CN117346695B - 表面轮廓检测标定方法、系统、自动化检测设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面轮廓检测标定方法、系统、自动化检测设备及介质，标定方法包括：安装至少一个传感器，用于采集标定物表面对应的标定体的轮廓信息；标定各具有安装角度差异的传感器的传感器标定参数，实现静态标定；标定任一传感器对标定物沿传送方向移动的传感器标定参数，供各传感器共用，实现动态标定；其中，动态标定利用标定物在传送方向上任一特征点移动前后的高度变化量、垂直于传送方向的水平变化量来实现；本发明通过静态标定和动态标定的结合，实现了坐标系的统一，且标定精度高，能够有效解决传感器安装偏差和标定物相对运动方向放置倾斜的问题；标定过程简单方便，节省人工与时间成本；标定物容易制作且能够充分保证精度。
Description
技术领域
本发明属于线激光测量领域，尤其涉及一种表面轮廓检测标定方法、系统、自动化检测设备及介质。
背景技术
基于线激光的三维重建技术，主要是通过向物体表面投射激光，激光由于物体表面深度的变化以及可能的间隙而受到调制，表现在图像中则是光条发生了变化和不连续，变化的程度与深度成正比，不连续则显示出了物体表面的物理间隙。通过数学模型重建此调制过程，从而根据激光平面和物体外表面交线的二维激光条纹图像获得其三维坐标。由于其重建速度快、结构简单、精度高、抗干扰能力强的优点，被广泛应用于汽车生产、电子制造等各个领域中的产品尺寸检测、焊缝跟踪、工件轮廓测量、机器人轨迹引导等诸多场景中。
线激光轮廓传感器一次测量一条轮廓信息，要想得到一个物体的完整点云图像，则需要借助运动装置对物体进行扫描，然后将扫描轮廓进行拼接从而得到物体的点云；但是单个传感器由于视野限制，不能通过一次扫描获得物体所有表面的点云图像，也就不能获得整个物体的点云图像；同时由于单个传感器X轴量程的限制，其无法满足X方向大范围测量需求。
对于一个标定好的线激光轮廓传感器，由于安装偏差会导致其扫描出来的点云变形，比如物体扫描运动方向与传感器本身的Y轴不平行，导致扫描一个矩形块时，其会在X方向拉伸，Y方向倾斜；传感器本身的XOZ平面与运动平面不垂直，导致测量高度不准确。
对于多个线激光轮廓传感器的联合测量，每个传感器都会存在安装偏差，然后各个传感器之间的位姿也是不知道的，每个传感器扫描出来的点云也是在各自的坐标系下，拼接出来的完整点云将非常不准确。
专利公开号为CN116612195A，名称为“一种相机标定体及用于圆柱形钢材的多相机联合标定方法”，公开了一种用于圆柱形钢材的多相机联合标定方法，包括：环绕相机标定体的圆周方向均匀设置六个3D相机，相机标定体中的六棱柱的每一个面分别对准每一个3D相机；基于相机标定体位置建立相机空间坐标系和世界空间坐标系；利用每一个3D相机采集相机标定体的表面轮廓数据，分别计算不同投影面的多个标定参数；基于相机空间坐标系和世界空间坐标系得到相机空间到世界空间的旋转平移矩阵，基于旋转平移矩阵和多个标定参数计算相机标定体的世界坐标以实现标定。该发明还提供了一种相机标定体。该发明充分考虑空间转换过程的各个参数，在棒材、管材表面缺陷检测和轮廓尺寸测量等方面应用可以起到改善测量精确度的作用；与上述方案类似，专利公开号为CN115375776A，名称为“一种线激光3D相机的环形布局标定方法”，通过设置多边形棱柱标定块，围绕多边形棱柱标定块垂直截面均匀环形布局至少三台线激光3D相机，使每台线激光3D相机均可观测到多边形棱柱标定块的一个角，通过标定线激光3D相机之间的刚体变换矩阵，使其他线激光3D相机的坐标系统一到参考线激光3D相机的坐标系下；虽然上述专利均提供了一种多相机联合标定方法，但是并未对标定物相对运动方向放置倾斜的问题进行解决。
综上所述，现有技术存在以下缺点：
1、坐标系统一的精度不高；
2、需要用户手动调整传感器使得激光面共面，操作繁琐且精度不高；
3、没有考虑标定块相对运动方向放置倾斜。
因此本发明为满足大范围多视角测量需求，提供了一种表面轮廓检测标定方法、系统、自动化检测设备及介质。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种表面轮廓检测标定方法、系统、自动化检测设备及介质。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种表面轮廓检测标定方法，包括：
安装至少一个传感器，用于采集标定物表面对应的标定体的轮廓信息；
标定各具有安装角度差异的传感器的传感器标定参数，实现静态标定；
标定任一传感器对标定物沿传送方向移动的传感器标定参数，供各传感器共用，实现动态标定；
其中，动态标定利用标定物在传送方向上任一特征点移动前后的高度变化量、垂直于传送方向的水平变化量来实现。
进一步地，静态标定包括：
采集与传感器相对静止的标定物表面被线激光覆盖的轮廓信息；
分析传感器坐标系与标定体坐标系的相对转角；
计算相对转角获取轮廓信息的静态变换结果，以实现传感器标定参数的静态标定。
进一步地，动态标定包括：
分析任一特征点移动前后的高度变化量、垂直于传送方向的水平变化量获得标定物偏角；
计算标定物偏角获得轮廓信息的动态变换结果，以实现传感器标定参数的动态标定。
进一步地，还包括分析轮廓信息的动态变换结果获取平移向量，以统一坐标系；
获取平移向量包括：
采集传感器坐标系下关键特征点坐标；
分析上述关键特征点坐标在标定体坐标系下的坐标；
比对关键特征点坐标和关键特征点坐标对应变换得到的统一世界坐标系下的坐标，得到平移向量，得到平移向量。
本发明还提供一种表面轮廓检测标定系统，包括：
标定模块，包括与传感器对应的标定物，且标定物表面信息已知；
传感器，用于投射线激光到标定模块表面，并采集标定物被线激光投射后的轮廓信息；
传送模块，用于带动标定模块移动；
控制模块，用于执行上述标定方法。
进一步地，标定物表面分布有若干标定体，标定体与标定体底面相交形成两条相互平行的棱边，且标定体表面至少具有一条与该棱边平行的特征线。
本发明还提供一种自动化检测设备，包括
传感器固定单元，用于传感器的安装固定；
传送单元，用于接收控制器的控制指令并运行传送，包括至少一个支撑固定部，支撑固定部用于支撑固定标定物，且标定物与传感器之间无遮挡物；
控制器，分别连接有传送单元和存储器；
存储器，存储器中存储有被控制器执行的计算机程序，所述计算机程序被设置为运行时执行上述标定方法。
进一步地，所述传送单元包括传送机构，支撑固定部为传送机构本体的一部分。
进一步地，所述传送单元包括传送机构，支撑固定部两端分别与传送机构、标定物固定相连。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述标定方法。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的标定方法通过静态标定和动态标定的结合，实现了坐标系的统一，且标定精度高；
（2）本发明的标定方法通过其中静态标定步骤的实施，能够有效解决传感器安装偏差的问题，无需用户手动调整传感器，简化操作流程，提高传感器的测量精度；
（3）本发明的标定方法通过其中动态标定步骤的实施，能够有效解决标定物相对运动方向放置倾斜的问题，进一步保证了传感器测量的高精度；
（4）本发明的标定方法标定过程简单方便，节省人工与时间成本；
（5）本发明中的标定物容易制作且能够充分保证精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明中的标定方法流程图；
图2是本发明中的传感器宽布局示意图；
图3是本发明中的传感器环布局示意图；
图4是本发明中的传感器安装测量示意图；
图5是本发明中的标定体结构示意图；
图6是本发明中的标定体表面被线激光覆盖形成的交线示意图；
图7是本发明中传感器坐标系相对标定体坐标系绕Y轴时变换原理示意图；
图8是本发明中传感器坐标系相对标定体坐标系绕X轴时变换原理示意图；
图9是本发明中传感器坐标系相对标定体坐标系绕Z轴时变换原理示意图；
图10是本发明中标定体的其他实施例结构示意图；
图11是本发明中标定体的其他实施例结构示意图；
图12是本发明中标定体的其他实施例结构示意图；
图13是本发明中标定体的其他实施例结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例首先提供一种表面轮廓检测标定方法，包括：
S1：安装至少一个传感器，用于采集标定物表面对应的标定体的轮廓信息；
对于多台线激光3D传感器的联合测量场景，需要对所有传感器提前进行标定，提前安装好所有待标定传感器，并采用与之对应的标定物，所采用的标定物表面分布有若干与传感器相对应的标定体，若干标定体既可以是如图2所示的沿同一平面分布的宽布局形式，也可以是如图3所示的沿环形分布的环布局形式，亦可以是其他任意角度的布局形式，均可以根据实际测量场景进行选择。
为了提高标定精度，且便于以下方案理解，现给出标定体的具体结构以及对应传感器的相对安装位置如图4所示，该标定体为类三棱柱结构，如图5所示，包括与标定体底面平行的第一棱边E1；第一棱边两侧分别延伸设有与标定体底面相交的第一斜面和第二斜面；第一斜面与标定体底面相交形成第二棱边E2，第二斜面与标定体底面相交形成第三棱边E3；第一棱边E1两端分别与第二棱边E2端点、第三棱边E3端点形成第一底面和第二底面，第一底面和第二底面与标定体底面之间的夹角均为锐角，第一底面与标定体底面相交形成第四棱边E4，第二底面与标定体底面相交形成第五棱边E5；第一棱边E1、第二棱边E2、第三棱边E3相互平行，标定体尺寸精确知道；每台传感器分别对准一个标定体，并向标定体投射线激光用于测量。
S2：标定各具有安装角度差异的传感器的传感器标定参数，实现静态标定；
静态标定包括：
S201：采集与传感器相对静止的标定物表面被线激光覆盖的轮廓信息。
设标定体坐标系为O-XbYbZb，其中Y轴平行于第一棱边E1，X轴平行于第四棱边E4，Z轴垂直于标定体底面；设传感器坐标系为O-XiYiZi，其中i为传感器编号。
如图4所示，分别控制传感器向标定体投射线激光，每个传感器均可获得一条轮廓数据，得到传感器坐标系下的坐标；
S202：分析传感器坐标系与标定体坐标系的相对转角。
S203：计算相对转角获取轮廓信息的静态变换结果，以实现传感器标定参数的静态标定。
S202到S203实现了传感器坐标系到标定体坐标系的静态变换，在传感器坐标系中，激光面就是XOZ面，故每一条轮廓的世界坐标Y都是0，因此可设轮廓坐标为[X,0,Z]，物体沿运动方向平移距离为Ys，然后依次计算传感器坐标系相对标定体坐标系绕各轴的旋转角并分别进行变换，具体变换步骤如下：
计算传感器坐标系相对标定体坐标系绕Y轴的旋转角：
如图7所示，当绕Y角偏转时，传感器所测轮廓会倾斜，此时可以选取底面部分轮
廓，计算其斜率k，则转角为：
此时可对轮廓做第一次变换，设变换后坐标为，则：
计算传感器坐标系相对标定体坐标系绕X轴的旋转角：
如图8所示，当绕X轴偏转时，传感器所测轮廓中，顶点到底边的距离会变大，因此
可根据顶点到底边的实际距离d2以及测量距离d1计算转角：
顶点到底边距离计算方式如下：
如图6所示，表面被线激光覆盖的轮廓各边依次为L1、L2、L3、L4，各交点依次为P1、P2、P3，分别拟合边L2和边L3的直线方程，计算边L2和边L3的交点坐标P2；然后拟合边L1的直线方程L，计算交点P2到直线L的距离，此距离即是顶点到底边的距离。
此时对轮廓做第二次变换，设变换后坐标为，则：
计算传感器坐标系相对标定体坐标系绕Z轴的旋转角：
如图6和图9所示，当绕Z轴偏转时，两斜边与底边的交点P1和交点P3之间的距离变大，因此可以根据这个距离变化计算转角：
其中L1为测量距离，L2为实际距离。
此时对轮廓做第三次变换，设变换后坐标为，则：
经过以上步骤，实现了将传感器坐标系变换到标定体坐标系，并希望Y轴平行于运动轴，因为如果Y轴不平行于运动轴，扫描结果将不准，比如对于采用编码器触发，编码器差10mm，由于这个不平行，这10mm会反映到Y和Z方向的形变。因此对于标定物放置倾斜的情况也需要进行标定。
S3：标定任一传感器对标定物沿传送方向移动的传感器标定参数，供各传感器共用，实现动态标定；
其中，动态标定利用标定物在传送方向上任一特征点移动前后的高度变化量、垂直于传送方向的水平变化量来实现标定各具有安装角度差异的传感器的传感器标定参数。
动态标定包括：
分析任一特征点移动前后的高度变化量、垂直于传送方向的水平变化量获得标定物偏角；
计算标定物偏角获得轮廓信息的动态变换结果，以实现传感器标定参数的动态标定。
首先设最终的统一坐标系为O-XwYwZw,其中Yw轴沿运动方向，假设有个虚拟的传送带平面，则Xw轴平行于传送带平面并与Yw轴垂直,Zw轴垂直于XwYw轴，也垂直于传送带平面。
然后依次计算标定体坐标系绕Xw轴和Zw轴的旋转角，并分别进行变换，具体如下：
计算绕Xw轴的旋转角：
传送模块带着标定物移动距离d，对移动前以及移动后的轮廓信息采用上述静态
变换得到新的轮廓数据，计算如图所示中交点P2的Z值变化量，即特征点移动前后的
高度变化量，则可计算此偏角：
此时对轮廓做第四次变换，设变换后坐标为，则：
计算绕Zw轴的旋转角：
传送模块带着标定物移动距离d,对移动前以及移动后的轮廓信息采用上述静态
变换得到新的轮廓数据，计算交点P2 的X值变化量，即垂直于传送方向的水平变化量
，则可计算此偏角：
此时对轮廓做第五次变换，设变换后坐标为，则：
经过上述所有的变换，已经将一个传感器的传感器坐标系转到统一世界坐标系O-XwYwZw,然后可以通过这样的变换对多传感器进行联合标定。
其中，由于所有标定体均位于同一个标定物上，因此对于S3步骤中所涉及的偏角和，只需要选择任意一个传感器坐标系中轮廓信息的特征点数据，经过上述变换
后得到和，便可与其他传感器共享该偏角数据，即所有传感器有各自的，但是公用一组和。
最后，可以通过分析步骤S3中轮廓信息的动态变换结果获取平移向量，以统一坐标系；
获取平移向量具体包括：
采集传感器坐标系下关键特征点坐标，具体步骤如下：
扫描一次，扫描过程要覆盖传感器下的标定体，因此可以得到若干条轮廓，每条轮廓的Y坐标是运动装置的移动距离，对所有的轮廓做步骤S2和S3中五个角度的变换，可得最终在统一坐标系下的点云图像；
通过三个面拟合，可计算三个面的交点，此交点坐标就是该传感器坐标系下对应的关键特征点坐标，也即统一世界坐标系下的坐标；
分析上述关键特征点坐标在标定体坐标系下的坐标，具体步骤如下：
根据标定物尺寸，可得到上述关键特征点在标定体坐标系下的坐标，然后只需经
过两个偏角和对应变换可得其在统一世界坐标系下的坐标；
比对关键特征点坐标和关键特征点坐标对应变换得到的统一世界坐标系下的坐标，得到平移向量，具体步骤如下：
比对上述两个统一世界坐标系下的坐标，得到一个传感器的平移向量，从而可以在后续测量中将所有传感器坐标系数据直接快速转换为真实世界中统一的坐标数据。
对于多个传感器，要同时启动扫描，同时为避免两相机之间激光线冲突，要设置适当ROI。
下面针对实际场景中常见的两种布局形式进行举例说明：
针对如图2所示的宽布局形式，具体标定步骤如下：
计算所有传感器各自到对应标定体的三个旋转角；
选择任意一个参考传感器，参考步骤S3计算两个偏角和；
同时扫描一次，参考上述平移向量计算方式可得到每个传感器的平移向量；
根据五次变换以及对应平移向量，从而将坐标系统一。
针对如图3所示的环布局形式，具体标定步骤如下：
计算所有传感器各自到对应标定体的三个旋转角；假设统一坐标系
的Z轴指向传感器C1（也可以指向其他方向，那么下面多增加的角度就要相应变化），那么对
于传感器C2,在计算出来Y旋转角之后，在此Y旋转角基础上再加90度；对传感器C3，Y角再加
180度；对传感器C4，Y角减90度；
选择任意一个参考传感器，参考步骤S3计算两个偏角和；
同时扫描一次，参考上述平移向量计算方式可得到每个传感器的平移向量；
根据五次变换以及对应平移向量，从而将坐标系统一。
上面提到了第一棱边E1、第二棱边E2、第三棱边E3相互平行，结合上述变换过程可以明显看出，标定体的具体形状并不局限于上述类三棱柱结构，只要标定体与标定体底面相交形成两条相互平行的棱边，且标定体表面至少具有一条与标定体底面棱边平行的特征线即可，只要满足此条件，均可以参考上述变换过程进行坐标系统一；
为了进一步提高精度，简化标定体制作难度，标定体上任意与标定体底面棱边垂直的剖面结构均相同，此时既可以选择顶部的剖面线交点参考上述P2点进行变换。
本发明第二方面还提供一种表面轮廓检测标定系统，包括：
标定模块，包括与传感器对应的标定物，且标定物表面信息已知；
传感器，用于投射线激光到标定模块表面，并采集标定物被线激光投射后的轮廓信息；
传送模块，用于带动标定模块移动；
控制模块，用于执行上述标定方法。
标定物表面分布有若干标定体，对于标定体的具体结构，为了提高标定精度，标定体与标定体底面相交形成两条相互平行的棱边，且标定体表面至少具有一条与该棱边平行的特征线，当标定体被线激光覆盖时，除了与两条相互平行的棱边具有交点外，则至少还具有一个顶部对应的交点，因此标定体截面除了优选三角形之外，如图10-13所示，还可以选择梯形或其他多边形或不规则形状，不规则形状则意味着标定体表面被线激光覆盖时其交线也可以是直线和曲线的任意混合。
本发明第三方面还提供一种自动化检测设备，包括
传感器固定单元，用于传感器的安装固定；
传送单元，用于接收控制器的控制指令并运行传送，包括至少一个支撑固定部，支撑固定部用于支撑固定标定物，且标定物与传感器之间无遮挡物；
控制器，分别连接有传送单元和存储器；
存储器，存储器中存储有被控制器执行的计算机程序，所述计算机程序被设置为运行时执行上述标定方法。
其中，传送单元的具体结构以实现上述传送功能为准，且保证传感器采集标定物被线激光投射后的轮廓信息时无其他影响采集的障碍物，从而保证传送和传感器采集的顺利进行。
作为传送单元的第一实施方式，可以包括传送机构，支撑固定部为传送机构本体的一部分，即直接采用单一的传送机构进行传送，例如传送机构可以选择常规型号的传送带适用于宽布局测量情景，也可以将传送带的顶面带体替换为前后并排放置且具有间隙的托辊，便于待测物周侧无遮挡测量，从而能够适用于宽布局或环布局测量情景，亦可以选择左右分布的类似丝杆滑块机构的导轨驱动结构，从而能够适用于宽布局或环布局测量情景。
作为传送单元的第二实施方式，还可以包括传送机构，支撑固定部两端分别与传送机构、标定物固定相连，即支撑固定部独立于传送机构之外，对标定物进行单独固定，此时传送机构可以选择任意具有实现上述传送功能的机构，不限于传送带、导轨驱动结构等，只要能够使得支撑固定部能够根据测量场景需要，实现对标定物的固定，且保证传感器采集标定物被线激光投射后的轮廓信息时无其他影响采集的障碍物即可。
本发明第四方面还提供一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述标定方法。
上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器、随机存取存储器、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”“示例”“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (8)
1.一种表面轮廓检测标定方法，其特征在于，包括：
安装至少一个传感器，用于采集标定物表面对应的标定体的轮廓信息；
标定各具有安装角度差异的传感器的传感器标定参数，实现静态标定；
静态标定包括：
采集与传感器相对静止的标定物表面被线激光覆盖的轮廓信息；
分析传感器坐标系与标定体坐标系的相对转角；
计算相对转角获取轮廓信息的静态变换结果，以实现传感器标定参数的静态标定；
标定任一传感器对标定物沿传送方向移动的传感器标定参数，供各传感器共用，实现动态标定；
其中，动态标定利用标定物在传送方向上任一特征点移动前后的高度变化量、垂直于传送方向的水平变化量来实现；
动态标定包括：
分析任一特征点移动前后的高度变化量、垂直于传送方向的水平变化量获得标定物偏角；
计算标定物偏角获得轮廓信息的动态变换结果，以实现传感器标定参数的动态标定。
2.根据权利要求1所述的一种表面轮廓检测标定方法，其特征在于，还包括分析轮廓信息的动态变换结果获取平移向量，以统一坐标系；
获取平移向量包括：
采集传感器坐标系下关键特征点坐标；
分析上述关键特征点坐标在标定体坐标系下的坐标；
比对关键特征点坐标和关键特征点坐标对应变换得到的统一世界坐标系下的坐标，得到平移向量。
3.一种表面轮廓检测标定系统，其特征在于，包括：
标定模块，包括与传感器对应的标定物，且标定物表面信息已知；
传感器，用于投射线激光到标定模块表面，并采集标定物被线激光投射后的轮廓信息；
传送模块，用于带动标定模块移动；
控制模块，用于执行如权利要求1-2中任一项所述的标定方法。
4.根据权利要求3所述的一种表面轮廓检测标定系统，其特征在于，标定物表面分布有若干标定体，标定体与标定体底面相交形成两条相互平行的棱边，且标定体表面至少具有一条与该棱边平行的特征线。
5.一种自动化检测设备，其特征在于，包括
传感器固定单元，用于传感器的安装固定；
传送单元，用于接收控制器的控制指令并运行传送，包括至少一个支撑固定部，支撑固定部用于支撑固定标定物，且标定物与传感器之间无遮挡物；
控制器，分别连接有传送单元和存储器；
存储器，存储器中存储有被控制器执行的计算机程序，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1-2中任一项所述的标定方法。
6.根据权利要求5所述的一种自动化检测设备，其特征在于，所述传送单元包括传送机构，支撑固定部为传送机构本体的一部分。
7.根据权利要求5所述的一种自动化检测设备，其特征在于，所述传送单元包括传送机构，支撑固定部两端分别与传送机构、标定物固定相连。
8.一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-2中任一项所述的标定方法。
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