单轴平移台与结构光3D传感器联合测量标定方法技术

本发明专利技术单轴平移台与结构光3D传感器联合测量标定方法属于视觉测量领域，涉及一种单轴平移台与结构光3D传感器联合测量标定方法。该方法通过单轴平移台，使结构光3D传感器平移到指定位置，得到平移距离；保持结构光3D传感器在不同的位置下位姿静止不动，对标准陶瓷球件进行拍照，采集陶瓷球表面点云数据。对球面点云数据进行拟合，得到靶球球心在测量坐标系下的三维空间坐标；通过三坐标测量机完成标准陶瓷球件的高精度标定。通过至少3个不同位置下计算得到的球心三维空间坐标以及结构光3D传感器的平移距离，推导得出三个标定参数完成标定。该方法有效扩展了结构光3D传感器的应用范围，所用的标定件结构简单，价格便宜，有助于该方法的推广。

Joint measurement and calibration method of single axis translation platform and structured light 3D sensor

The invention relates to a joint measurement and calibration method of a single axis translation platform and a structured light 3D sensor, belonging to the field of vision measurement. In this method, the structured light 3D sensor is translated to a designated position by a single axis translation platform, and the translation distance is obtained; the structured light 3D sensor is kept stationary in different positions, and the standard ceramic ball is photographed to collect the point cloud data on the surface of the ceramic ball. By fitting the spherical point cloud data, the three-dimensional space coordinates of the target spherical center in the measurement coordinate system are obtained, and the high-precision calibration of the standard ceramic spherical parts is completed by the three coordinate measuring machine. Three calibration parameters are derived by calculating the three-dimensional coordinates of the spherical center and the translation distance of the structured light 3D sensor in at least three different positions. This method effectively expands the application range of structured light 3D sensor. The calibrator used is simple in structure and cheap in price, which is helpful for the promotion of this method.

【技术实现步骤摘要】
单轴平移台与结构光3D传感器联合测量标定方法
本专利技术属于视觉测量领域，涉及一种基于标准陶瓷球的单轴平移台与结构光3D传感器联合测量标定方法。
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，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、体积小重量轻、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，对于结构光3D传感器而言，测量的高精度和设备的小体积则带来了视野偏小的问题。以国外某型结构光3D传感器为例，其Z向精度达到0.001毫米，XY向分辨率达0.02毫米，而视野最大仅为35*45毫米，有效测量范围不超过30毫米。对于尺寸较大的高精度零部件而言，结构光传感器单次拍摄所得点云无法包括整个零部件，此时则需要通过拼接的办法来解决这一问题。对于常用的单轴平移台与线激光传感器联合测量方法，其精度不仅依赖其本身测量精度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单轴平移台与结构光3D传感器联合测量标定方法，其特征是，该方法先安装固定结构光3D传感器、单轴平移台以及靶球件，再利用通过单轴平移台，使结构光3D传感器平移到指定位置，得到平移距离；同时保持结构光3D传感器在不同的位置下位姿静止不动，对标准陶瓷球件进行拍照，采集陶瓷球表面点云数据；对球面点云数据进行拟合，得到靶球球心在测量坐标系下的三维空间坐标；通过三坐标测量机完成标准陶瓷球件的高精度标定；通过至少3个不同位置下计算得到的球心三维空间坐标以及结构光3D传感器的平移距离，推导得出三个标定参数，即标定夹角余弦值的值进而完成标定；标定方法的具体标定过程如下：/n第一步、安置固定结构光3D传感...

【技术特征摘要】
1.一种单轴平移台与结构光3D传感器联合测量标定方法，其特征是，该方法先安装固定结构光3D传感器、单轴平移台以及靶球件，再利用通过单轴平移台，使结构光3D传感器平移到指定位置，得到平移距离；同时保持结构光3D传感器在不同的位置下位姿静止不动，对标准陶瓷球件进行拍照，采集陶瓷球表面点云数据；对球面点云数据进行拟合，得到靶球球心在测量坐标系下的三维空间坐标；通过三坐标测量机完成标准陶瓷球件的高精度标定；通过至少3个不同位置下计算得到的球心三维空间坐标以及结构光3D传感器的平移距离，推导得出三个标定参数，即标定夹角余弦值的值进而完成标定；标定方法的具体标定过程如下：
第一步、安置固定结构光3D传感器、单轴平移台以及靶球件
将结构光3D传感器(1)与固定夹具(2)通过螺钉进行固定连接；之后再将固定好的结构光传感器(1)与固定夹具(2)安装到单轴平移台上(3)；安放位置需要确保结构光3D传感器运动平稳；结构光3D传感器(1)平动而不旋转；之后放置靶球件(4)，要求靶球件长轴与单轴平移台的运动轴平行，靶球件(4)上的靶球位于结构光3D传感器的有效测量范围内，保证每个靶球都可以拍摄到一个近似完整的半球面；结构光3D传感器的测量范围包含整个靶球件；靶球件的位置相对于单轴平移台静止不变；
第二步、采集数据与预处理
操控单轴平移台，将结构光3D传感器(1)移动到第一个位置，获取第一个靶球的表面点云的深度图，并记录当前结构光3D传感器(1)在单轴平移台上的位置(0,C1,0)；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，得出第一个位置下球1相对于测量坐标系的坐标(X1,Y1,Z1)；球心坐标求解具体过程为：
基于球面方程得出：



将球面点云坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)……(xn,yn,zn)带入其中，得到最小二乘方程组：



最终，求出球心坐标(X1,Y1,Z1)与半径R的最优解；把半径R作为一个检验值，如果R不在检定范围内，那么所求出的球心坐标(X1,Y1,Z1)肯定有误；最后，多次拍摄，参照拉依达准则，过滤粗差点，得到平均值；
之后重复上述操作，操控单轴平移台，分别移动结构光3D传感器(1)到其他至少3个位置，依次使用结构光3D传感器(1)拍摄靶球，获取靶球的球表面点云，分别求出不同位置下球心相对于测量坐标系的坐标(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)……(Xn,Yn,Zn)(n＞3)，并分别记录每次的拍摄位置(0,C2,0)、(0,C3,0)……(0,Cn,0)；
第三步、计算标定参数
工作过程中，平移台载物体进行移动，其运动过程视为平移；即相对于单轴平移台坐标系OLXLYLZL，物体只平动而不发生转动，而单轴平移台坐标系OLXLYLZL中的轴YL，其必然与3D传感器内部的测量坐标系OMXMYMZM中的轴XM、YM、ZM存在夹角α、θ、β，其余弦值就...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，武琼，周志龙，张洋，程习康，马大智，刘思彤，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