用于激光扫描系统光学畸变和位姿的迭代式标定方法及系统技术方案

本发明专利技术属于激光加工技术领域，具体涉及用于激光扫描系统光学畸变和位姿的迭代式标定方法及系统。方法S1，生成N个理想点；S2，对理想点进行二维坐标变换；S3，在平移台的目标纸上打出N个实际点；S4，计算出N个平移台的目标坐标；S5，测量当前目标坐标点在相机坐标系下的坐标；S6，利用旋转矩阵,进行数据处理；S7，计算求得变换后的旋转矩阵以及相机原点到激光扫描系统原点的向量；S8，计算得到当前次迭代得到的畸变系数矩阵；S9，将当前迭代得到的数据与上一次迭代的值进行融合，将融合后的值作为下一次迭代的输入值；S10，重复步骤S2至步骤S9，得到最终标定结果。本发明专利技术具有方便操作且标定精度高的特点。标定精度高的特点。标定精度高的特点。

【技术实现步骤摘要】
用于激光扫描系统光学畸变和位姿的迭代式标定方法及系统


[0001]本专利技术属于激光加工
，具体涉及用于激光扫描系统光学畸变和位姿的迭代式标定方法及系统。

技术介绍

[0002]激光加工行业中，常用振镜和场镜配合组成一套激光扫描系统，前者实现光束扫描，后者实现光束聚焦。这种加工装置扫描效率很高，因此在激光打标、激光打孔、激光切割以及激光3D打印等方面有着广泛的用途。理想的场镜是符合f
‑
θ模型的，即振镜将光束偏转到与场镜光轴夹角为θ时，光束经过场镜后焦点在工作面上距离光轴的距离d＝f*θ，即光束偏角和光束焦点位置线性相关。但实际上场镜通常存在着较大的光学畸变，导致其成像模型不完全符合f
‑
θ模型，因此必须标定出场镜实际的成像模型，并利用模型对输入坐标进行变换，从而矫正畸变提高光斑位置精度。
[0003]在一些大幅面、高精度的应用场景，例如PCB激光钻孔等，通常有若干个与激光扫描系统相对位置固定的相机用于靶标测量。工作时首先通过相机分别测量待加工工件靶标的位置，计算出工件在加工平台上的旋转、平移、伸缩等参数，然后再驱动振镜和平台在工件上进行相应加工。在这样的加工流程下，激光扫描系统与相机之间的相对平移、激光扫描系统与平台之间的相对平移和旋转就必须准确标定出来，否则必然导致加工精度不足。
[0004]实际应用中，因为加工平台的运动行程一般较大，且精度较高，因此加工平台的坐标系常用作基本坐标系，激光扫描系统的旋转量R
m
是相对于加工平台的坐标系给出的；而因为靶标测量是相机完成的，因此用相机坐标原点到激光扫描系统坐标原点在平移台坐标系下的向量T
cm
来表示激光扫描系统的平移量较为方便。从理论上来说R
m
表达的应当是相对于平移台坐标系的三维旋转，但绕X和Y轴的旋转带来的效果可以描述为扫描系统的切向畸变，可以合并在畸变标定中，因此只需标定绕Z轴，也就是XY平面内的旋转即可。同理，T
cm
理论上也应该是三维向量，但是考虑到相机测量的目标和激光扫描系统的加工目标都在同一平面上，Z方向的平移量没有意义，因此也只需标定XY平面内的平移量即可。因此，激光扫描系统的标定主要就是标定系统本身畸变F、相对于平移台的二维旋转R
m
和平移台坐标系下相机原点到扫描系统原点的二维向量T
cm
。
[0005]然而，传统的标定方法通常是分开标定激光扫描系统的畸变和相对位姿，不仅不方便，也无法联合优化畸变和位姿参数，容易导致最终标定效果不佳。此外，由于未标定过的激光扫描系统往往畸变和位姿与理想情况相差较远，单次标定通常无法有效估计所有参数，虽然多次标定取平均值能改善这种情况，但是对于高精度的应用仍显不足。
[0006]因此，设计一种更为方便且高精度的用于激光扫描系统光学畸变和位姿的迭代式标定方法及系统，就显得十分重要。
[0007]例如，申请号为CN202111227161.0的中国专利文献描述的一种用于激光加工系统高精度的标定方法及装置，根据设计好的用于视觉系统标定的图案，获取其图像，完成校正相机的畸变标定，即可获得畸变校正后的图像；然后控制激光器和振镜系统中的偏转镜片，
在打标纸上标刻出特定的振镜畸变标定图案，获取相机拍摄的其图像，计算得到振镜系统的畸变值；然后再控制激光器和振镜中的偏转镜片，在打标纸上标刻出经过畸变数据处理模块的坐标系标定图案，获取相机拍摄的其图像，计算得到图像坐标系和振镜坐标系之间的对应关系。虽然通过视觉系统和振镜畸变数据处理模块，自动完成振镜系统畸变的校正，实现了振镜系统在整个打标工作区域的高精度一致性标刻，简化了振镜系统的标定，但是其缺点在于，单一的针对激光扫描系统的畸变进行标定，无法联合优化畸变和位姿参数，容易导致最终标定效果不佳。

技术实现思路

[0008]本专利技术是为了克服现有技术中，传统的标定方法通常是分开标定激光扫描系统的畸变和相对位姿，不仅不方便，也无法联合优化畸变和位姿参数，容易导致最终标定效果不佳的问题，提供了一种方便操作且高精度的用于激光扫描系统光学畸变和位姿的迭代式标定方法及系统。
[0009]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]用于激光扫描系统光学畸变和位姿的迭代式标定方法，包括如下步骤；
[0011]S1，在激光扫描坐标系下生成N个理想点P
i
＝(x
i
,y
i
)；i＝1,2,3,
…
,N；
[0012]S2，若理想点为进行首次迭代，则令P
i
′
＝P
i
；若否，则利用上一次迭代得到的畸变变换系数矩阵F，对理想点进行二维坐标变换，得到P
i
′
＝(x
i
′
,y
i
′
)；
[0013]S3，将平移台移动到预设的位置固定，记录下此时平移台的坐标(x
t0
,y
t0
)，并将P
i
′
输入到振镜控制器中，同时开启激光在平移台的目标纸上打出N个实际点；
[0014]S4，利用上一次迭代得到的激光扫描系统与平移台坐标系之间的旋转矩阵R
m
和相机中心到振镜中心的向量T
cm
，计算出N个平移台的目标坐标P
mi
；若为首次进行迭代，则R
m
和T
cm
根据预设的理想值进行赋值；
[0015]S5，驱动平移台到达每个目标坐标P
mi
，并利用相机测量当前目标坐标点在相机坐标系下的坐标P
ci
＝(x
ci
,y
ci
)；
[0016]S6，利用预先标定的相机坐标系相对于平移台坐标系的旋转矩阵R
c
,将P
ci
变换到平移台坐标系下得到P
ti
′
，并对P
ti
′
去偏置得到P
ti
″
；
[0017]S7，利用P
i
、P
ti
′
和P
ti
″
构造参数矩阵，并在当前次迭代中计算求得激光扫描系统坐标系相对于平移台坐标系的旋转矩阵R
m
′
以及相机原点到激光扫描系统原点的向量T
cm
′
；
[0018]S8，利用R
m
′
和P
ti
″
构造参数矩阵，并计算得到当前次迭代得到的畸变系数矩阵F
′
；
[0019]S9，将迭代得到R
m
′
、T
cm
′
和F
′
与上一次迭代的值进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于激光扫描系统光学畸变和位姿的迭代式标定方法，其特征在于，包括如下步骤；S1，在激光扫描坐标系下生成N个理想点P
i
＝(x
i
,y
i
)；i＝1,2,3,
…
,N；S2，若理想点为进行首次迭代，则令P
i
′
＝P
i
；若否，则利用上一次迭代得到的畸变变换系数矩阵F，对理想点进行二维坐标变换，得到P
i
′
＝(x
i
′
,y
i
′
)；S3，将平移台移动到预设的位置固定，记录下此时平移台的坐标(x
t0
,y
t0
)，并将P
i
′
输入到振镜控制器中，同时开启激光在平移台的目标纸上打出N个实际点；S4，利用上一次迭代得到的激光扫描系统与平移台坐标系之间的旋转矩阵R
m
和相机中心到振镜中心的向量T
cm
，计算出N个平移台的目标坐标P
mi
；若为首次进行迭代，则R
m
和T
cm
根据预设的理想值进行赋值；S5，驱动平移台到达每个目标坐标P
mi
，并利用相机测量当前目标坐标点在相机坐标系下的坐标P
ci
＝(x
ci
,y
ci
)；S6，利用预先标定的相机坐标系相对于平移台坐标系的旋转矩阵R
c
,将P
ci
变换到平移台坐标系下得到P
ti
′
，并对P
ti
′
去偏置得到P
ti
″
；S7，利用P
i
、P
ti
′
和P
ti
″
构造参数矩阵，并在当前次迭代中计算求得激光扫描系统坐标系相对于平移台坐标系的旋转矩阵R
m
′
以及相机原点到激光扫描系统原点的向量T
cm
′
；S8，利用R
m
′
和P
ti
″
构造参数矩阵，并计算得到当前次迭代得到的畸变系数矩阵F
′
；S9，将迭代得到R
m
′
、T
cm
′
和F
′
与上一次迭代的值进行融合，将融合后的值作为下一次迭代的输入值；S10，重复步骤S2至步骤S9，迭代预设的次数后，得到最终的激光扫描系统参数标定结果。2.根据权利要求1所述的用于激光扫描系统光学畸变和位姿的迭代式标定方法，其特征在于，步骤S2中P
i
′
＝(x
i
′
,y
i
′
)的计算方法为多项式拟合，具体公式如下：。其中，F
ij
表示畸变变换系数矩阵F中的i行j列；k为一整数，k的大小根据多项式的阶数决定。3.根据权利要求1所述的用于激光扫描系统光学畸变和位姿的迭代式标定方法，其特征在于，步骤S4中P
mi
的计算公式如下：P
ti
＝R
m
‑1*P
i
P
mi
＝T
cm
+P
ti
+[x
t0
,y
t0
]
T
。4.根据权利要求1所述的用于激光扫描系统光学畸变和位姿的迭代式标定方法，其特征在于，步骤S6中P
ti
′
和P
ti
″
的计算公式如下：的计算公式如下：5.根据权利要求1所述的用于激光扫描系统光学畸变和位姿的迭代式标定方法，其特征在于，步骤S7中R
m
′
的计算过程如下：
利用P
i
构造矩阵利用P
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李华兵，孙东明，林汇文，杨恺伦，
申请(专利权)人：杭州凌像科技有限公司，
类型：发明
国别省市：