激光雷达转台与机械臂联合标定方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及激光雷达转台与机械臂联合标定方法，所述激光雷达转台包含有基座、可相对于基座旋转的旋转平台以及与旋转平台固连的激光雷达本体；所述机械臂一端为机械臂基座，另一端为机械臂末端法兰，所述机械臂的一端相较于机械臂基座能旋转，机械臂末端法兰可绕机械臂末端转动，所述机械臂末端法兰上安装柱状标定治具；本标定方法需将标定治具安装于机械臂末端法兰，柱状标定治具方向与机械臂末端法兰坐标系第一坐标轴同向，同时该标定治具处于状态转台激光雷达测量视野范围内；本发明专利技术可以不依赖高精度激光雷达与特定场地、精密治具的联合标定方法，达到相同精度的标定效果；采用此方法标定的机器人共实际完成作业超过1700余次。余次。余次。

【技术实现步骤摘要】
激光雷达转台与机械臂联合标定方法及装置


[0001]本专利技术属于雷达标定
，尤其涉及激光雷达转台与机械臂联合标定方法及装置。

技术介绍

[0002]激光测量技术是近年来迅速发展、快速应用的测量测绘技术。该技术的典型产品(激光雷达)广泛使用在如航空测绘、自动驾驶等工业领域。相比传统测量测绘技术，激光雷达具有数据量大，使用方便，生产效率高等特点；相比图像摄影测量技术，其具有分辨率高、精度高等特点，所以具有较强的不可替代性。
[0003]受制于激光雷达设备的生产调校工艺(主要依赖人工完成)，高线数激光雷达的成本高、价格昂贵，一定程度上限制了其应用；低线数激光雷达虽然价格便宜，但其测量视场角窄，测量范围受限，适用场景少。所以现有技术(CN109188369A)中提供了一种低线数激光雷达与旋转平台相结合的方法，大大扩展了低线数激光雷达的测量范围。
[0004]激光雷达涉及激光雷达本体及转台两个部件的装配，由于加工误差和安装误差的存在，理论上难以较为精确的获知激光雷达与转台之间的相对位姿关系；为实现当转台旋转进行扫描测量时，将激光雷达本体坐标系测量的点精确变换到转台坐标系中，必须事先对激光雷达与转台之间的相对位姿关系进行严格标定。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0006]激光雷达转台与机械臂联合标定方法，所述激光雷达转台包含有基座、可相对于基座旋转的旋转平台以及与旋转平台固连的激光雷达本体；所述机械臂一端为机械臂基座，另一端为机械臂末端法兰，所述机械臂的一端相较于机械臂基座能旋转，机械臂末端法兰可绕机械臂末端转动，所述机械臂末端法兰上安装柱状标定治具；
[0007]该标定方法包括以下步骤：
[0008]控制机械臂到达第m位姿，将激光雷达转台旋转至第n角度，获取激光雷达观测点数据P
L
，从观测点数据P
L
中筛选出符合标定治具的观测点，表示为P
LS
，并通过位姿变换得到P
WS
；此时标定治具坐标系原点在机械臂基座坐标系下的坐标可由机械臂状态获取，记为P
WA
，则由激光雷达测量标定治具的方向向量可以表示为V
L
，V
L
＝P
WS
‑
P
WA
；
[0009]定义标定治具自身的方向为自身坐标系第一坐标轴，表示为V
C
，则标定治具的计算方向向量表示为V
T
，V
T
＝T4*T5*V
C
；其中，T4为第四位姿变换，T5为第五位姿变换，定义机械臂末端法兰坐标系与机械臂基座坐标系的相对位置关系为第四位姿变换，定义标定治具坐标系到机械臂末端法兰坐标系的相对位置关系为第五位姿变换；
[0010]由于所述第一位姿变换、第三位姿变换与第五位姿变换的不准确性，标定治具的观测方向向量V
L
与标定治具的计算方向向量的V
T
有一定距离，记为D(P
L
,V
T
)；
[0011]建立优化问题，以距离D为优化目标，循环的进行上述步骤对筛选阈值TH
V
、第一位
姿变换T1、第三位姿变换T3、第五位姿变换T5完成由粗到精的迭代优化，完成对第一位姿变换、第三位姿变换和第五位姿变换的精确值的计算，即完成激光雷达转台与机械臂的联合标定。
[0012]柱状标定治具方向与机械臂末端法兰坐标系第一坐标轴同向，同时柱状标定治具处于激光雷达转台测量视野范围内。
[0013]从观测点数据P
L
中筛选出符合标定治具的观测点时的筛选方法为：计算观测点P
WL
至机械臂末端法兰中心P
WE
的距离方向向量v
se
＝P
WE
‑
P
WL
，当d
se
小于标定治具长度L
T
的1/2且方向差距V
d
＝v
se
×
V
T
小于筛选阈值THV时，则认定此观测点为有效观测点；其中，P
WL
为观测点数据P
L
通过位姿变换得到。
[0014]从观测点数据P
L
中筛选出符合标定治具的观测点，表示为P
LS
，并通过位姿变换得到P
WS
的方法为：
[0015]P
WS
＝T3*T2*T1*P
LS
；其中，T1为第一位姿变换，T2为第二位姿变换，T3为第三位姿变换，定义激光雷达坐标系与旋转平台坐标系之间的相对位置关系为第一位姿变换，定义旋转平台坐标系与旋转平台基座坐标系之间的相对位置关系为第二位姿变换；定义旋转平台基座坐标系与机械臂基座坐标系之间的相对位置关系为第三位姿变换。
[0016]建立优化问题，以距离D为优化目标，对所述第一位姿变换T1、第三位姿变换T3和第五位姿变换T5进行优化：
[0017][0018]激光雷达转台与机械臂联合标定装置，包括：
[0019]由激光雷达测量标定治具的方向向量获取模块，用于控制机械臂到达第m位姿，将激光雷达转台旋转至第n角度，获取激光雷达观测点数据P
L
，从观测点数据P
L
中筛选出符合标定治具的观测点，表示为P
LS
，并通过位姿变换得到P
WS
；此时标定治具坐标系原点在机械臂基座坐标系下的坐标可由机械臂状态获取，记为P
WA
，则由激光雷达测量标定治具的方向向量可以表示为V
L
，V
L
＝P
WS
‑
P
WA
；
[0020]标定治具的计算方向向量获取模块，用于定义标定治具自身的方向为自身坐标系第一坐标轴，表示为V
C
，则标定治具的计算方向向量表示为V
T
，V
T
＝T4*T5*V
C
；其中，T4为第四位姿变换，T5为第五位姿变换，定义机械臂末端法兰坐标系与机械臂基座坐标系的相对位置关系为第四位姿变换，定义标定治具坐标系到机械臂末端法兰坐标系的相对位置关系为第五位姿变换；
[0021]标定治具的观测方向向量与标定治具的计算方向向量距离获取模块，用于由于所述第一位姿变换、第三位姿变换与第五位姿变换的不准确性，标定治具的观测方向向量V
L
与标定治具的计算方向向量的V
T
有一定距离，记为D(P
L
,V
T
)；
[0022]优化求解模块，用于建立优化问题，以距离D为优化目标，循环的进行上述步骤对筛选阈值TH
V
、第一位姿变换T1、第三位姿变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.激光雷达转台与机械臂联合标定方法，其特征在于，所述激光雷达转台包含有基座、可相对于基座旋转的旋转平台以及与旋转平台固连的激光雷达本体；所述机械臂一端为机械臂基座，另一端为机械臂末端法兰，所述机械臂的一端相较于机械臂基座能旋转，机械臂末端法兰可绕机械臂末端转动，所述机械臂末端法兰上安装柱状标定治具；该标定方法包括以下步骤：控制机械臂到达第m位姿，将激光雷达转台旋转至第n角度，获取激光雷达观测点数据P
L
，从观测点数据P
L
中筛选出符合标定治具的观测点，表示为P
LS
，并通过位姿变换得到P
WS
；此时标定治具坐标系原点在机械臂基座坐标系下的坐标可由机械臂状态获取，记为P
WA
，则由激光雷达测量标定治具的方向向量可以表示为V
L
，V
L
＝P
WS
‑
P
WA
；定义标定治具自身的方向为自身坐标系第一坐标轴，表示为V
C
，则标定治具的计算方向向量表示为V
T
，V
T
＝T4*T5*V
C
；其中，T4为第四位姿变换，T5为第五位姿变换，定义机械臂末端法兰坐标系与机械臂基座坐标系的相对位置关系为第四位姿变换，定义标定治具坐标系到机械臂末端法兰坐标系的相对位置关系为第五位姿变换；由于所述第一位姿变换、第三位姿变换与第五位姿变换的不准确性，标定治具的观测方向向量V
L
与标定治具的计算方向向量的V
T
有一定距离，记为D(P
L
,V
T
)；建立优化问题，以距离D为优化目标，循环的进行上述步骤对筛选阈值TH
V
、第一位姿变换T1、第三位姿变换T3、第五位姿变换T5完成由粗到精的迭代优化，完成对第一位姿变换、第三位姿变换和第五位姿变换的精确值的计算，即完成激光雷达转台与机械臂的联合标定。2.根据权利要求1所述的激光雷达转台与机械臂联合标定方法，其特征在于，柱状标定治具方向与机械臂末端法兰坐标系第一坐标轴同向，同时柱状标定治具处于激光雷达转台测量视野范围内。3.根据权利要求1所述的激光雷达转台与机械臂联合标定方法，其特征在于，从观测点数据P
L
中筛选出符合标定治具的观测点时的筛选方法为：计算观测点P
WL
至机械臂末端法兰中心P
WE
的距离方向向量v
se
＝P
WE
‑
P
WL
，当d
se
小于标定治具长度L
T
的1/2且方向差距V
d
＝v
se
×
V
T
小于筛选阈值THV时，则认定此观测点为有效观测点；其中，P
WL
为观测点数据P
L
通过位姿变换得到。4.根据权利要求1所述的激光雷达转台与机械臂联合标定方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张黎明，翟世雄，胡益菲，张奇，司威，于洁，白玉苓，张雨蔚，刘倞，郭世琦，于进汇，宋绍江，
申请(专利权)人：国网天津市电力公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：