激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法技术

本发明专利技术激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法属于视觉测量领域，涉及一种基于哑光标准靶球的激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法。该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定。设定激光跟踪仪的坐标系为全局坐标系，结构光扫描仪基坐标系，结构光3D扫描仪测量坐标系。分别操作结构光3D扫描仪与激光跟踪仪测量公共靶标，采用基于SVD的普氏分析算法，求出测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵。最后，通过矩阵除法，算出结构光3D扫描仪的测量坐标系到其基坐标系的转换矩阵完成标定。该方法有效扩展了结构光3D扫描仪的应用范围，是一种具有广泛应前景的标定方法。

Combined measurement and calibration method of laser tracker and structured light 3D scanner

The combined measurement and calibration method of laser tracker and structured light 3D scanner belongs to the field of vision measurement, and relates to a combined measurement and calibration method of laser tracker and structured light 3D scanner based on matte standard target ball. This method uses structured light 3D scanner, laser tracker, laser target ball and public target to carry out combined measurement and calibration. Set the coordinate system of laser tracker as the global coordinate system, the base coordinate system of structured light scanner and the measurement coordinate system of structured light 3D scanner. The common targets are measured by structured light 3D scanner and laser tracker respectively. The transformation matrix from the measurement coordinate system to the global coordinate system is obtained by using the Pugh analysis algorithm based on SVD. Finally, by matrix division, the transformation matrix from the measurement coordinate system to its base coordinate system is calculated to complete the calibration. This method effectively expands the application range of structured light 3D scanner and is a promising calibration method.

【技术实现步骤摘要】
激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法
本专利技术属于视觉测量领域，涉及一种基于哑光标准靶球的激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法。
技术介绍
工业领域的发展对测量技术提出了越来越高的要求，大尺寸零部件表面高精度扫描测量则是其中极为重要的组成部分。表面轮廓、工件间隙、三维形貌以及表面缺陷等各种类型的测量问题都对测量方法的精确性和便利性提出很高的要求。在现有的测量技术中，结构光扫描测量具有快速、高精度、使用灵活方便、设备结构简单、非接触等测量优势，因此在工业生产中逐渐推广开来。但是，受目前基础科学与工业技术的限制，结构光3D扫描仪存在视野偏小的问题。要以高精度获取大尺寸部件的表面形貌以及几何尺寸，就必须要对结构光3D扫描仪的拍摄结果进行拼接。有学者提出了通过激光跟踪仪直接测量结构光3D扫描仪位姿进行拼接的办法。这一方法测量空间大，测量精度高，测量效率高，极大地扩展了结构光3D扫描仪在工业中的运用。对于激光跟踪仪与结构光3D扫描仪的组合式测量，在进行拼接前必须要进行系统的标定，即求解结构光3D扫描仪基坐标系到结构光3D扫描仪测量坐标系的转换矩阵。结构光3D扫描仪基于相位移法，通过扫描靶球外表面，进而拟合球心获取靶球球心坐标，而激光跟踪仪则直接通过飞行时间法获取激光靶球的球心坐标。显然两者测量方法不同。最常见的标定方法是设计一个公共靶标组，该公共靶标组由多个标准陶瓷球和普通的激光靶球组成，靶球间的相互位置关系在标定前已由三坐标测量机检定，例如，沈阳航空航天大学的曲学军于2015年发表的《大尺寸自由曲面部件组合测量现场全局标定优化方法与应用》。这种方法需要多个靶球，结构复杂，成本较高，靶标组固定不便拆卸，需要经常检定确保精度。或者采用替换测量的方法，即结构光3D扫描仪同时拍摄多个标准陶瓷球，再替换成尺寸可视为相等的激光靶球进行测量，通过前后两组靶球的球心坐标矩阵进行普氏分析，进而完成标定。这种替换式测量的方法本身就引入了误差，而且需要多个标准陶瓷球和激光靶球参与测量；受限于结构光3D扫描仪的视野，单次拍摄最多能拍摄6个0.5英寸靶球。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术的缺陷，专利技术了一种激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法，该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定；仅使用四个激光靶球，就可完成结构光3D扫描仪基坐标系到结构光3D扫描仪测量坐标系的转换矩阵而完成标定。该方法有效简化了激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量的标定流程，使用的靶球数量少，降低了综合成本，是一种具有广泛应用前景的标定方法。本专利技术采用的技术方案是一种激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法，该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定；设定激光跟踪仪的坐标系为全局坐标系，结构光扫描仪基坐标系ObXbYbZb，结构光3D扫描仪测量坐标系OscXscYscZsc；将公共靶标在公共测量范围内挪动至少六个位置，分别操作结构光3D扫描仪与激光跟踪仪测量公共靶标分别在测量坐标系和全局坐标系下球心的坐标，得到公共靶标系在不同坐标系下的坐标矩阵；采用基于SVD的普氏分析算法，求出测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵。最后，通过矩阵除法，算出结构光3D扫描仪的测量坐标系到其基坐标系的转换矩阵完成标定。标定方法具体步骤如下：第一步、安装结构光3D扫描仪、激光跟踪仪以及激光靶球，并进行设备开机预热。先将结构光3D扫描仪1安装于夹具2上，再将三个激光靶球座3固定于夹具2上，把三个激光靶球4分别安装在激光靶球座3上；要求三个激光靶球4分布适当，三点所组成的三角形内不应有大于120度的钝角，每两个球的间距在4厘米以上；再将结构3D光扫描仪1和激光跟踪仪5安放于合适位置并固定；要求两者位置在1米左右，激光跟踪仪5的光路要到达三个激光靶球4上，三个激光靶球4的开口朝向适当，确保结构光3D扫描仪1和激光跟踪仪5在标定过程中位姿保持不变，不受振动干扰；最后，将一个哑光激光靶球与靶球座作为公共靶标6安放在结构光3D扫描仪1和激光跟踪仪5的公共测量区域内；公共靶标6上的哑光激光靶球的开口朝向适当，使结构光3D扫描仪1可以拍摄到一个近似完整的外球表面；应确保移动哑光激光靶球时产生的振动不会影响到结构光3D扫描仪1和激光跟踪仪5。检查视野范围后，将结构光扫描仪与激光跟踪仪开机预热。第二步、求解结构光3D扫描仪基坐标系ObXbYbZb到激光跟踪仪5的全局坐标系OtcXtcYtcZtc的转换矩阵Tb2tc。操作激光跟踪仪5测量结构光3D扫描仪1上三个激光靶球4在全局坐标系的球心坐标，测量时应多次测量，参照拉依达准则，过滤粗差点，得到平均值，进行平均抗差优化；设三个激光靶球球心C1、C2、C3的坐标分别为(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)。将第一个点作为坐标系的原点，原点坐标记为将C1与C2的向量进行单位化作为坐标系的X轴，X轴向量可表示为根据向量与求出两个向量的矢量积，然后将该矢量积单位化，求出坐标系的Z轴。Z轴的向量为：最后，根据Z轴与X轴的向量，求出Y轴的向量，记为最终，得到一个4×4的矩阵，即从结构光3D扫描仪1基坐标系ObXbYbZb到激光跟踪仪5的全局坐标系的转换矩阵Tb2tc：第三步、测量公共靶标，求解从结构光3D扫描仪测量坐标系OscXscYscZsc到激光跟踪仪全局坐标系OtcXtcYtcZtc的转换矩阵Tsc2tc。操控结构光3D扫描仪1与激光跟踪仪5，同时测量公共靶标6。基于飞行时间法，测得该靶标在OtcXtcYtcZtc下的球心坐标为(Xtc1,Ytc1,Ztc1)。对于结构光扫描仪采集公共靶标表面点云的深度图。将深度图上的RGB信息转换为每个点的坐标，通过最小二乘拟合，求解出公共靶标在OscXscYscZsc下的球心坐标(Xsc1,Ysc1,Zsc1)。球心坐标求解具体过程如下：基于球面方程，得出：将OscXscYscZsc下球面点云坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)……(xn,yn,zn)带入公式中，得到最小二乘方程组：对于Am×nXn×1＝Ym×1(m＞n)的超定方程组，如ATA非奇异，则X有解为：X＝(ATA)-1ATY。最终，求出球心坐标(Xsc1,Ysc1,Zsc1)与半径R的最优解，半径R可作为判断(Xsc1,Ysc1,Zsc1)是否准确的依据。多次拍摄，参照拉依达准则，过滤粗差点，分别得到球心坐标在OtcXtcYtcZtc和OscXscYscZsc下的平均值。之后重复上述操作，在结构3D光扫描仪1和激光跟踪仪5的公共测量范围内挪动公共靶标6到其他位置，至少六个位置；依次使用结构光扫描仪拍摄公共靶标6，获取公共靶标的球表面点云，求出不同位置下公共靶标在OscXscYscZsc下的坐标(Xsc2,Ysc2,Zsc2)、(Xsc3,Ysc3,Zsc3)(Xscn,Yscn,Zscn)(n≥6)，以及不同位置下公共靶标在OtcXtcYtcZtc下的坐标(Xtc2,Ytc2,Ztc2)、(Xtc3,Ytc3,Ztc3)……(Xtcn,Ytcn,Ztcn)。设OscXscYscZsc下的点集为矩阵Psc，OtcXt本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法，其特征是，该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定；设定激光跟踪仪的坐标系为全局坐标系，结构光扫描仪基坐标系，结构光3D扫描仪测量坐标系；将公共靶标在公共测量范围内挪动至少六个位置，分别操作结构光3D扫描仪与激光跟踪仪测量公共靶标在测量坐标系和全局坐标系下球心的坐标，得到公共靶标系在不同坐标系下的坐标矩阵；采用基于SVD的普氏分析算法，求出测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵；最后，通过矩阵除法，算出结构光3D扫描仪的测量坐标系到其基坐标系的转换矩阵，完成标定；标定方法具体步骤如下：第一步、安装结构光3D扫描仪、激光跟踪仪以及激光靶球，并进行设备开机预热；将结构光3D扫描仪(1)安装于夹具(2)上；再将三个激光靶球座(3)固定于夹具(2)上，然后将三个激光靶球(4)分别安装在激光靶球座(3)上；要求三个激光靶球(3)分布适当，三点所组成的三角形内不应有大于120度的钝角，每两个球的间距在4厘米以上；然后将结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)安放于合适位置并固定，要求两者位置在1米左右；三个激光靶球(4)的开口朝向适当；激光跟踪仪(5)的光路可到达三个激光靶球(4)上；确保结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)在标定过程中，位姿保持不变，不受振动干扰；最后，将一个哑光激光靶球与靶球座作为公共靶标(6)安置到位于结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)的公共测量区域内，公共靶标(6)上的哑光激光靶球的开口朝向适当，使结构光3D扫描仪(1)能拍摄到一个近似完整的外球表面；应确保移动哑光激光靶球时产生的振动不会影响到结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)；检查视野范围后，将结构光扫描仪与激光跟踪仪开机预热；第二步、从结构光3D扫描仪基坐标系ObXbYbZb到全局坐标系OtcXtcYtcZtc的转换矩阵Tb2tc；操作激光跟踪仪(5)，测量结构光3D扫描仪(1)上三个激光靶球(4)在全局坐标系的球心坐标；测量时应多次测量，参照拉依达准则，过滤粗差点，得到平均值，进行平均抗差优化；设三个靶球球心C1、C2、C3的坐标分别为(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)；将第一个点作为坐标系的原点，原点坐标记为...

【技术特征摘要】
1.一种激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法，其特征是，该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定；设定激光跟踪仪的坐标系为全局坐标系，结构光扫描仪基坐标系，结构光3D扫描仪测量坐标系；将公共靶标在公共测量范围内挪动至少六个位置，分别操作结构光3D扫描仪与激光跟踪仪测量公共靶标在测量坐标系和全局坐标系下球心的坐标，得到公共靶标系在不同坐标系下的坐标矩阵；采用基于SVD的普氏分析算法，求出测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵；最后，通过矩阵除法，算出结构光3D扫描仪的测量坐标系到其基坐标系的转换矩阵，完成标定；标定方法具体步骤如下：第一步、安装结构光3D扫描仪、激光跟踪仪以及激光靶球，并进行设备开机预热；将结构光3D扫描仪(1)安装于夹具(2)上；再将三个激光靶球座(3)固定于夹具(2)上，然后将三个激光靶球(4)分别安装在激光靶球座(3)上；要求三个激光靶球(3)分布适当，三点所组成的三角形内不应有大于120度的钝角，每两个球的间距在4厘米以上；然后将结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)安放于合适位置并固定，要求两者位置在1米左右；三个激光靶球(4)的开口朝向适当；激光跟踪仪(5)的光路可到达三个激光靶球(4)上；确保结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)在标定过程中，位姿保持不变，不受振动干扰；最后，将一个哑光激光靶球与靶球座作为公共靶标(6)安置到位于结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)的公共测量区域内，公共靶标(6)上的哑光激光靶球的开口朝向适当，使结构光3D扫描仪(1)能拍摄到一个近似完整的外球表面；应确保移动哑光激光靶球时产生的振动不会影响到结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)；检查视野范围后，将结构光扫描仪与激光跟踪仪开机预热；第二步、从结构光3D扫描仪基坐标系ObXbYbZb到全局坐标系OtcXtcYtcZtc的转换矩阵Tb2tc；操作激光跟踪仪(5)，测量结构光3D扫描仪(1)上三个激光靶球(4)在全局坐标系的球心坐标；测量时应多次测量，参照拉依达准则，过滤粗差点，得到平均值，进行平均抗差优化；设三个靶球球心C1、C2、C3的坐标分别为(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)；将第一个点作为坐标系的原点，原点坐标记为将C1与C2的向量进行单位化作为坐标系的X轴，X轴向量表示为根据向量与求出两个向量的矢量积；然后，将该矢量积单位化，求出坐标系的Z轴；Z轴的向量为：最后，根据Z轴与X轴的向量，求出Y轴的向量，记为最终，得到一个4×4的矩阵，即从结构光3D扫描仪基坐标系ObXbYbZb到全局坐标系的转换矩阵Tb2tc：第三步、测量公共靶标，求解从扫描仪测量坐标系OscXscYscZsc到全局坐标系OtcXtcYtcZtc的转换矩阵Tsc2tc；操控结构光3D扫描仪(1)与激光跟踪仪(5)，同时测量公共靶标(6)；基于飞行时间法，测得该靶标在OtcXtcYtcZtc下的球心坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，武琼，周志龙，张洋，贾振元，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21