专利名称：基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法
基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法技术领域
本发明属于精密测量方法，特别涉及一种基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法。具体讲，涉及基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法。
背景技术：
线结构光视觉传感器主要由线结构光投射器(线型激光器)和摄像机组成，结构简单、体积小、重量轻、成本较低，而且校准方便，具有较高的测量精度，因此在工业视觉测量各领域有着广泛的应用。尤其是基于工业机器人的柔性测量系统中，出于运动和空间等方面的考虑，相比较立体(双目或多目)视觉传感器而言，线结构光视觉传感器更显示出突出的优势。
对于柔性测量系统，每台机器人通常只配置一个线结构光视觉传感器，根据其测量原理，理论上只能实现结构光光平面上点的定位测量。实际应用中待测特征多种多样，如棱线、圆孔(或椭圆孔)、方孔(或长方孔)、基准球等，目前基于线结构光视觉传感器实现棱线、圆孔(或椭圆孔)、方孔(或长方孔)等特征的测量方法已较为成熟。对于基准球定位测量来说，若结构光光平面与基准球最大圆截面正好相交，截面圆圆心即为基准球球心，则根据线结构光视觉传感器的测量模型及空间圆拟合算法可以实现其定位测量。但此条件一般无法保证，因此对于通常结构光光平面与基准球相交截面不是最大圆截面的情况，仍缺乏有效的基于线结构光视觉传感器实现基准球的定位测量方法。
此外，柔性测量系统以工业机器人为运动平台，一般的工业机器人其重复性定位精度较高，但绝对定位误差较大。而且随着机器人运动，其各关节电机会产生大量热量，导致关节长度等参数发生明显变化。由于关节温度场的分布极其复杂，建立精确温度场分布模型进行参数计算比较困难，所以通常都采用借助外部辅助装置对机器人进行校准补偿的方法。其中，基准球作为一种空间几何对称的特征对象，对视觉传感器的测量姿态无严格要求，是机器人温度补偿校准中的理想辅助装置，提供定点物理约束。因此，基于线结构光视觉传感器实现基准球的定位测量至关重要。发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种基于线结构光视觉传感器实现基准球的定位测量方法，满足柔性测量系统中同一线结构光视觉传感器同时具备测量空间圆孔、棱线和基准球等多种特征的能力要求，也满足机器人温度补偿校准中基准球的定位测量需要，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法，包括下列步骤:
在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条；
采集经基准球面调制的圆弧光条图像，并进行光条提取；
根据线结构光视觉传感器测量模型，计算圆弧光条的三维坐标，进行空间相交截面圆拟合，确定截面圆圆心O1及其半径R1 ；
根据线结构光视觉传感器的标定参数，确定结构光光平面的法向矢量R:由于空间截面圆平面与结构光光平面本质上为同一平面，则结构光光平面的法向矢量R即为截面圆平面的法向矢量I7,，该法向矢量表征了基准球球心Otl相对光平面与基准球面相交空间截面圆圆心O1的偏移方向；
利用给定的基准球半径Rtl及已求得的截面圆半径&，求得空间截面圆圆心O1相对基准球球心Otl的偏移量1，结合偏移方向^，即可计算基准球球心Otl,从而实现基准球的定位测量。
与基准球面相交形成圆弧状光条具体为:摄像机及线激光投射器交向摆放组成线结构光视觉传感器，测量时，在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条。
进行光条提取后步骤进一步具体为:
建立线结构光视觉传感器的数学模型:假设三维笛卡尔世界坐标系为0w_Xwywzw，摄像机坐标系为
权利要求
1.一种基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法，其特征是，包括如下步骤: 在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条； 采集经基准球面调制的圆弧光条图像，并进行光条提取； 根据线结构光视觉传感器测量模型，计算圆弧光条的三维坐标，进行空间相交截面圆拟合，确定截面圆圆心O1及其半径R1 ； 根据线结构光视觉传感器的标定参数，确定结构光光平面的法向矢量t:由于空间截面圆平面与结构光光平面本质上为同一平面，则结构光光平面的法向矢量t即为截面圆平面的法向矢量g，该法向矢量表征了基准球球心Otl相对光平面与基准球面相交空间截面圆圆心O1的偏移方向； 利用给定的基准球半径Rtl及已求得的截面圆半径R1,求得空间截面圆圆心O1相对基准球球心Otl的偏移量1，结合偏移方向^，即可计算基准球球心Otl,从而实现基准球的定位测量。
2.如权利要求1所述的基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法，其特征是，与基准球面相交形成圆弧状光条具体为:摄像机及线激光投射器交向摆放组成线结构光视觉传感器，测量时，在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条。
3.如权利要求1所述的基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法，其特征是，进行光条提取后步骤进一步具体为: 建立线结构光视觉传感器的数学模型:假设三维笛卡尔世界坐标系为0w-Xwywzw，摄像机坐标系为0ε-χεγεζ。，其中O。为摄像机光学中心，X。、y。轴分别与摄像机像面中列、行增加方向一致，Zc轴为摄像机光轴，垂直于摄像机光轴，距离O。为I处建立摄像机归一化像平面π n，并以π n与光轴的交点On为坐标原点，xn> yn轴分别与X。、yc轴平行建立归一化像平面坐标系0n-xnyn ;将摄像机坐标系作为传感器测量坐标系，则线结构光视觉传感器的数学模型可以用摄像机坐标系下激光投射光平面η3的方程来表示； 设光平面n s上任 意一点Ps在摄像机坐标系下的坐标为P。= (xc, yc, z。)1，相应的齐次坐标为,>c, ze, if,则在摄像机坐标系下光平面Jis的一般式方程可表示为 B Pc =0(!) 其中光平面π s的方程系数B = (a, b, c，d)，a、b、C、d为线结构光视觉传感器的结构参数，通过传感器校准精确标定； 设光平面的法向矢量为g，根据一般式平面方程表示含义，t可由光平面的一般式方程系数构建，即 Vs =(a ,b, c)(2) 若Ps在归一化像平面π η上的理想投影点为Ρη，则Ps、Oc和Pn三点共线，设Pn在归一化像平面坐标系下的齐次坐标为il =( V ι)τ，该直线方程可表示为
全文摘要
本发明属于精密测量方法。本满足柔性测量系统中同一线结构光视觉传感器同时具备测量空间圆孔、棱线和基准球等多种特征的能力要求，也满足机器人温度补偿校准中基准球的定位测量需要，本发明采取的技术方案是，基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法，包括下列步骤在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条；采集经基准球面调制的圆弧光条图像，并进行光条提取；利用给定的基准球半径R0及已求得的截面圆半径Rl，计算基准球球心O0，从而实现基准球的定位测量。本发明主要应用于基准球的定位测量。
文档编号G01B11/00GK103175470SQ20131006598
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月1日 优先权日2013年3月1日
发明者吴斌, 薛婷, 邾继贵 申请人:天津大学