一种多红外线激光传感器坐标系原位的标定方法及其系统技术方案

本发明专利技术提供了一种多红外线激光传感器坐标系原位的标定方法及其系统，可通过一般生产精加工的火车轮等圆形物体就可实现。在进行第一次标定完成后，后续在重复标定确保测量精度时，本系统可基于已有标定变换矩阵作为粗匹配的旋转平移矩阵，以省去人工进行粗匹配的步骤，实现了快速高效的标定系统功能。并且基于多达2096帧的截面数据来分析物体中心绕转轴中心运动的方程，更加精确的求出物体中心与转轴中心的相对关系，从而高精度的标定出多个红外线激光传感器与测量装置转台转轴中心的相对关系矩阵。对关系矩阵。对关系矩阵。

【技术实现步骤摘要】
一种多红外线激光传感器坐标系原位的标定方法及其系统


[0001]本专利技术涉及计算机视觉测量
，具体而言，涉及一种多红外线激光传感器坐标系原位的标定方法及其系统。

技术介绍

[0002]激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器，它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
[0003]激光扫描测量技术是当今几何量测量领域的重点研究对象之一。该测量技术是以获取被测物体表面的三维数据信息为目的，通过激光投射和图像采集过程，得到携带被测物体三维坐标信息的激光数字图像。对激光图像进行预处理和中心提取，再进行一系列的数据处理与分析，根据激光三角法中物体表面高度不同的点在图像中的成像位置不同这一原理，可得到物体表面三维轮廓的测量结果。该技术广泛地应用于逆向工程、虚拟现实和快速原型制造技术等领域，具有成本低、精度高等优点，具有很高的应用价值。而与早期的单点激光扫描测量技术相比，线激光扫描测量技术效率更高，一次性扫描可得到被测物体表面一条线上的二维数据，再使物体相对于激光平面移动，即可获取三维数据，因而成为激光扫描测量技术的研究和发展方向。
[0004]现有的多红外线激光传感器测量装置在测量圆形工件前，需要对坐标系原位进行标定，但是标定方法多是基于特别定制的标定物体进行标定，对标定物体放置到转台中心位置的要求也很高。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的问题是：现有标定方法无法快速高精度的标定出多线激光与测量装置转台转轴中心的坐标系原位的相对关系的问题。
[0006]为解决上述问题，一方面，本专利技术提供一种多红外线激光传感器坐标系原位的标定方法，其中，包括如下步骤：
[0007]S1：将若干红外线激光传感器固定在测量装置的指定位置上并调节激光共面；
[0008]S2：在测量装置的转轴中心附近放置标定物体，并旋转一周，同时触发红外线激光传感器采集数据，并计算每一帧旋转角度；
[0009]S3：通过标定系统，人工对某一帧数据A进行粗匹配，获取粗匹配的旋转平移矩阵；
[0010]S4：将粗匹配后的帧数据A与基于标定物体制作的高精度CAD截面的点云数据进行点云配准，得到精确的旋转平移矩阵；
[0011]S5：基于精确的旋转平移矩阵对采集的所有帧数据进行矩阵变换，拼合出每一帧截面数据；
[0012]S6：计算其他所有帧数据相对于帧数据A的点云配准，得到相对于帧数据A的水平位移偏移量；
[0013]S7：基于所有帧数据的水平位移偏移量和旋转角度，拟合出标定物体绕转轴中心原位运动的运动方程；
[0014]S8：基于帧数据A的旋转角度求出帧数据A的实际水平位移偏移量，利用精确的旋转平移矩阵的位移矩阵的x变量减去帧数据A的实际水平位移偏移量，得到最终的标定变换矩阵。
[0015]优选地，所述步骤S1具体包括如下步骤：
[0016]将三个红外线激光传感器固定在测量装置的各个指定位置上，通过固定装置调节每个红外线激光传感器的安装角度，使得所有红外线激光传感器的红外激光发射在空间的同一个面上，其中，顶部安装的第一红外线激光传感器垂直朝下发射激光，中部安装的第二红外线激光传感器水平横向发射激光，底部安装的第三红外线激光传感器垂直朝上发射激光。
[0017]优选地，所述步骤S2具体包括如下步骤：
[0018]在测量装置的转台转轴上放置一个圆形标定物体，圆形标定物体的高度水平无倾斜，圆形标定物体放置在转轴中心位置附近，打开红外线激光传感器，并同时启动测量装置的转轴旋转360度，固定帧率触发线激光，共采集2096帧数据，每一帧数据基于触发时间戳计算对应的旋转角度。
[0019]优选地，所述步骤S3具体包括如下步骤：
[0020]通过计算机标定系统，人工选取测量的某一帧数据A，其中，每一帧数据由三个红外线激光传感器的测量片段所组成；人工拖动测量片段与基于圆形标定物体的制作的高精度CAD截面进行拼合，以获取三个测量片段相对于圆形标定物体CAD截面的粗匹配的旋转平移矩阵[R0_0|T0_0]，[R1_0|T1_0]，[R2_0|T2_0]，其中，[R0_0|T0_0]是第一红外线激光传感器的测量片段的粗匹配的旋转平移矩阵，R0_0是旋转矩阵(3*3的矩阵)，T0_0是平移矩阵(3*1的矩阵)，[R1_0|T1_0]是第二红外线激光传感器的测量片段的粗匹配的旋转平移矩阵，R1_0是旋转矩阵(3*3的矩阵)，T1_0是平移矩阵(3*1的矩阵)，[R2_0|T2_0]是第三红外线激光传感器的测量片段的粗匹配的旋转平移矩阵，R2_0是旋转矩阵(3*3的矩阵)，T2_0是平移矩阵(3*1的矩阵)。
[0021]优选地，所述步骤S4具体包括如下步骤：
[0022]基于粗匹配的旋转平移矩阵[R0_0|T0_0]，[R1_0|T1_0]，[R2_0|T2_0]，调用PCL(Point Cloud Library)点云库中的ICP(iterative closest point)算法进行三维点云集与三维点云集的点云配准，即把帧数据A的测量数据与高精度的CAD截面的点云数据进行点云配准，分别求出三个测量片段的匹配关系矩阵[R0|T0]，[R1|T1]，[R2|T2]后，通过以下公式
[0023]R0_1＝R0*R0_0
[0024]T0_1＝R0*T0_0+T0
[0025]R1_1＝R1*R1_0
[0026]T1_1＝R1*T1_0+T1
[0027]R2_1＝R2*R2_0
[0028]T2_1＝R2*T2_0+T2
[0029]得到精确的旋转平移矩阵[R0_1|T0_1]，[R1_1|T1_1]，[R2_1|T2_1]；其中，[R0|
T0]是第一红外线激光传感器的测量片段的匹配关系矩阵，R0是旋转矩阵(3*3的矩阵)，T0是平移矩阵(3*1的矩阵)，[R1|T1]是第二红外线激光传感器的测量片段的匹配关系矩阵，R1是旋转矩阵(3*3的矩阵)，T1是平移矩阵(3*1的矩阵)，[R2|T2]是第三红外线激光传感器的测量片段的匹配关系矩阵，R2是旋转矩阵(3*3的矩阵)，T2是平移矩阵(3*1的矩阵)；[R0_1|T0_1]是第一红外线激光传感器的测量片段的精确的旋转平移矩阵，R0_1是旋转矩阵(3*3的矩阵)，T0_1是平移矩阵(3*1的矩阵)，[R1_1|T1_1]是第二红外线激光传感器的测量片段的精确的旋转平移矩阵，R1_1是旋转矩阵(3*3的矩阵)，T1_1是平移矩阵(3*1的矩阵)，[R2_1|T2_1]是第三红外线激光传感器的测量片段的精确的旋转平移矩阵，R2_1是旋转矩阵(3*3的矩阵)，T2_1是平移矩阵(3*1的矩阵)。
[0030]优选地，所述步骤S5具体包括如下步骤：
[0031]基于精确的旋转平移矩阵[R0_1|T0_1]，[R1_1|T1_1]，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多红外线激光传感器坐标系原位的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将若干红外线激光传感器固定在测量装置的指定位置上并调节激光共面；S2：在测量装置的转轴中心附近放置标定物体，并旋转一周，同时触发红外线激光传感器采集数据，并计算每一帧旋转角度；S3：通过标定系统，人工对某一帧数据A进行粗匹配，获取粗匹配的旋转平移矩阵；S4：将粗匹配后的帧数据A与基于标定物体制作的高精度CAD截面的点云数据进行点云配准，得到精确的旋转平移矩阵；S5：基于精确的旋转平移矩阵对采集的所有帧数据进行矩阵变换，拼合出每一帧截面数据；S6：计算其他所有帧数据相对于帧数据A的点云配准，得到相对于帧数据A的水平位移偏移量；S7：基于所有帧数据的水平位移偏移量和旋转角度，拟合出标定物体绕转轴中心原位运动的运动方程；S8：基于帧数据A的旋转角度求出帧数据A的实际水平位移偏移量，利用精确的旋转平移矩阵的位移矩阵的x变量减去帧数据A的实际水平位移偏移量，得到最终的标定变换矩阵。2.根据权利要求1所述的多红外线激光传感器坐标系原位的标定方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：将三个红外线激光传感器固定在测量装置的各个指定位置上，通过固定装置调节每个红外线激光传感器的安装角度，使得所有红外线激光传感器的红外激光发射在空间的同一个面上，其中，顶部安装的第一红外线激光传感器垂直朝下发射激光，中部安装的第二红外线激光传感器水平横向发射激光，底部安装的第三红外线激光传感器垂直朝上发射激光。3.根据权利要求2所述的多红外线激光传感器坐标系原位的标定方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：在测量装置的转台转轴上放置一个圆形标定物体，圆形标定物体的高度水平无倾斜，圆形标定物体放置在转轴中心位置附近，打开红外线激光传感器，并同时启动测量装置的转轴旋转360度，固定帧率触发线激光，共采集2096帧数据，每一帧数据基于触发时间戳计算对应的旋转角度。4.根据权利要求3所述的多红外线激光传感器坐标系原位的标定方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：通过计算机标定系统，人工选取测量的某一帧数据A，其中，每一帧数据由三个红外线激光传感器的测量片段所组成；人工拖动测量片段与基于圆形标定物体的制作的高精度CAD截面进行拼合，以获取三个测量片段相对于圆形标定物体CAD截面的粗匹配的旋转平移矩阵[R0_0|T0_0]，[R1_0|T1_0]，[R2_0|T2_0]，其中，[R0_0|T0_0]是第一红外线激光传感器的测量片段的粗匹配的旋转平移矩阵，R0_0是3*3的旋转矩阵，T0_0是3*1的平移矩阵，[R1_0|T1_0]是第二红外线激光传感器的测量片段的粗匹配的旋转平移矩阵，R1_0是3*3的旋转矩阵，T1_0是3*1的平移矩阵，[R2_0|T2_0]是第三红外线激光传感器的测量片段的粗匹配的旋转平移矩阵，R2_0是3*3的旋转矩阵，T2_0是3*1的平移矩阵。5.根据权利要求4所述的多红外线激光传感器坐标系原位的标定方法，其特征在于，所
述步骤S4具体包括如下步骤：基于粗匹配的旋转平移矩阵[R0_0|T0_0]，[R1_0|T1_0]，[R2_0|T2_0]，调用PCL点云库中的ICP算法进行三维点云集与三维点云集的点云配准，即把帧数据A的测量数据与高精度的CAD截面的点云数据进行点云配准，分别求出三个测量片段的匹配关系矩阵[R0|T0]，[R1|T1]，[R2|T2]后，通过以下公式R0_1＝R0*R0_0T0_1＝R0*T0_0+T0R1_1＝R1*R1_0T1_1＝R1*T1_0+T1R2_1＝R2*R2_0T2_1＝R2*T2_0+T2得到精确的旋转平移矩阵[R0_1|T0_1]，[R1_1|T1_1]，[R2_1|T2_1]；其中，[R0|T0]是第一红外线激光传感器的测量片段的匹配关系矩阵，R0是3*3的旋转矩阵，T0是3*1的平移矩阵，[R1|T1]是第二红外线激光传感器的测量片段的匹配关系矩阵，R1是3*3的旋转矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟凯，袁超飞，聂伟，刘玉宝，杨柳，
申请(专利权)人：苏州惟景三维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：