CN116100145A - 水导激光定位方法、装置、存储介质和水导激光设备 - Google Patents

水导激光定位方法、装置、存储介质和水导激光设备 Download PDF

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CN116100145A CN202310370942.8A CN202310370942A CN116100145A CN 116100145 A CN116100145 A CN 116100145A CN 202310370942 A CN202310370942 A CN 202310370942A CN 116100145 A CN116100145 A CN 116100145A
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Abstract

本申请公开了一种水导激光定位方法、装置、存储介质和水导激光设备。方法包括：对水导激光设备进行标定；控制相机对承载装置进行拍摄，得到工装图像；对工装图像进行处理，确定承载装置在相机坐标系下的第一基准点的基准坐标和第一基准方向；根据第一基准点的基准坐标和第一基准方向，确定发射装置的运动轴方向相对于第一基准方向的校正角度，以及确定发射装置的水射流相对于第一基准点的校正位移；按照校正角度控制承载装置旋转，以使发射装置的运动轴的Y正方向与第一基准方向一致；和/或，按照校正位移控制发射装置移动，以使水射流中心位于第一基准点。从而实现水导激光设备的自动定位，提高加工效率。

Description

水导激光定位方法、装置、存储介质和水导激光设备
技术领域
本申请涉及激光加工技术领域，尤其是涉及到一种基于视觉的水导激光定位方法、装置、存储介质和水导激光设备。
背景技术
水导激光加工技术同时结合了水射流加工和激光加工技术的优点，具有无需对焦、宽径比大、热影响区小、微裂纹少、无毛刺等特点。水导激光加工的对象通常为难加工材料的微结构，几何尺度一般在微米量级，在加工过程中，对其加工方向和加工位置有着较高的精度要求。由于水导激光加工设备的部件之间，存在一定的装配和加工误差，无法准确保证水射流和加工零件之间的相对位置关系，因此需要进行校准和定位。
在实际的水导激光加工过程中，通常采用人工手动的方式进行定位，即不断调整待加工零件的安装位置，直至获得合适的加工基准位置和基准方向。这种定位方式主要依赖人工判断完成，准确性和重复性难以保证，耗费时间长，效率低，对操作者要求高，不易满足水导激光加工的定位需求。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种基于视觉的水导激光定位方法、装置、存储介质和水导激光设备，利用视觉处理方法对承载装置进行特征提取，通过坐标系转换计算得到基准点坐标和基准方向，并进行加工位置和方向的自动校准补偿，有效提高了水导激光加工的性能。
根据本申请的一个方面，提供了一种基于视觉的水导激光定位方法，包括：
对水导激光设备进行标定；
控制相机对承载装置进行拍摄，得到工装图像；
对工装图像进行处理，确定承载装置在相机坐标系下的第一基准点的基准坐标和第一基准方向；
根据第一基准点的基准坐标和第一基准方向，确定发射装置的运动轴方向相对于第一基准方向的校正角度，以及确定发射装置的水射流相对于第一基准点的校正位移；
按照校正角度控制承载装置旋转，以使发射装置的运动轴的Y正方向与第一基准方向一致；和/或，
按照校正位移控制发射装置移动，以使水射流中心位于第一基准点。
根据本申请的另一方面，提供了一种基于视觉的水导激光定位装置，包括：
标定模块，用于对水导激光设备进行标定；
控制模块，用于控制相机对承载装置进行拍摄，得到工装图像；
处理模块，用于对工装图像进行处理，确定承载装置在相机坐标系下的第一基准点的基准坐标和第一基准方向；
校准模块，用于根据第一基准点的基准坐标和第一基准方向，确定发射装置的运动轴方向相对于第一基准方向的校正角度，以及确定发射装置的水射流相对于第一基准点的校正位移；
控制模块，还用于按照校正角度控制承载装置旋转，以使发射装置的运动轴的Y正方向与第一基准方向一致；和/或，按照校正位移控制发射装置移动，以使水射流中心位于第一基准点。
根据本申请再一个方面，提供了可读存储介质，其上存储有程序或指令，程序或指令被处理器执行时实现上述基于视觉的水导激光定位方法的步骤。
根据本申请又一个方面，提供了一种水导激光设备，包括：
发射装置，用于发射水射流，发射装置具有X、Y、Z轴方向的移动自由度；
相机，用于拍摄图像；
承载装置，用于承载加工件，至少部分承载装置位于相机的视场内，承载装置具有Z轴方向的旋转自由度；
处理器，与发射装置、相机、承载装置电连接，处理器用于实现上述基于视觉的水导激光定位方法的步骤。
借由上述技术方案，水导激光加工前，先对水导激光设备进行标定处理，确定水导激光设备定位相关的各项数据（相机坐标系下的承载装置的旋转中心坐标、发射装置的水射流与相机坐标系中心的相对位置坐标、相机坐标系下发射装置的运动轴方向）。然后利用相机采集承载装置的工装图像，通过对工装图像的处理，确定当前位置下发射装置的水射流相对于承载装置的理论位置（第一基准点的基准坐标）和理论方向（第一基准方向）。以第一基准点的基准坐标和第一基准方向为参照，通过标定得到的各项数据可以计算出发射装置的运动轴方向相对于第一基准方向的校正角度和发射装置的水射流相对于第一基准点的校正位移。最后，按照校正角度控制承载装置旋转，使得发射装置的运动轴的Y正方向与理论的第一基准方向保持一致，并且按照校正位移控制发射装置移动，使得发射装置的水射流中心能够位于理论的第一基准点。由此，以基准坐标和基准方向为参考，通过视觉数据的计算，完成水导激光的加工定位，一方面，无需人工参与即可实现水导激光设备的自动定位，提高了自适应定位的智能化程度；又一方面，只需在每次加工前进行一次定位，无需反复调试水导激光设备，优化了定位校准操作，使得水导激光设备的定位更加迅速，有利于提高水导激光的加工效率；再一方面，通过对加工件的承载装置进行图像识别，可以适应不同种类的加工零件，适应性和通用性较好。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了本申请实施例提供的基于视觉的水导激光定位方法的流程示意图；
图2示出了本申请实施例提供的基于视觉的水导激光定位装置的结构框图；
图3示出了本申请实施例提供的水导激光设备的结构示意图；
图4示出了本申请实施例提供的水导激光定位方法的应用场景示意图。
附图标记：
310发射装置，311运动轴，320相机，321光源，322保护罩，330承载装置，331固定工装，332旋转台，340处理器，400加工件，500水射流。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“相接”到另一元件时，它可以直接连接或相接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“相接”可以包括无线连接或无线稠接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。
在本实施例中提供了一种基于视觉的水导激光定位方法，如图1所示，该方法包括：
步骤101，对水导激光设备进行标定。
具体地，本实施例中的水导激光定位方法应用于水导激光设备，如图3所示，该水导激光设备包括：相机320、发射装置310和承载装置330。相机320安装于发射装置310的表面，由此，相机320可与发射装置310同步移动，至少部分承载装置330位于相机320的视场内，例如承载装置330的一个直角在相机320视野中，以便于通过相机320的采集到的视觉数据定位发射装置310发射的水射流500和承载装置330上固定的加工件400之间的位置关系。
在该实施例中，水导激光加工前，先进行水导激光设备的系统标定，包括相机内参数标定、相机坐标系下的承载装置的中心标定、相机坐标系下的运动轴方向标定、水射流与相机坐标系中心的相对位置标定等，以确定后续定位和校准时所需的参数。
具体地，步骤101，也即对水导激光设备进行标定，包括如下步骤：
步骤101-1，获取相机的像素坐标系与相机坐标系之间的转换关系。
其中，像素平面坐标系（u，v）是指描述物体在照片上数字图像的位置而引入的一种数字坐标系。相机坐标系（xc，yc，zc），是以相机为中心从相机角度描述物体位置的坐标系。可以通过坐标系的旋转变换加上平移变换实现像素坐标系与相机坐标系之间的转换。
步骤101-2，标定相机坐标系下的承载装置的旋转中心坐标。
在实际应用场景中，承载装置上设有圆形的定位件；步骤101-2具体包括：按照预设次数和预设旋转角度，控制承载装置旋转；若承载装置完成一次旋转，控制相机移动，以使定位件位于相机的视场内；记录发射装置所处位置的运动轴坐标；根据运动轴坐标，将第i次相机坐标系下定位件的圆心坐标转换至第1次相机坐标系下，得到第i次的基准圆心坐标，其中，i≤预设次数；对预设次数的基准圆心坐标进行圆拟合处理，得到目标圆心坐标；将目标圆心坐标配置为旋转中心坐标。
在该实施例中，控制承载装置每次按照旋转角度转动预设次数，当承载装置完成一次旋转后，由于定位件随承载装置发生周向位置变化，定位件可能会偏离相机视场，此时则通过控制相机移动，以保证定位件能够存在于相机视场内，同时，由于相机和发射装置同步运动，记录下每次相机移动后发射装置所处位置的运动轴坐标。再利用发射装置所处位置的运动轴坐标分别将承载装置不同次数旋转后检测到的定位件的圆心坐标转换至第1次旋转后的相机坐标系下，并得到不同次数下定位件的基准圆心坐标。最后通过对多次得到的基准圆心坐标进行圆拟合处理，将最终确定定位件的目标圆心坐标作为承载装置的旋转中心坐标。
其中，将第i次相机坐标系下定位件的圆心坐标转换至第1次相机坐标系下，采用如下公式：
(x0ni，y0ni)=(xni，yni)+(xmi，ymi)-(xm1，ym1)；
式中，(x0ni，y0ni)表示第i次的基准圆心坐标，(xni，yni)表示第i次相机坐标系下定位件的圆心坐标，(xmi，ymi)表示第i次记录的相机的运动轴坐标，(xm1，ym1)表示第1次记录的相机的运动轴坐标。
具体举例来说，将标定板放置于承载装置上，对相机进行对焦以保证图像清晰，采用标定法获得相机的像素坐标系与相机坐标系的转换矩阵H，并根据转换矩阵H将像素坐标转为相机坐标。移去标定板并在承载装置上表面粘贴一个圆形标志点（定位件）。对相机进行对焦以保证标志点图像清晰，记录此时运动轴的Z方向坐标值zc。由于视觉定位的Z方向坐标固定，只考虑X和Y方向坐标值，后面的坐标计算均采用二维坐标。控制承载装置运动18次，每次转动角度为20°（360°/18=20°），每次转动后，沿X轴和Y轴方向移动相机，保证相机视野中有完整的圆形标志点，记录第i（i=1，…，18）次的运动轴坐标pmi(xmi，ymi)，并计算相机坐标系下的标志点圆心坐标pni(xni，yni)，将i个相机坐标系下的标志点圆心坐标转换到第1个相机坐标系下，得到更新后的基准圆心坐标p0ni(x0ni，y0ni)为：(x0ni，y0ni)=(xni，yni)+(xmi，ymi)-(xm1，ym1)(i=2，…，18)，对更新后的基准圆心坐标p0ni(x0ni，y0ni)进行最小二乘圆拟合，得到目标圆心坐标pr(xr，yr)，为相机坐标系下的承载装置的中心坐标。
步骤101-3，标定发射装置的水射流与相机坐标系中心的相对位置坐标。
在实际应用场景中，承载装置上设有圆形的定位件；步骤101-3具体包括：记录发射装置所处位置的第一运动轴坐标；控制发射装置移动；若发射装置的水射流中心位于定位件的圆心坐标，记录发射装置所处位置的第二运动轴坐标；根据定位件的圆心坐标、第一运动轴坐标和第二运动轴坐标，确定相对位置坐标。
在该实施例中，先获取出当前位置下发射装置所处位置的第一运动轴坐标。控制发射装置向定位件移动，以使发射装置发射的水射流中心能够位于定位件的圆心坐标处。当检测到水射流中心到达定位件的圆心坐标后，再次记录移动后发射装置所处位置的第二运动轴坐标。根据定位件的圆心坐标、第一运动轴坐标和第二运动轴坐标，确定水射流与相机坐标系中心的相对位置坐标。
其中，水射流与相机坐标系中心的相对位置坐标(Δxwc，Δywc)可计算为：
(Δxwc，Δywc)=(xw2，yw2)-(xw1，yw1)+(xn，yn)；
式中，(Δxwc，Δywc)表示相对位置坐标，(xw1，yw1)表示第一运动轴坐标，(xw2，yw2)表示第二运动轴坐标，(xn，yn)表示定位件的圆心坐标。
具体举例来说，在标志点圆心处具有十字线，计算此时相机坐标系下的十字交点坐标，也即定位件的圆心坐标pn(xn，yn)，当前运动轴坐标记为pw1(xw1，yw1)，沿X轴和Y轴方向移动发射装置以改变水射流位置，当水射流指向十字交点时，运动轴坐标记为pw2(xw2，yw2)。根据十字交点坐标、第一次采集的运动轴坐标和第二次采集的运动轴坐标计算水射流与相机坐标系中心的相对位置。
步骤101-4，标定相机坐标系下发射装置的运动轴方向。
在实际应用场景中，承载装置上设有圆形的定位件；步骤101-4具体包括：获取相机坐标系下定位件的第一圆心坐标；根据定位件在相机的视场内的位置，控制相机沿Y轴正方向移动；获取移动后相机坐标系下的定位件的第二圆心坐标；将第一圆心坐标指向第二圆心坐标的方向配置为相机坐标系下发射装置的运动轴方向。
在该实施例中，先识别出当前位置下相机坐标系的定位件的第一圆心坐标。在保证定位件仍在相机视场中的情况下，按照预设的距离沿Y轴正方向移动相机一次。此时再识别一次相机移动位置下相机坐标系的定位件的第二圆心坐标。将第一圆心坐标指向第二圆心坐标的方向，也即本次相机移动的方向，配置为相机坐标系下发射装置的运动轴方向。
可以理解的是，相机移动的预设距离可从定位件边缘与摄像机视场边界之间的距离范围内随机选取，从而保证相机沿Y轴正方向移动后定位件仍在相机视场中。
其中，相机坐标系下的运动轴方向ad可计算为：
ad=(xd2，yd2)-(xd1，yd1)；
式中，(xd1，yd1)表示第一圆心坐标，(xd2，yd2)表示第二圆心坐标，ad表示运动轴方向。
步骤102，控制相机对承载装置进行拍摄，得到工装图像。
步骤103，对工装图像进行处理，确定承载装置在相机坐标系下的第一基准点的基准坐标和第一基准方向。
在该实施例中，利用相机采集承载装置的工装图像，通过对工装图像的处理，确定当前位置下发射装置的水射流相对于承载装置的理论位置（第一基准点的基准坐标）和理论方向（第一基准方向），以便于利用第一基准点的基准坐标和第一基准方向作为后续定位的参照标准。
具体地，步骤103，也即对工装图像进行处理，确定承载装置在相机坐标系下的第一基准点的基准坐标和第一基准方向，包括如下步骤：
步骤103-1，对工装图像进行预处理，提取工装图像中承载装置对应的工装区域。
具体地，预处理包括：去噪处理、剪裁处理、滤波处理或二值化处理等能够提升图像质量的方式。
步骤103-2，对工装区域进行边缘识别处理，获得工装图像中承载装置的边缘轮廓。
步骤103-3，对边缘轮廓进行分割处理，得到多个直线段和多个圆弧段。
步骤103-4，确定多个直线段中每个直线段与承载装置的第一边缘线之间的夹角。
其中，第一边缘线为多个直线段中长度最大的直线段。
步骤103-5，若夹角位于预设角度范围内，将夹角对应的直线段确定为承载装置的第二边缘线。
其中，预设角度范围可根据承载装置的形状合理设置，例如，若承载装置为矩形，此时矩形的边缘角（相邻边缘的夹角）为直角，则预设角度范围可以设置为90°±10°；若承载装置为菱形，此时菱形的边缘角为锐角和钝角，则预设角度范围可以设置为60°±10°或者120±10°。
在该实施例中，先通过阈值分割法提取工装图像中承载装置所在的工装区域。通过canny算子对工装区域进行边缘识别处理，再采用直线段递进逼近轮廓方法，边缘轮廓分割为若干直线段和圆弧段。按照长度从大至小对直线段排序，将多个直线段中最长直线段作为第一边缘线。然后，按长度排列顺序依次计算多个直线段中每个直线段所在直线与该第一边缘线所在直线之间的夹角。若任一直线段与该第一边缘线所在直线之间的夹角位于预设角度范围内，说明该夹角近似于承载装置的实际边缘角，此时，将位于预设角度范围内的夹角对应的直线段确定为与第一边缘线相邻的第二边缘线。从而定位出承载装置的边缘，以便于后续通过承载装置的边缘确定第一基准点和第一基准方向。
步骤103-6，对第一边缘线和第二边缘线分别进行直线拟合，将第一边缘线和第二边缘线的交点坐标确定为像素坐标系下第一定位点的像素坐标。
步骤103-7，确定交点坐标指向第一边缘线上任一点的像素坐标的第一向量，以及确定交点坐标指向第二边缘线上任一点的像素坐标的第二向量。
步骤103-8，计算第一向量和第二向量的叉积。
其中，叉积也即向量积，第一向量a1与第二向量a2的叉积计算采用如下公式：
a1=(u1，v1)-(u0，v0)；
a2=(u2，v2)-(u0，v0)；
G=a1×a2=(u1-u0)×(v2-v0)-(v1-v0)×(u2-u0)；
式中，a1表示第一向量，a2表示第二向量，(u0，v0)表示交点坐标，(u1，v1)表示第一边缘线上任一点的像素坐标，(u2，v2)表示第二边缘线上任一点的像素坐标，G表示叉积。
步骤103-9，若叉积大于预设阈值，将第一边缘线上任一点的像素坐标确定为像素坐标系下第二定位点的像素坐标，以及将第一向量的反方向确定为像素坐标系下的像素方向。
步骤103-10，若叉积小于或等于预设阈值，将第二边缘线上任一点的像素坐标确定为像素坐标系下第二定位点的像素坐标，以及将第二向量的反方向确定为像素坐标系下的像素方向。
步骤103-11，根据相机的像素坐标系与相机坐标系之间的转换关系，对第一定位点的像素坐标、第二定位点的像素坐标和像素方向进行转换处理，确定相机坐标系下第一定位点的基准坐标、相机坐标系下第二定位点的基准坐标和相机坐标系下的第一基准方向。
在该实施例中，通过直线拟合确定第一边缘线和第二边缘线的交点坐标，并将其作为第一基准点中的其中一个的像素坐标。再将该交点分别与第一边缘线和第二边缘线上任一点进行连接，形成第一向量和第二向量。计算第一向量和第二向量的叉积（向量积）。当叉积大于预设阈值时，第一向量在第二向量的逆时针方向，此时将第一边缘线上任一点的像素坐标确定为第一基准点中另一个的像素坐标，以及将第一向量的反方向确定为像素坐标系下的像素方向。当叉积小于或等于预设阈值时，第一向量在第二向量的顺时针方向，此时第二边缘线上任一点的像素坐标确定为第一基准点中另一个的像素坐标，以及将第二向量的反方向确定为像素坐标系下的像素方向。通过标定时确定的像素坐标系与相机坐标系之间的转换关系，即可将像素坐标转换为基准坐标，以及将像素方向转换为第一基准方向。
在另一个可能的实施例中，还可将相机坐标系下第一定位点的基准坐标指向第二定位点的基准坐标的方向作为第一基准方向，从而省略确定像素方向以及通过转换关系将像素方向转换为第一基准方向的步骤。
具体举例来说，以矩形承载装置为例，承载装置边缘为直角。采用直线段递进逼近轮廓方法，将承载装置的边缘轮廓分割为若干直线段和圆弧段，并保留直线段的轮廓；如图4所示，对直线段按长度从大至小排序，最大长度的直线段记为C1，也即承载装置的一条直角边（第一边缘线），按所述的排列顺序依次计算每个直线段的轮廓与C1的夹角α，若80°<α<100°，则该直线段记为C2，也即承载装置的另一条直角边（第二边缘线）。对C1和C2分别进行直线拟合，计算两直线的交点坐标(u0，v0)，并作为第一定位点的像素坐标。在C1和C2上分别选取一点，记为(u1，v1)和(u2，v2)，计算(u0，v0)分别指向(u1，v1)和(u2，v2)的向量a1与a2的叉积，记为G。如果G>0，说明a1在a2的逆时针方向，(u1，v1)作为第二定位点的像素坐标，向量a1的反方向作为像素方向；否则，说明a1在a2的顺时针方向，(u2，v2)作为第二定位点的像素坐标，向量a2的反方向为像素方向。最后根据获得的转换矩阵H，计算得到相机坐标系下的第一基准点的基准坐标pc0(xc0，yc0)和pc1(xc1，yc1)，pc1指向pc0的方向为第一基准方向。
步骤104，根据第一基准点的基准坐标和第一基准方向，确定发射装置的运动轴方向相对于第一基准方向的校正角度，以及确定发射装置的水射流相对于第一基准点的校正位移。
具体地，步骤104，也即根据第一基准点的基准坐标和第一基准方向，确定发射装置的运动轴方向相对于第一基准方向的校正角度，以及确定发射装置的水射流相对于第一基准点的校正位移，包括如下步骤：
步骤104-1，根据旋转中心坐标，建立旋转坐标系。
步骤104-2，根据第一基准点的基准坐标，确定旋转坐标系下第一基准点的旋转坐标。
具体地，旋转坐标可计算为：
(xr0，yr0)=(xc0，yc0)-(xr，yr)；
(xr1，yr1)=(xc1，yc1)-(xr，yr)；
式中，(xr0，yr0)表示第一定位点的旋转坐标，(xr1，yr1)表示第二定位点的旋转坐标，(xc0，yc0)表示第一定位点的基准坐标，(xc1，yc1)表示第二定位点的基准坐标，(xr，yr)表示承载装置的旋转中心坐标。
步骤104-3，根据旋转中心坐标和旋转坐标，计算按照目标旋转角度旋转承载装置后相机坐标系下的第二基准点的基准坐标和第二基准方向。
步骤104-4，若第一基准方向的向量和第二基准方向的向量之间的夹角小于或等于预设角度，将目标旋转角度确定为校正角度。
具体地，第一基准点旋转后，对应的相机坐标系下的第二基准点（第三定位点和第四定位点）的基准坐标p'c0(x'c0，y'c0)、p'c1(x'c1，y'c1)，可计算为：
；
；
p'c0指向p'c1的方向即为第二基准方向a'r，可计算为：
a'r=(x'c0，y'c0)- (x'c1，y'c1)；
由于第二基准方向a'r//运动轴方向ad，存在如下关系：
(x'c0- x'c1)×(yd2-yd1)=(xd2-xd1) ×(y'c0- y'c1)；
由此，可解算得到目标旋转角度θ。
式中，(xr0，yr0)表示第一定位点的旋转坐标，(xr1，yr1)表示第二定位点的旋转坐标，(xr，yr)表示承载装置的旋转中心坐标，θ表示目标旋转角度，(x'c0，y'c0)表示第一定位点旋转后的第三定位点的基准坐标，(x'c1，y'c1)表示第二定位点旋转后的第四定位点的基准坐标，(xd1，yd1)表示第一圆心坐标，(xd2，yd2)表示第二圆心坐标。
步骤104-5，根据相对位置坐标和相机坐标系下第二基准点的基准坐标，计算校正位移。
具体地，水射流中心与第一基准点之间的校正位移坐标，可计算为：
(Δx，Δy)=(Δxwc，Δywc)- (x'c0，y'c0)；
式中，(Δx，Δy)表示校正位移，(Δxwc，Δywc)表示水射流中心与相机坐标系中心之间的相对位置坐标，(x'c0，y'c0)表示第三定位点的基准坐标。
在该实施例中，根据承载装置在相机坐标系下的旋转中心坐标构建旋转坐标系。并以第一基准点的基准坐标作为依据，将第一基准点由相机坐标系转换至旋转坐标系下并确定第一基准点在旋转坐标系下的旋转坐标。再根据标定得到相机坐标系下的发射装置的运动轴方向计算旋转台逆时针旋转后保持运动轴方向与第一基准方向可近似于平行的校正角度，以及根据标定得到的水射流中心与相机坐标系中心原点之间的相对位置坐标和相机坐标系下第二基准点的基准坐标，计算校正位移。从而确定发射装置和承载装置相对于第一基准方向和第一基准点之间的待调整量（校正位移和校正角度），以便于后续通过基准坐标和基准方向进行自适应的定位校准，进而实现水导激光设备的自动定位。
步骤105，按照校正角度控制承载装置旋转，以使发射装置的运动轴的Y正方向与第一基准方向一致；和/或，按照校正位移控制发射装置移动，以使水射流中心位于第一基准点。
本实施例提供的基于视觉的水导激光定位方法，可在水导激光加工前，先对水导激光设备进行标定处理，确定水导激光设备定位相关的各项数据（相机坐标系下的承载装置的旋转中心坐标、发射装置的水射流与相机坐标系中心的相对位置坐标、相机坐标系下发射装置的运动轴方向）。然后利用相机采集承载装置的工装图像，通过对工装图像的处理，确定当前位置下发射装置的水射流相对于承载装置的理论位置（第一基准点的基准坐标）和理论方向（第一基准方向）。以第一基准点的基准坐标和第一基准方向为参照，通过标定得到的各项数据可以计算出发射装置的运动轴方向相对于第一基准方向的校正角度和发射装置的水射流相对于第一基准点的校正位移。最后，按照校正角度控制承载装置旋转，使得发射装置的运动轴的Y正方向与理论的第一基准方向保持一致，并且按照校正位移控制发射装置移动，使得发射装置的水射流中心能够位于理论的第一基准点。由此，以基准点坐标和基准方向为参考，通过视觉数据的计算，完成水导激光的加工定位，一方面，无需人工参与即可实现水导激光设备的自动定位，提高了自适应定位的智能化程度；又一方面，只需在每次加工前进行一次定位，无需反复调试水导激光设备，优化了定位校准操作，使得水导激光设备的定位更加迅速，有利于提高水导激光的加工效率；再一方面，通过对加工件的承载装置进行图像识别，可以适应不同种类的加工零件，适应性和通用性较好。
具体举例来说，控制承载装置逆时针旋转角度θ，使得发射装置的运动轴的Y方向与承载装置的第一基准方向保持一致，进而完成加工方向的定位校准。控制运动轴移动到(xc+Δx，yc+Δy)，水射流中心可正对第一基准点，完成加工位置的定位校准。
进一步地，如图2所示，作为上述基于视觉的水导激光定位方法的具体实现，本申请实施例提供了一种基于视觉的水导激光定位装置200，该基于视觉的水导激光定位装置200包括：标定模块201、控制模块202、处理模块203、校准模块204。
其中，标定模块201，用于对水导激光设备进行标定；
控制模块202，用于控制相机对承载装置进行拍摄，得到工装图像；
处理模块203，用于对工装图像进行处理，确定承载装置在相机坐标系下的第一基准点的基准坐标和第一基准方向；
校准模块204，用于根据第一基准点的基准坐标和第一基准方向，确定发射装置的运动轴方向相对于第一基准方向的校正角度，以及确定发射装置的水射流相对于第一基准点的校正位移；
控制模块202，还用于按照校正角度控制承载装置旋转，以使发射装置的运动轴的Y正方向与第一基准方向一致；和/或，按照校正位移控制发射装置移动，以使水射流中心位于第一基准点。
在该实施例中，在水导激光加工前，先对水导激光设备进行标定处理，确定水导激光设备定位相关的各项数据（相机坐标系下的承载装置的旋转中心坐标、发射装置的水射流与相机坐标系中心的相对位置坐标、相机坐标系下发射装置的运动轴方向）。然后利用相机采集承载装置的工装图像，通过对工装图像的处理，确定当前位置下发射装置的水射流相对于承载装置的理论位置（第一基准点的基准坐标）和理论方向（第一基准方向）。以第一基准点的基准坐标和第一基准方向为参照，通过标定得到的各项数据可以计算出发射装置的运动轴方向相对于第一基准方向的校正角度和发射装置的水射流相对于第一基准点的校正位移。最后，按照校正角度控制承载装置旋转，使得发射装置的运动轴的Y正方向与理论的第一基准方向保持一致，并且按照校正位移控制发射装置移动，使得发射装置的水射流中心能够位于理论的第一基准点。由此，以基准点坐标和基准方向为参考，通过视觉数据的计算，完成水导激光的加工定位，一方面，无需人工参与即可实现水导激光设备的自动定位，提高了自适应定位的智能化程度；又一方面，只需在每次加工前进行一次定位，无需反复调试水导激光设备，优化了定位校准操作，使得水导激光设备的定位更加迅速，有利于提高水导激光的加工效率；再一方面，通过对加工件的承载装置进行图像识别，可以适应不同种类的加工零件，适应性和通用性较好。
进一步地，标定模块201，具体用于获取相机的像素坐标系与相机坐标系之间的转换关系；标定相机坐标系下的承载装置的旋转中心坐标；标定发射装置的水射流与相机坐标系中心的相对位置坐标；标定相机坐标系下发射装置的运动轴方向。
进一步地，承载装置上设有定位件；控制模块202，还用于按照预设次数和预设旋转角度，控制承载装置旋转；以及，若承载装置完成一次旋转，控制相机移动，以使定位件位于相机的视场内；标定模块201，具体用于记录发射装置所处位置的运动轴坐标；以及，根据运动轴坐标，将第i次相机坐标系下定位件的圆心坐标转换至第1次相机坐标系下，得到第i次的基准圆心坐标，其中，i≤预设次数；以及，对预设次数的基准圆心坐标进行圆拟合处理，得到目标圆心坐标；以及，将目标圆心坐标配置为旋转中心坐标。
进一步地，承载装置上设有定位件；标定模块201，具体用于获取相机坐标系下定位件的第一圆心坐标；控制模块202，还用于根据定位件在相机的视场内的位置，控制相机沿Y轴正方向移动；标定模块201，具体用于获取移动后相机坐标系下的定位件的第二圆心坐标；以及，将第一圆心坐标指向第二圆心坐标的方向配置为相机坐标系下发射装置的运动轴方向。
进一步地，承载装置上设有定位件；标定模块201，具体用于记录发射装置所处位置的第一运动轴坐标；控制模块202，还用于控制发射装置移动；标定模块201，具体用于若发射装置的水射流中心位于定位件的圆心坐标，记录发射装置所处位置的第二运动轴坐标；以及，根据定位件的圆心坐标、第一运动轴坐标和第二运动轴坐标，确定相对位置坐标。
进一步地，第一基准点包括第一定位点和第二定位点；处理模块203，具体用于对工装图像进行预处理，提取工装图像中承载装置对应的工装区域；对工装区域进行边缘识别处理，获得工装图像中承载装置的边缘轮廓；对边缘轮廓进行分割处理，得到多个直线段和多个圆弧段；确定多个直线段中每个直线段与承载装置的第一边缘线之间的夹角，其中，第一边缘线为多个直线段中长度最大的直线段；若夹角位于预设角度范围内，将夹角对应的直线段确定为承载装置的第二边缘线；对第一边缘线和第二边缘线分别进行直线拟合，将第一边缘线和第二边缘线的交点坐标确定为像素坐标系下第一定位点的像素坐标；确定交点坐标指向第一边缘线上任一点的像素坐标的第一向量，以及确定交点坐标指向第二边缘线上任一点的像素坐标的第二向量；计算第一向量和第二向量的叉积；若叉积大于预设阈值，将第一边缘线上任一点的像素坐标确定为像素坐标系下第二定位点的像素坐标，以及将第一向量的反方向确定为像素坐标系下的像素方向；若叉积小于或等于预设阈值，将第二边缘线上任一点的像素坐标确定为像素坐标系下第二定位点的像素坐标，以及将第二向量的反方向确定为像素坐标系下的像素方向；根据转换关系，对第一定位点的像素坐标、第二定位点的像素坐标和像素方向进行转换处理，确定相机坐标系下第一定位点的基准坐标、相机坐标系下第二定位点的基准坐标和相机坐标系下的第一基准方向。
进一步地，校准模块204，具体用于根据旋转中心坐标，建立旋转坐标系；根据第一基准点的基准坐标，确定旋转坐标系下第一基准点的旋转坐标；根据旋转中心坐标和旋转坐标，计算按照目标旋转角度旋转承载装置后相机坐标系下的第二基准点的基准坐标和第二基准方向；若第一基准方向的向量和第二基准方向的向量之间的夹角小于或等于预设角度，将目标旋转角度确定为校正角度；根据相对位置坐标和相机坐标系下第二基准点的基准坐标，计算校正位移。
关于基于视觉的水导激光定位装置的具体限定可以参见上文中对于基于视觉的水导激光定位方法的限定，在此不再赘述。上述基于视觉的水导激光定位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水导激光设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于水导激光设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
基于上述如图1所示方法，相应的，本申请实施例还提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述如图1所示的基于视觉的水导激光定位方法。
基于这样的理解，本申请的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中，包括若干指令用以使得一台水导激光设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施场景所述的方法。
基于上述如图1所示的方法，以及图2所示的虚拟装置实施例，为了实现上述目的，如图3所示，本申请实施例还提供了一种水导激光设备。具体地，水导激光设备包括：发射装置310、相机320、承载装置330和处理器340。发射装置310用于发射水射流，发射装置310上设有运动轴311，该运动轴311具备X、Y、Z轴方向的移动自由度。相机320用于拍摄图像。承载装置330用于承载加工件400，至少部分承载装置330位于相机320的视场内，承载装置330具有Z轴方向的旋转自由度。处理器340与发射装置310、相机320和承载装置330电连接，处理器用于实现上述如图1所示的基于视觉的水导激光定位方法。
进一步地，为了保证相机320与发射装置310能够同步运动，如图3所示，可将相机320设于发射装置310，通过发射装置310带动相机320；或者将相机320与发射装置310连接于同一运动轴上，通过运动轴驱动相机320与发射装置310能够同步运动。
需要说明的是，发射装置310发出的水射流500用于加工加工件400，水射流500的方向与相机320运动轴Z方向平行或水射流500的方向与发射装置310运动轴Z方向平行。
可以理解的是，处理器可以是集成于水导激光设备的芯片，能够与水导激光设备进行通讯的计算机设备，该计算机设备还可以包括用户接口、网络接口、摄像头、射频（Radio Frequency，RF）电路，传感器、音频电路、WI-FI模块等等。用户接口可以包括显示屏（Display）、输入单元比如键盘（Keyboard）等，可选用户接口还可以包括USB接口、读卡器接口等。网络接口可选的可以包括标准的有线接口、无线接口（如蓝牙接口、WI-FI接口）等。
值得一提的是，处理器还能够传输运行、复位、急停等控制指令给水导激光设备，让设备加工作业操作更加方便。
进一步地，如图3所示，承载装置330包括固定工装331和旋转台332，固定工装331用于固定加工件400，旋转台332与固定工装331连接，用于带动固定工装331转动。
进一步地，如图3所示，为了提升相机320的拍摄效果，可在相机320的镜头外侧设置光源321。为了防止相机320被加工废物污染，可在相机320和光源321的外面加设保护罩322。
本领域技术人员可以理解，本实施例提供的一种水导激光设备结构并不构成对该水导激光设备的限定，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现，也可以通过硬件实现对水导激光设备进行标定；控制相机对承载装置进行拍摄，得到工装图像；对工装图像进行处理，确定承载装置在相机坐标系下的第一基准点的基准坐标和第一基准方向；根据第一基准点的基准坐标和第一基准方向，确定发射装置的运动轴方向相对于第一基准方向的校正角度，以及确定发射装置的水射流相对于第一基准点的校正位移；按照校正角度控制承载装置旋转，以使发射装置的运动轴的Y正方向与第一基准方向一致；和/或，按照校正位移控制发射装置移动，以使水射流中心位于第一基准点。本申请实施例，一方面，无需人工参与即可实现水导激光设备的自动定位，提高了自适应定位的智能化程度；又一方面，只需在每次加工前进行一次定位，无需反复调试水导激光设备，优化了定位校准操作，使得水导激光设备的定位更加迅速，有利于提高水导激光的加工效率；再一方面，通过对加工件的承载装置进行图像识别，可以适应不同种类的加工零件，适应性和通用性较好。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的。本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
上述本申请序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本申请的几个具体实施场景，但是，本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于视觉的水导激光定位方法，其特征在于，所述方法应用于水导激光设备，所述水导激光设备包括：相机、发射装置和承载装置，所述相机与所述发射装置同步移动，至少部分所述承载装置位于所述相机的视场内，所述方法包括：
对所述水导激光设备进行标定；
控制所述相机对所述承载装置进行拍摄，得到工装图像；
对所述工装图像进行处理，确定所述承载装置在相机坐标系下第一基准点的基准坐标和第一基准方向；
根据所述第一基准点的基准坐标和所述第一基准方向，确定所述发射装置的运动轴方向相对于所述第一基准方向的校正角度，以及确定所述发射装置的水射流相对于所述第一基准点的校正位移；
按照所述校正角度控制所述承载装置旋转，以使所述发射装置的运动轴的Y正方向与所述第一基准方向一致；和/或，
按照所述校正位移控制所述发射装置移动，以使所述水射流中心位于所述第一基准点。
2.根据权利要求1所述的基于视觉的水导激光定位方法，其特征在于，所述对所述水导激光设备进行标定，具体包括：
获取所述相机的像素坐标系与相机坐标系之间的转换关系；
标定所述相机坐标系下的所述承载装置的旋转中心坐标；
标定所述发射装置的水射流与所述相机坐标系中心的相对位置坐标；
标定所述相机坐标系下所述发射装置的运动轴方向。
3.根据权利要求2所述的基于视觉的水导激光定位方法，其特征在于，所述承载装置上设有定位件；所述标定所述相机坐标系下的所述承载装置的旋转中心坐标，具体包括：
按照预设次数和预设旋转角度，控制所述承载装置旋转；
若所述承载装置完成一次旋转，控制所述相机移动，以使所述定位件位于所述相机的视场内；
记录所述发射装置所处位置的运动轴坐标；
根据所述运动轴坐标，将第i次所述相机坐标系下所述定位件的圆心坐标转换至第1次所述相机坐标系下，得到第i次的基准圆心坐标，其中，i≤所述预设次数；
对所述预设次数的所述基准圆心坐标进行圆拟合处理，得到目标圆心坐标；
将所述目标圆心坐标配置为所述旋转中心坐标。
4.根据权利要求2所述的基于视觉的水导激光定位方法，其特征在于，所述承载装置上设有定位件；所述标定所述相机坐标系下所述发射装置的运动轴方向，具体包括：
获取所述相机坐标系下所述定位件的第一圆心坐标；
根据所述定位件在所述相机的视场内的位置，控制所述相机沿Y轴正方向移动；
获取移动后所述相机坐标系下的所述定位件的第二圆心坐标；
将第一圆心坐标指向所述第二圆心坐标的方向配置为所述相机坐标系下所述发射装置的运动轴方向。
5.根据权利要求2所述的基于视觉的水导激光定位方法，其特征在于，所述承载装置上设有定位件；所述标定所述发射装置的水射流与所述相机坐标系中心的相对位置坐标，具体包括：
记录所述发射装置所处位置的第一运动轴坐标；
控制所述发射装置移动；
若所述发射装置的水射流中心位于所述定位件的圆心坐标，记录所述发射装置所处位置的第二运动轴坐标；
根据所述定位件的圆心坐标、所述第一运动轴坐标和所述第二运动轴坐标，确定所述相对位置坐标。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的基于视觉的水导激光定位方法，其特征在于，所述第一基准点包括第一定位点和第二定位点；所述对所述工装图像进行处理，确定所述承载装置在相机坐标系下的第一基准点的基准坐标和第一基准方向，具体包括：
对所述工装图像进行预处理，提取所述工装图像中所述承载装置对应的工装区域；
对所述工装区域进行边缘识别处理，获得所述工装图像中所述承载装置的边缘轮廓；
对所述边缘轮廓进行分割处理，得到多个直线段和多个圆弧段；
确定所述多个直线段中每个直线段与所述承载装置的第一边缘线之间的夹角，其中，所述第一边缘线为所述多个直线段中长度最大的直线段；
若所述夹角位于预设角度范围内，将所述夹角对应的直线段确定为所述承载装置的第二边缘线；
对所述第一边缘线和所述第二边缘线分别进行直线拟合，将所述第一边缘线和所述第二边缘线的交点坐标确定为像素坐标系下所述第一定位点的像素坐标；
确定所述交点坐标指向所述第一边缘线上任一点的像素坐标的第一向量，以及确定所述交点坐标指向所述第二边缘线上任一点的像素坐标的第二向量；
计算所述第一向量和所述第二向量的叉积；
若所述叉积大于预设阈值，将所述第一边缘线上任一点的像素坐标确定为所述像素坐标系下所述第二定位点的像素坐标，以及将所述第一向量的反方向确定为所述像素坐标系下的像素方向；
若所述叉积小于或等于预设阈值，将所述第二边缘线上任一点的像素坐标确定为所述像素坐标系下所述第二定位点的像素坐标，以及将所述第二向量的反方向确定为所述像素坐标系下的像素方向；
根据所述转换关系，对所述第一定位点的像素坐标、所述第二定位点的像素坐标和所述像素方向进行转换处理，确定相机坐标系下所述第一定位点的基准坐标、相机坐标系下所述第二定位点的基准坐标和相机坐标系下的所述第一基准方向。
7.根据权利要求2至5中任一项所述的基于视觉的水导激光定位方法，其特征在于，所述根据所述第一基准点的基准坐标和所述第一基准方向，确定所述发射装置的运动轴方向相对于所述第一基准方向的校正角度，以及确定所述发射装置的水射流相对于所述第一基准点的校正位移，具体包括：
根据所述旋转中心坐标，建立旋转坐标系；
根据所述第一基准点的基准坐标，确定所述旋转坐标系下所述第一基准点的旋转坐标；
根据所述旋转中心坐标和所述旋转坐标，计算按照目标旋转角度旋转所述承载装置后相机坐标系下的第二基准点的基准坐标和第二基准方向；
若所述第一基准方向的向量和所述第二基准方向的向量之间的夹角小于或等于预设角度，将所述目标旋转角度确定为所述校正角度；
根据所述相对位置坐标和所述第二基准点的基准坐标，计算所述校正位移。
8.一种基于视觉的水导激光定位装置，其特征在于，所述装置应用于水导激光设备，所述水导激光设备包括相机、发射装置和承载装置，所述相机与所述发射装置同步移动，至少部分所述承载装置位于所述相机的视场内，所述装置包括：
标定模块，用于对所述水导激光设备进行标定；
控制模块，用于控制所述相机对所述承载装置进行拍摄，得到工装图像；
处理模块，用于对所述工装图像进行处理，确定所述承载装置在相机坐标系下的第一基准点的基准坐标和第一基准方向；
校准模块，用于根据所述第一基准点的基准坐标和所述第一基准方向，确定所述发射装置的运动轴方向相对于所述第一基准方向的校正角度，以及确定所述发射装置的水射流相对于所述第一基准点的校正位移；
所述控制模块，还用于按照所述校正角度控制所述承载装置旋转，以使所述发射装置的运动轴的Y正方向与所述第一基准方向一致；和/或，
按照所述校正位移控制所述发射装置移动，以使所述水射流中心位于所述第一基准点。
9.一种可读存储介质，其上存储有程序或指令，其特征在于，所述程序或指令被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的基于视觉的水导激光定位方法的步骤。
10.一种水导激光设备，其特征在于，包括：
发射装置，用于发射水射流，所述发射装置具有X、Y、Z轴方向的移动自由度；
相机，用于拍摄图像；
承载装置，用于承载加工件，至少部分所述承载装置位于所述相机的视场内，所述承载装置具有Z轴方向的旋转自由度；
处理器，与所述发射装置、所述相机、所述承载装置电连接，所述处理器用于实现如权利要求1至7中任一项所述的基于视觉的水导激光定位方法的步骤。
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