扫描单元，是通过旋转舵机带着单线激光雷达扫描目标物体，得到目标物体的轮廓点云，处理目标物体的轮廓点云，得到目标物体每个角点在机械臂坐标系下的坐标P_i。

单线激光雷达和舵机系统包括单线激光雷达1和旋转舵机2，单线激光雷达1安装在旋转舵机2上，旋转舵机2安装在支架3上；所述的点激光系统包括点激光4，点激光4安装在机械臂5末端位置。

例如，选用扫描范围为0.05m-10m、扫描角度为-120°～120°的单线激光雷达和角度分辨率为0.25°的旋转舵机，将单线激光雷达安装在旋转舵机上，在距离单线激光雷达2m处，放置一个长1m、宽1.5m的长方形木块。旋转舵机带着单线激光雷达旋转约50°，单线激光雷达完成扫描木块，存储扫描得到的点云。通过计算点云各个点的法向量，可以得到木块的整体边缘轮廓和角点。通过刚体变换，可以得到这些特征点在机械臂坐标系下的位置。

例如，选择测量范围为0.1m-0.8m的点激光安装在机械臂上，在距离机械臂为1m的位置放置一个长1m、宽1.5m的长方形木块。机械臂带着点激光测量长方形木块第一个面上不共线的三个点，将其坐标转换到机械臂坐标系下，通过最小二乘法，可以计算得到第一个面的平面方程:A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0。使用同样的方法得到木块其他表面的平面方程：A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0。计算平面之间的角点和交线，可以得到木块的边缘和角点。

显然，本发明的单线激光结合点激光精确定位系统通过下述几个部分来实现：单线激光雷达舵机系统、点激光传感器测量系统。单线激光雷达舵机系统测量出远距离目标物体轮廓信息，点激光传感器测量系统测量出目标物体精确位置信息，从而引导机械臂进行精确的路径规划。参考图1-5利用该系统可以实现单线激光雷达和舵机系统粗定位、点激光精定位目标物体。首先对1)单线激光雷达1与旋转舵机2位置关系标定；2)单线激光雷达和舵机系统与机械臂5位置关系标定；3)点激光4与机械臂5位置关系标定；其次，旋转舵机2带着单线激光雷达1扫描木块6，得到木块6轮廓点云；处理木块6轮廓点云，得到木块6的8个角点在机械臂5坐标系下坐标P₁～P₈；基于P₁～P₈，机械臂5带着点激光4移动到木块6某一平面上；点激光4测量平面上不共线的三个或以上的点，并转换到机械臂5坐标系下为P_b1～P_bn；对P_b1～P_bn进行平面拟合，得到平面方程:Ax+By+Cz+D＝0；最后，点激光4重复测量平面上不共线的三个或以上的点，并转换到机械臂5坐标系下为P_b1～P_bn；对P_b1～P_bn进行平面拟合，得到平面方程:Ax+By+Cz+D＝0，直至得到木块6上所有平面的平面方程；计算各个平面之间的交点，得到木块6各个角点的精确三维坐标；机械臂5根据木块6的角点三维坐标，得到木块6在机械臂5坐标系下的位置，规划需要完成的行走路径。

对于本领域技术人员来说，实施例中提供的单线激光结合点激光精确定位方法中，一些优选的技术方案或步骤或手段，在实际应用时可根据技术目的进行择一或组合选择。提供的单线激光结合点激光精确定位系统，各单元或模块的优化也可以进行择一或组合选择。

另外，本发明实施例提供一种实现单线激光结合点激光精确定位方法的装置或终端，包括一个或多个处理器、存储装置；存储装置，用于存储一个或多个程序；当所述的一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如上述第一方面中的任一所述的一种单线激光结合点激光精确定位方法。还可以包括通信接口，用于与其它设备或通信网络进行通信。

同时，本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，其存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述第一方面中任一所述的一种单线激光结合点激光精确定位方法。

本领域的技术人员可以理解实现上述实施例方法提供的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法中的步骤之一或其组合。

以上是对本发明的较佳实施进行了举例说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种单线激光结合点激光精确定位方法，包括：

S1，对单线激光雷达与旋转舵机的位置关系进行标定；

S2，对单线激光雷达和舵机系统与机械臂的位置关系进行标定；

S3，对点激光与机械臂的位置关系进行标定；

S4，旋转舵机带着单线激光雷达扫描目标物体，得到目标物体每个角点在机械臂坐标系下的坐标P_i；

S5，基于坐标P_i，机械臂带着点激光移动到目标物体的某一平面上；

S6，点激光测量该平面上不共线的三个以上的点，并转换到机械臂坐标系下为P_b1～P_bn，对P_b1～P_bn进行平面拟合，得到平面方程:Ax+By+Cz+D＝0；

S7，重复S6，直至得到目标物体上所有平面的平面方程；

S8，计算各个平面之间的交点，得到目标物体各个角点的精确三维坐标；

S9，机械臂根据目标物体各个角点的精确三维坐标，得到目标物体在机械臂坐标系下的位置，规划需要完成的行走路径。

2.如权利要求1所述的单线激光结合点激光精确定位方法，其特征在于：所述的单线激光雷达与旋转舵机位置关系标定，包括如下步骤：

S101，将平面标定板固定在单线激光雷达和旋转舵机系统前方；

S102，设置旋转舵机的旋转角度为θ₁，记录该角度单线激光雷达打在平面标定板上的点云；

S103，改变旋转舵机的旋转角度为θ_i，记录θ_i角度时单线激光雷达打在平面标定板上的点云；

S104，重复步骤S103，直至采集6-10组不同旋转角度对应的点云数据；

S105，在旋转舵机的坐标系下，根据单线激光雷达的所有点云数据在同一个平面上，进行非线性优化，得到单线激光雷达坐标系到旋转舵机坐标系下的旋转偏移关系。

3.如权利要求1所述的单线激光结合点激光精确定位方法，其特征在于：所述的单线激光雷达和舵机系统与机械臂位置关系标定，包括如下步骤：

S201，将平面标定板固定在单线激光雷达和旋转舵机系统前方；

S202，移动机械臂，使机械臂末端接触到平面标定板，记录下该位置机械臂末端在机械臂坐标系下的坐标P_C1；

S203，重复步骤S202 N次，记录机械臂末端在平面标定板不同点位上的坐标点P_C2、P_C3、到P_CN；

S204，通过P_C1-P_CN，使用最小二乘法拟合平面标定板在机械臂坐标系下的方程：

Ax+By+Cz+D＝0；

S205，使用旋转舵机和单线激光雷达系统扫描平面标定板，记录下所有打在平面标定板上的点云数据；

S206，根据点云数据和平面方程：Ax+By+Cz+D＝0，计算出单线激光雷达和旋转舵机系统坐标系与机械臂坐标系之间的旋转偏移位置关系。

4.如权利要求1所述的单线激光结合点激光精确定位方法，其特征在于：所述的点激光与机械臂的位置关系标定，包括如下步骤：

S301，移动机械臂，使机械臂末端接触到平面标定板；

S302，记录下该位置机械臂末端在机械臂坐标系下的位置P_d1；

S303，调整机械臂姿态，重复步骤S302，直至记录了5个以上点的位置P_d2、P_d3、P_d4、P_d5；

S304，根据步骤S302和S303记录的所有点的位置，拟合平面标定板在机械臂坐标系下方程：Ax+By+Cz+D＝0；

S305，机械臂移动带着点激光打在平面标定板上；

S306，记录下该位置点激光的三维坐标点Pⁱ _laser

S307，调整机械臂姿态，重复步骤S305和S306，直至记录了10个以上三维坐标点P¹ _laser～P¹⁰ _laser；

S308，根据步骤S307记录的所有三维坐标点Pⁱ _laser和平面方程Ax+By+Cz+D＝0，计算点激光与机械臂坐标系之间的位置关系。

5.如权利要求1所述的单线激光结合点激光精确定位方法，其特征在于：所述的S6，点激光测量该平面上不共线的三个以上的点，通过刚体变换转换到机械臂坐标系下为P_b1～P_bn，使用最小二乘法对P_b1～P_bn进行平面拟合，得到平面方程:Ax+By+Cz+D＝0。

6.如权利要求1所述的单线激光结合点激光精确定位方法，其特征在于：所述的S8，计算各个平面之间的交点，得到目标物体各个角点的精确三维坐标。

7.如权利要求1所述的单线激光结合点激光精确定位方法，其特征在于：包括步骤：1)将单线激光雷达安装在舵机上，通过舵机旋转，改变单线激光雷达扫描位置和扫描角度，获得整个目标物体轮廓并生成点云数据，处理点云得到目标物体角点或者/和边缘等特征点三维坐标信息,最后将目标物体轮廓的坐标信息传输给机械臂；2)机械臂带着点激光到达指定的区域内进行精确定位，根据精确定位的三维坐标来引导机械臂运动。

8.一种单线激光结合点激光精确定位系统，包括：

第一标定单元，用于对单线激光雷达与旋转舵机的位置关系进行标定；

第二标定单元，用于对单线激光雷达和舵机系统与机械臂的位置关系进行标定；

第三标定单元，用于对点激光与机械臂的位置关系进行标定；

单线激光雷达扫描单元，用于：使旋转舵机带着单线激光雷达扫描目标物体，得到目标物体每个角点在机械臂坐标系下的坐标P_i；

粗定位单元，用于：基于坐标P_i，机械臂带着点激光移动到目标物体的某一平面上；

点激光扫描单元，用于：利用点激光测量粗定位单元移动的某一平面上不共线的三个以上的点，并转换到机械臂坐标系下为P_b1～P_bn，对P_b1～P_bn进行平面拟合，得到平面方程:Ax+By+Cz+D＝0；

全局扫描单元，重复点激光扫描单元功能，直至得到目标物体上所有平面的平面方程；

精定位单元，用于：计算各个平面之间的交点，得到目标物体各个角点的精确三维坐标；

确定移动路线单元，用于：机械臂根据目标物体各个角点的精确三维坐标，得到目标物体在机械臂坐标系下的位置，规划需要完成的行走路径。

9.一种单线激光结合点激光精确定位的装置或终端，包括一个或多个处理器、存储装置；存储装置，用于存储一个或多个程序；当所述的一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-7任一所述的单线激光结合点激光精确定位方法。

10.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一所述的一种单线激光结合点激光精确定位方法。

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