本发明专利技术公开了一种单目线激光三维视觉传感器参数在位标定装置及方法，方法通过控制单目线激光测量传感器输出打开线激光器投射线激光，调整在位标定装置的位置使得线激光与标识线重合，保持单目线激光测量传感器与在位标定装置的相对位置固定不动，关闭线激光打开相机拍摄图像，通过图像处理计算标准圆圆心在图像坐标系下的坐标值；用单应性矩阵建立图像坐标系与世界坐标系之间的函数映射关系，通过至少4组世界坐标系和图像坐标系对应点，求解8自由度的单应性矩阵，即可完成基于沙姆定理的单目线激光测量传感器参数在位标定。本发明专利技术实现方法操作简单、环境适应性更强，特别适合工业现场基于沙姆定理的单目线激光测量传感器参数在位标定。数在位标定。数在位标定。
【技术实现步骤摘要】
一种单目线激光三维视觉传感器参数在位标定装置及方法
[0001]本专利技术涉及一种单目线激光三维视觉传感器参数在位标定装置及方法，属于光学测量和机械工程
技术介绍
[0002]单目线激光三维视觉传感器主要由线激光投射器和单个工业相机组成，由于其结构简单、成本低、测量时间短、鲁棒性强等显著优点，使其在工业领域中有着极其广泛的应用如：焊缝视觉跟踪系统、焊接质量检测系统、白车身质量检测系统、白车身间隙面差测量、逆向工程等。
[0003]单目线激光三维视觉传感器的参数标定精度直接影响其测量精度，传统单目线激光三维视觉传感器标定参数主要包括相机内参数标定和光平面参数标定两部分。已有技术中，F.Zhou,G.Zhang在论文Complete calibration of a structured light stripe vision sensor through planar target of unknown orientations(Image and Vision Computing,2005,23(1):59
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67)中提出了一种基于自由移动平面靶标的单目线激光视觉传感器参数标定方法，该方法需要通过相机拍摄标定板对焦清晰的平面标定板图片，工业现场恶劣的环境难以满足上述要求，同时由于基于沙姆定理的单目线激光测量传感器为了扩大其景深范围，将镜头与CCD靶面按照一定的角度关系倾斜设计，更难以获取对焦清晰的图片。上海交通大学的CN102980528号专利公开了“无位姿约束线激光单目视觉三维测量传感器”，采用交比不变性原理解决棋盘格靶标存在的行和列辨识的二义性问题，该方法同样存在工业现场相机标定过程中难以获取对焦清晰图片的问题。Cong Sun在综述论文Review of Calibration Methods for Scheimpflug Camera(Journal of Sensors,2018,
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15)中对各种基于沙姆定理的相机标定模型进行了综述，未见适用于工业现场恶劣环境的标定装置及方法。
[0004]因此，有必要研制一种基于沙姆定理的单目线激光测量传感器参数在位标定装置，并研究其实现方法，保证工业现场恶劣环境下基于沙姆定理的单目线激光测量传感器在位标定的效率、稳定性和精度。
技术实现思路
[0005]针对现有系统和方法中的缺陷，本专利技术的目的是提供基于沙姆定理的单目线激光测量传感器参数在位标定装置及实现方法。
[0006]根据本专利技术提供的一种基于沙姆定理的单目线激光测量传感器参数在位标定装置，包括：所述在位标定装置采用对称阶梯面结构，每个阶梯面上加工两个标准圆，所述标准圆的圆心共面；所述每个标准圆两侧加工标记线，所述标记线为过所有圆心的面与阶梯面的交线，所述对称阶梯面结构中间的顶面加工一个标记点用来标识在位标定工装坐标系的+X轴方向。
[0007]优选的，所述对称阶梯面结构的阶梯面的尺寸精度控制在0.01mm以内，标准圆的
圆度控制在0.005以内，标准圆的圆心所在的平面度控制在0.005以内。
[0008]根据本专利技术介绍的一种基于沙姆定理的单目线激光测量传感器参数在位标定实现方法，包括以下步骤：
[0009]步骤S1：利用三坐标测量各圆心在高精度标定专用工装坐标系下的位置，其中标定工装坐标系(以下记为世界坐标系)的原点为顶面两个标准圆圆心的中点，X轴与顶面标记线平行，+X轴指向标记点，按照圆心坐标的X分量进行排序，第i个标准圆的圆心坐标记为W
i
，Y轴为顶面的法向向量，方向为垂直顶面向外；
[0010]步骤S2：打开单目线激光测量传感器中的激光器，调整高精度标定专用工装与单目线激光测量传感器的相对位置，使得激光器形成的光平面过所有的标记线；
[0011]步骤S3：保持单目线激光测量传感器与高精度标定专用工装的相对位置不变，关闭激光器，打开单目线激光测量传感器中的工业相机并拍摄照片；
[0012]步骤S4：提取拍摄照片中标准圆的圆心在图像坐标系下的坐标值，并与标定工装坐标下圆心的排序相对应，记第i个标准圆的圆心在图像坐标系下的坐标值为C
i
；
[0013]步骤S5：利用标准圆在世界坐标系下的坐标值W
i
与对应的图像坐标系下的坐标值C
i
，求解单应性矩阵H，单应性矩阵H中包括单目线激光测量传感器所有需要标定的参数。
[0014]优选的，所述步骤S1中，标准圆圆心均在一个平面上，如步骤S1所述，建立世界坐标系，此时标准圆圆心位于世界坐标系的OXY平面上，标准圆圆心坐标的Z值均为0；
[0015]优选的，所述步骤S5中，根据世界坐标系下的坐标值W
i
与对应的图像坐标系下的坐标值C
i
求解单应性矩阵H，具体实现如下：
[0016]步骤S5.1:由于世界坐标系与对应的图像坐标系均属于平面坐标系，可使用单应性矩阵对两个坐标系之间的坐标变换进行描述，具体为：
[0017]W
∝
H*C
[0018]其中W表示世界坐标系下的坐标值，C表示图像坐标系下的坐标值，H表示待求的单应性矩阵，
∝
表示存在固定的比例关系。
[0019]由于标准圆圆心坐标位于OXY平面上，世界坐标系属于平面坐标系，n个圆心点组成的W矩阵表示如下：
[0020][0021]对应的图像坐标下的坐标值组成的矩阵C，表示为：
[0022][0023]单应性矩阵H表示为：
[0024][0025]步骤S5.2:世界坐标系下的坐标点w
i
与对应的图像坐标系下的坐标点c
i
，两者之间的变换关系用单应性矩阵表示为：
[0026]w
i
∝
H*c
i
[0027]其中H表示为单应性矩阵。
[0028]展开得
[0029][0030]因为w
i
和c
i
为齐次坐标，所以单应性矩阵H与尺度无关，因此单应性矩阵的自由度为8，使用h9＝1对单应性矩阵进行归一化处理。
[0031][0032]故H共有8个未知数，需要8个方程来求解。
[0033]世界坐标系和图像坐标系中一对点提供2个约束方程，将上式展开如下所示：
[0034][0035][0036]将上式写成线性方程组的表达形式,则1组对应点的提供的约束方程表示为：
[0037][0038]步骤S5.3:理论上4对点对提供8个约束方程，通过求解线性方程组即可得到单应性矩阵H：
[0039][0040]本专利技术设计的高精度专用标定工装，可以提供10对对应点对，通过最小二乘优化计算单应性矩阵H。
[0041]步骤S5.4:利用计算的单应性矩阵H进行三维测量，其三维测量表示为：
[0042]w
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于沙姆定理的单目线激光测量传感器参数在位标定装置，其特征在于，包括：所述在位标定装置采用对称阶梯面结构，每个阶梯面上加工两个标准圆，所述标准圆的圆心共面；所述每个标准圆两侧加工标记线，所述标记线为过所有圆心的面与阶梯面的交线，所述对称阶梯面结构中间的顶面加工一个标记点用来标识在位标定工装坐标系的+X轴方向。2.根据权利要求1所述的一种基于沙姆定理的单目线激光测量传感器参数在位标定装置，其特征在于，所述对称阶梯面结构的阶梯面的尺寸精度控制在0.01mm以内，标准圆的圆度控制在0.005以内，标准圆的圆心所在的平面度控制在0.005以内。3.一种基于沙姆定理的单目线激光测量传感器参数在位标定实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：利用三坐标测量各圆心在高精度标定专用工装坐标系下的位置，其中标定工装坐标系的原点为顶面两个标准圆圆心的中点，X轴与顶面标记线平行，+X轴指向标记点，按照圆心坐标的X分量进行排序，第i个标准圆的圆心坐标记为W
i
，Y轴为顶面的法向向量，方向为垂直顶面向外；步骤S2：打开单目线激光测量传感器中的激光器，调整高精度标定专用工装与单目线激光测量传感器的相对位置，使得激光器形成的光平面与标记线重合；步骤S3：保持单目线激光测量传感器与高精度标定专用工装的相对位置不变，关闭激光器，打开单目线激光测量传感器中的工业相机并拍摄照片；步骤S4：提取拍摄照片中标准圆的圆心在图像坐标系下的坐标值，并与标定工装坐标下圆心的排序相对应，记第i个标准圆的圆心在图像坐标系下的坐标值为C
i
；步骤S5：利用标准圆在世界坐标系下的坐标值W
i
与对应的图像坐标系下的坐标值C
i
，求解单应性矩阵H，单应性矩阵H中包括单目线激光测量传感器所有需要标定的参数。4.根据权利要求3所述的一种基于沙姆定理的单目线激光测量传感器参数在位标定实现方法，其特征在于，所述步骤S1中，标准圆圆心均在一个平面上，如步骤S1所述，建立世界坐标系，此时标准圆圆心位于世界坐标系的OXY平面...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴卓琦，
申请(专利权)人：江苏梓墨智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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