一种基于标准平面的线激光测量系统标定方法与流程

本发明属于非接触式测量技术领域，具体涉及一种基于标准平面的线激光测量系统标定方法。

背景技术：

航空航天类发动机是飞行器动力的来源，也是飞行器的核心部件。发动机叶片的质量直接影响发动机的性能，是研究制造高性能航空航天发动机设备的关键。叶片具有结构复杂、加工困难、加工质量要求高、对发动机性能影响大等特点，而在叶片的生产加工的各个阶段,均需要对叶片的型面和尺寸进行检测，才能保证其加工精度和质量。激光测量等非接触式测量方法是进行快速精确测量的常用手段，使用线激光传感器扫描测量则更能大大提高测量效率，但也会导致测量坐标系标定过程复杂程度的增加，而测量坐标系的标定直接影响着整个测量系统的精度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于标准平面的线激光测量系统标定方法，以解决现有标定方法复杂、重建标定特征难度大、标定结果不精确的问题。

本发明采用以下技术方案，一种基于标准平面的线激光测量系统标定方法，包括以下步骤：

步骤一、将线激光传感器和数控移动平台进行连接以形成测量系统，并执行初始化参数，将选取好的四面体标定工件安装在测量系统内；

步骤二、通过线激光传感器坐标系CS中的待标定坐标轴和其在世界坐标系CW中的非对应坐标轴建立标定坐标系CC；

步骤三、通过线激光传感器获取标定工件在线传感器坐标系CS中的点云数据Cp；

步骤四、通过步骤三中的点云数据Cp计算得出标定坐标系CC下的标定参数P1、P2；

步骤五、将步骤四中的标定参数P1、P2及标定模型计算得出待标定坐标轴的方向向量；

步骤六、沿线激光传感器坐标系CS中的另一待标定坐标轴方向移动线激光传感器，并重复执行步骤二至步骤五，得出另一待标定坐标轴的方向向量。

进一步地，步骤四具体通过以下方法实现：

2.1)通过拐点识别方法在点云数据Cp中，提取分别处于标定工件的三个标定平面内的对应的线段a、b、c；

2.2)分别通过线段a、b、c或其延长线与待标定坐标轴得出其交点a1、b1，c1，并分别通过交点a1、b1、c1与线传感器坐标系CS的原点的距离，得出交点a1、b1，c1在标定坐标系CC中的坐标；

2.3)将线激光传感器沿待标定坐标轴在标定坐标系CC中的非对应坐标轴平面移动一定距离，重复执行步骤2.1)和2.2)，得出交点a2、b2，c2后，再次将线激光传感器沿待标定坐标轴在标定坐标系CC中的非对应坐标轴平面移动Δ距离，重复执行步骤2.1)和2.2)，得出交点a3、b3，c3；

2.4)通过步骤2.3)得出的交点a1、a2、a3得出标定平面A，通过交点b1、b2、b3得出标定平面B，通过交点c1、c2、c3得出标定平面C，并通过标定平面A、B、C的交点在标定坐标系CC中的坐标值得出标定参数P1；

2.5)将线激光传感器沿待标定坐标轴移动一定距离，重复执行步骤2.1)至步骤2.4)，得出标定参数P2；

进一步地，步骤五具体方法为：

其中为P1在世界坐标系CW中的齐次坐标，为P2在世界坐标系CW中的齐次坐标，

另外存在关系：

其中R为旋转矩阵，且R满足线激光传感器坐标系中带标定坐标轴等与其在世界坐标系中的对应轴与R的乘积，为P1在标定坐标系CC中坐标的齐次坐标，为P2在标定坐标系CC中坐标的齐次坐标，矩阵T1和T2为平移矩阵，其中

通过公式①②可知，

当

通过公式③得出，

由上述可知，因此得出指定为(0,y’,z’)，y’＝y1’-y2’,z’＝z1’-z2’，其中

由此得出，

其中，且平行于待标定坐标轴的世界坐标系中的对应轴，

因此，四维向量中的前三个坐标值，即为待标定坐标轴在世界坐标系中的方向向量。

进一步地，距离Δ为10mm。

进一步地，标定工件的三个标定平面的公差均小于等于0.01。

本发明的有益效果是：通过使用简单易加工的几何形状特征作为标准件和简单的标定过程，能快速精确地标定线激光传感器坐标系在测量坐标系的位姿，标定对象简单，易于制造和测量，标定过程简单，重复性强，标定原理模型基于简单的几何变换，求解过程简单，可靠性强，系统误差小，且具有较高的适应性，可用于多种传感器标定过程，规避了标定方法复杂、重建标定特征难度大、标定结果不精确等问题，从而在实际应用中将可能的误差降到了最小，提高了测量系统的效率和精度。

【附图说明】

图1为本发明一种基于标准平面的线激光测量系统标定方法的流程图；

图2为本发明中的标定工件的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种基于标准平面的线激光测量系统标定方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、将线激光传感器和数控移动平台进行连接，将选取好的四面体标定工件安装在测量系统内，并执行初始化参数和坐标归零；

四面体标定工件应保证其三个标定平面A、B、C均都在测量系统的量程范围内，且其公差均小于等于0.01，同时每个标定平面反射均不明显，其在传感器中成像清晰，另外，三个标定平面与当前待标定轴均有较大夹角；

步骤二、通过线激光传感器坐标系CS中的待标定坐标轴和其在世界坐标系CW中的非对应坐标轴建立标定坐标系CC；

线激光传感器的坐标系Cs为二维坐标系Xs-Zs，世界坐标系Cw由数控移动平台的运动轴确定，表示为X-Y-Z，两个坐标系中，Xs对应Y轴，Zs轴对应X轴。

坐标测量系统的测量工作是通过一系列的坐标转换完成的。首先是测量探头所采集到的线激光传感器坐标系Cs的数据，通过标定线激光传感器坐标系Cs与世界坐标系Cw的空间关系后，转换到世界坐标系Cw中，然后再根据情况转换至零件坐标系中以形成完整的点云数据。因此，测量系统的标定工作就是确定线激光传感器坐标系Cs各个坐标轴及其原点在测量坐标系中的向量坐标。

测量系统的标定工作分为两个部分：标定特征和标定模型。其关系以及标定工作流程可表示为其中是以向量表示的标定结果(原点或者坐标轴方向)；f为标定模型确定的向量函数，根据标定参数输出标定目标的向量坐标；g由标定特征决定，用于根据输入的Cp重建标定特征并获取标定参数；Cp为标定用测量点云数据。

标定特征的选取：

标定特征是具有某种已知标准几何或空间位置特征的测量对象。作为标定计算的基准物体。如在线激光传感器设计过程中的内参数标定使用棋盘格作为标定特征，在一些传感器外参数标定方法中使用标准球面(球心坐标参数)、标准球截面圆(截面球心距参数或截面圆半径参数)、标准平面(平面倾角参数)甚至一定反光特性材料拉成的丝线阵列(线面交点坐标参数)等作为标定特征。这些标定特征往往不同程度地存在以下缺陷：

特征本身的畸变：诸如球面和球的截面圆等特征，在未标定的测量系统中，对标定对象的测量必然会发生畸变，这种情况下输入标定模型f()的参数往往会附带系统偏差，导致标定结果不准确。

特征难以精确测量：部分特征如丝线本身就难以测量，其结果往往受环境和测量角度限制大，获取的点云数据可能无法有效重建出该标定特征。

对标定特征本身摆放姿态的要求：部分标定方法如平面法不仅要求平面本身具有高平面度，同时也有严格的空间位置要求，这使得标定工作的准备更加复杂，特别是对于一些可拆卸的小型测量系统，额外的标定件安装位置要求会使得工作效率大大降低。

本发明针对以上三个问题提出以四面体作为标定特征，从理论上完全规避了以上三个问题，在实际应用中将可能的误差降到了最小。

方法以四面体的三个可测量标准平面作为标定对象并获取其点云数据，仅使用待标定轴的测量数据和其非对应测量坐标系坐标轴的数据，获取三平面的参数表示以三个标定平面的共同交点坐标作为标定参数，并将其输入测量模型函数f()。该过程中标定特征几何形状的畸变并不会给标定参数带来额外的误差，平面特征易于测量，而且对标定时物件的摆放姿态也没有过多要求。

步骤三、通过线激光传感器获取所述标定工件在所述线传感器坐标系CS中的点云数据Cp；在本方法中，每一个Cp中的待标定轴在Cw中都有一个对应坐标轴，

步骤四、通过步骤三中的所述点云数据Cp计算得出标定坐标系CC下的标定参数P1、P2；

其具体通过以下方法实现：

2.1)通过拐点识别方法在所述点云数据Cp中，提取分别处于所述标定工件的三个标定平面内的对应的线段a、b、c；

2.2)通过所述线段a、b、c或其延长线与所述待标定轴得出其交点a1、b1，c1，并分别通过所述交点a1、b1、c1与所述线传感器坐标系CS的原点的距离，得出所述交点a1、b1，c1在所述标定坐标系CC中的坐标；

2.3)将线激光传感器沿所述待标定坐标轴在标定坐标系CC中的非对应坐标轴平面移动一定距离，优选距离为Δ，重复执行步骤2.1)和2.2)，得出交点a2、b2，c2后，再次将线激光传感器沿所述待标定坐标轴在标定坐标系CC中的非对应坐标轴平面移动一定距离，优选移动距离为Δ，重复执行步骤2.1)和2.2)，得出交点a3、b3，c3；利用Cp计算标定参数；

2.4)通过步骤2.3)得出的交点a1、a2、a3确定出标定平面A，通过交点b1、b2、b3确定标定平面B，通过交点c1、c2、c3确定标定平面C，标定平面A、B、C的交点在标定坐标系CC中的坐标值为标定参数P1；

2.5)将线激光传感器沿待标定坐标轴移动Δ距离，重复执行步骤2.1)至步骤2.4)，得出标定参数P2；

步骤五、将步骤四中的标定参数P1、P2及标定模型f()，即计算得出待标定坐标轴的方向向量，

根据标定模型计算待标定轴的向量的具体方法为：

以Zs的标定为例，存在关系将四面体标定件摆放在沿X轴(Zs轴的对应轴)方向取的两个相距Δ的测量位置(通过移动传感器沿X轴移动实现)，分别在以Y-Z-Zs为基础建立的标定坐标系Cc作为测量基准，完成对标定特征的测量，得到点数据Cp，此时可知，P1、P2的实际坐标在世界坐标系Cw下的齐次坐标为在标定测量过程中得到的齐次坐标为而存在关系：

其中为P1在世界坐标系CW中的齐次坐标，为P2在世界坐标系CW中的齐次坐标，

另外存在关系：

其中R为旋转矩阵，且R满足存在关系为P1在标定坐标系CC中坐标的齐次坐标，即为P2在标定坐标系CC中坐标的齐次坐标，即矩阵T1和T2为平移矩阵，其中

通过公式①②可知，

当

通过公式③得出，

由上述可知，因此得出指定为(0,y’,z’)，y’＝y1’-y2’,z’＝z1’-z2’，其中R′为旋转矩阵R的非齐次形式，

由此得出，

其中，且平行于因此，四维向量中的前三个坐标值，即为待标定坐标轴在世界坐标系中的方向向量。

因此，对任意传感器坐标系中的坐标轴，标定模型可以概括为下式：

其中Ai为待标定坐标轴，为沿待标定轴的对应轴方向的位移向量，则为其中为基于标定坐标系Cc建立的三维向量，其对应轴上的坐标置0，非对应轴上的坐标取特征点上对应的坐标值。

步骤六、沿线激光传感器坐标系CS中的另一待标定坐标轴方向移动线激光传感器，并重复执行步骤二至步骤五，得出另一待标定坐标轴的方向向量。

对于Xs轴的标定同理，标定坐标系Cc是基于X-Z-Xs并将置为(0,Δ,0,0)即可。

上述的距离Δ其具体值为10mm。