离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定方法及系统

1.本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定方法及系统。


背景技术：

2.随着现代光学技术的不断发展，离轴非球面光学元件具有大视场、无中心遮拦及像质接近衍射极限等优点，使其在空间光学、军事国防、高科技民用等领域的应用越来越广泛，针对离轴非球面元件加工过程中的在位测量检测阶段也提出了更高的精度要求。
3.目前，离轴非球面的测量方法主要有干涉测量法和坐标测量法。干涉测量法适用于离线检测阶段，需要加工制造补偿器，成本较高，不适合在位检测；坐标测量法可用于在位检测阶段，配合线激光扫描传感器沿x轴以固定步长的横移和转台的旋转，依次获取离轴非球面各弧形环域的点云数据，从而计算得到离轴非球面面型误差。
4.在离轴非球面的线激光扫描传感器检测中，线激光扫描传感器光刀垂直照射于工件表面，线激光扫描传感器在装夹过程中的位置和姿态误差对离轴非球面面型质量的测量结果有着较大的影响，通过人工调整的方法难以达到更高的精度。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定方法及系统，通过补偿提高线激光扫描传感器在离轴非球面检测中的测量精度。
6.本发明采用以下技术方案：
7.离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定方法，包括以下步骤：
8.s1、标定出绕y轴旋转造成的侧倾角度误差θy，得到线激光传感器各测量点坐标[x
′k,y
′k,z
′k]
t
的误差数学模型；
[0009]
s2、利用线激光传感器各测量点坐标[x
′k,y
′k,z
′k]
t
的误差数学模型，标定出绕 x轴旋转造成的俯仰角度误差θ
x
，得到线激光传感器各测量点坐标[x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差数学模型；
[0010]
s3、将线激光传感器光刀方向调整至对准转台中心以实现硬件调整，利用线激光传感器各测量点坐标[x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差数学模型，标定出绕z轴旋转造成的滚转角度误差θz，得到最终各测量点坐标[x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差补偿模型，实现误差补偿。
[0011]
具体的，线激光传感器各测量点坐标[x
′k,y
′k,z
′k]
t
的误差数学模型具体为：
[0012][0013]
其中，d为线激光传感器的光刀长度，n为线激光传感器光刀测量点数量，δd＝d/(n-1)为线激光传感器各测量点之间的距离，[xk,yk,zk]
t
为线激光传感器各测量点初始的
坐标，k＝1,2,
…
,n。
[0014]
进一步的，侧倾角度误差θy为：
[0015][0016]
其中，z1和zn分别为光刀两端的测量值。
[0017]
具体的，线激光传感器各测量点坐标[x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差数学模型为：
[0018][0019]
其中，[xk′
,yk′
,zk′
]
t
为代入侧倾角度误差θ
x
补偿后的线激光传感器各测量点坐标，k＝1,2,
…
,n，n为线激光传感器光刀测量点数量。
[0020]
进一步的，俯仰角度误差θ
x
为：
[0021][0022]
其中，zk′
和z
hk
′
分别为线激光传感器沿z向上升高度h前后标准量块表面的两组数据。
[0023]
具体的，硬件调整具体为：
[0024]
在转台坐标系下，使用线激光传感器扫描标准球的表面，得到一组数据 (x
ck
,y
ck
,z
ck
)，k＝1,2,
…
,n，利用最小二乘法，代入大于等于4个点的数据，求出标准球的球心(a,b,c)和半径r，确定转台中心点的x、y坐标(a,b)，光刀中间点的x、y坐标(x
cn/2
,y
cn/2
)，将线激光传感器分别沿x轴方向移动距离(x
cn/2-a)、沿y 轴方向移动距离(y
cn/2-b)，完成硬件调整过程，线激光传感器光刀方向调整至通过转台的中心，利用两端测量点的x、y坐标值得到绕z轴旋转造成的滚转角度误差θz。
[0025]
进一步的，最小二乘法的残差和f(a,b,c,r)具体为：
[0026][0027]
进一步的，最终各测量点坐标[x
″′k,y
″′k,z
″′k]
t
的误差补偿模型为：
[0028]
[x
″′k,y
″′k,z
″′k]
t
＝[x
″k,y
″k,z
″k]
t
+[-δd
×
(k-n/2)
×
(1-cosθz),δd
×
(k-n/2)
×
sinθz,0]
t
[0029]
其中，[x
″k,y
″k,z
″k]
t
为代入侧倾角度误差θ
x
补偿后的线激光传感器各测量点坐标，δd为线激光传感器2各测量点之间的距离，k＝1,2,
…
,n，n为线激光传感器光刀测量点数量。
[0030]
更进一步的，绕z轴旋转造成的滚转角度误差θz为：
[0031][0032]
其中，y
cn
和x
cn
分别为线激光传感器第n个测量点的纵坐标和横坐标。
[0033]
本发明的另一技术方案是，一种离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定系统，包括：
[0034]
侧倾误差模块，标定出绕y轴旋转造成的侧倾角度误差θy，得到线激光传感器各测量点坐标[x
′k,y
′k,z
′k]
t
的误差数学模型；
[0035]
俯仰误差模块，利用线激光传感器各测量点坐标[x
′k,y
′k,z
′k]
t
的误差数学模型，标定出绕x轴旋转造成的俯仰角度误差θ
x
，得到线激光传感器各测量点坐标 [x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差数学模型；
[0036]
位姿标定模块，将线激光传感器光刀方向调整至对准转台中心以实现硬件调整，利用线激光传感器各测量点坐标[x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差数学模型，标定出绕z 轴旋转造成的滚转角度误差θz，得到最终各测量点坐标[x
″′k,y
″′k,z
″′k]
t
的误差补偿模型，实现误差补偿。
[0037]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0038]
本发明一种离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定方法，使用线激光传感器扫描标准量块和标准球表面，标定出线激光传感器绕y轴旋转造成的侧倾角度误差、绕x轴旋转造成的俯仰角度误差、绕z轴旋转造成的滚转角度误差，将线激光传感器光刀方向调整至通过转台中心，并建立误差数学模型，通过补偿提高线激光扫描传感器在离轴非球面检测中的测量精度。操作方便，除标准量块和标准球外，不需要额外的设备，误差标定系统简单，具有较高的实用性和经济性，解决了无法准确得到传感器装夹过程中造成位置和姿态误差的问题，满足了离轴非球面元件在检测中更高测量精度的要求。
[0039]
进一步的，使用线激光传感器扫描得到沿z向上升高度h前后测得标准量块表面的两组数据，分别记为zk′
和z
hk
′
，k＝1,2,
…
,n；为减小随机误差带来的影响，利用所有点求平均值，并代入侧倾角度误差θy，计算得到俯仰角度误差θ
x
，并建立相应的误差数学模型完成补偿。
[0040]
进一步的，使用线激光传感器扫描标准量块表面的一组数据，利用两端测量点的数值差计算得到侧倾角度误差θy，完成侧倾角度误差θy的标定工作。
[0041]
进一步的，建立线激光传感器各测量点坐标[x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差数学模型，通过软件实现补偿，提高在离轴非球面检测中的测量精度。
[0042]
进一步的，使用线激光传感器沿z向上升高度h前后标准量块表面的两组数据计算得到侧倾角度误差θ
x
，完成侧倾角度误差θ
x
的标定工作。
[0043]
进一步的，进行硬件调整过程，在转台的坐标系下，使用线激光传感器扫描标准球表面，得到一组数据(x
ck
,y
ck
,z
ck
)，k＝1,2,
…
,n，利用最小二乘法，代入大于等于4个点的数据即可求出标准球的球心(a,b,c)和半径r，则转台中心点的x、y坐标为(a,b)，光刀中间点
的x、y坐标为(x
cn/2
,y
cn/2
)，将线激光传感器分别沿x轴方向移动距离(x
cn/2-a)、沿y轴方向移动距离(y
cn/2-b)，完成硬件调整过程，线激光传感器光刀方向调整至通过转台中心。
[0044]
进一步的，利用最小二乘法，在残差和公式f(a,b,c,r)中，代入大于等于4 个点的数据求出标准球的球心(a,b,c)和半径r，为后续滚转角度误差θz的标定工作做准备。
[0045]
进一步的，建立线激光传感器各测量点坐标[x
″′k,y
″′k,z
″′k]
t
的误差数学模型，通过软件实现补偿，提高在离轴非球面检测中的测量精度。
[0046]
进一步的，利用两端测量点的x、y坐标值得到绕z轴旋转造成的滚转角度误差θz，完成侧倾角度误差θz的标定工作。
[0047]
综上所述，本发明操作方便，除标准量块和标准球外，不需要额外的设备，误差标定系统简单，具有较高的实用性和经济性。
[0048]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0049]
图1为本发明线激光扫描离轴非球面示意图；
[0050]
图2为本发明绕y轴偏转及局部夸大示意图；
[0051]
图3为本发明绕x轴偏转及局部夸大示意图；
[0052]
图4为本发明沿z轴偏转及俯视夸大示意图。
[0053]
其中：1.转台；2.线激光扫描传感器；3.离轴非球面元件；4.标准量块；5. 标准球。
具体实施方式
[0054]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0055]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0056]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0057]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0058]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/ 层。
[0059]
本发明提供了一种离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定方法，使用线激光传感器分别扫描标准量块和标准球表面，分别标定出线激光传感器绕 y轴旋转造成的侧
倾角度误差、绕x轴旋转造成的俯仰角度误差以及绕z轴旋转造成的滚转角度误差，将线激光传感器2光刀方向调整至通过转台1中心，并建立误差模型，通过补偿提高线激光扫描传感器在离轴非球面检测中的测量精度。
[0060]
请参阅图1，在离轴非球面3的在位检测中，配合线激光扫描传感器2沿 x轴以固定步长的横移和转台1的旋转，线激光扫描传感器2光刀垂直照射于工件表面，依次获取离轴非球面3各弧形环域的点云数据，从而计算得到离轴非球面3的面型误差。
[0061]
请参阅图2、图3和图4，本发明一种离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定方法，使用线激光传感器2分别扫描标准量块4和标准球5表面，标定出线激光扫描传感器2在装夹过程中的位置和姿态误差，包括以下步骤：
[0062]
s1、标定出绕y轴旋转造成的侧倾角度误差θy，得到线激光传感器各测量点坐标[x
′k,y
′k,z
′k]
t
的误差数学模型；
[0063]
请参阅图2，测得线激光传感器2扫描标准量块4表面的一组数据，利用两端测量点的数值差得到侧倾角度误差θy为：
[0064][0065]
其中，d为线激光传感器的光刀长度，z1和zn分别为光刀两端的测量值；从 xoz面向y轴正方向观察，左倾为正，右倾为负。
[0066]
设[x
′
,y
′
,z
′
]
t
为代入侧倾角度误差θy补偿后的线激光传感器2各测量点坐标，则代入侧倾角度误差θy得到的误差数学模型如下：
[0067][0068]
其中，d为线激光传感器2的光刀长度，n为线激光传感器2光刀测量点数量，δd＝d/(n-1)为线激光传感器2各测量点之间的距离，k＝1,2,
…
,n。
[0069]
s2、在代入侧倾角度误差补偿模型的情况下，标定出绕x轴旋转造成的俯仰角度误差θ
x
，得到线激光传感器各测量点坐标[x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差数学模型；
[0070]
请参阅图3，同样将标准量块4放置与转台上，测得线激光传感器2沿z 向上升高度h前后，扫描标准量块4表面的两组数据，分别记为zk′
和z
hk
′
， k＝1,2,
…
,n。
[0071]
为减小随机误差带来的影响，对所有点求平均值，并代入侧倾角度误差θy，得到俯仰角度误差θ
x
为：
[0072][0073]
从xoz面向y轴正方向观察，俯角为正，仰角为负。
[0074]
设[x
″k,y
″k,z
″k]
t
为代入侧倾角度误差θ
x
补偿后的线激光传感器2各测量点坐标，k＝1,2,
…
,n，则代入侧倾角度误差θy得到的误差数学模型如下：
[0075][0076]
s3、将线激光传感器光刀方向调整至对准转台中心，并在代入俯仰角度误差补偿模型的情况下，标定出绕z轴旋转造成的滚转角度误差θz，得到最终各测量点坐标[x
″′k,y
″′k,z
″′k]
t
的误差补偿模型。
[0077]
请参阅图4，通过夹具将标准球5固定于与转台1中心，在离轴非球面3 检测中的线激光传感器2旋转扫描的方法中，本方法在硬件调整阶段，将线激光传感器2光刀方向调整至通过转台1中心；在软件误差补偿阶段，得到光刀方向与转台1坐标系x轴的滚转角度误差θz，对光刀的各点坐标值进行补偿。
[0078]
首先，进行硬件调整过程，在转台1的坐标系下，使用线激光传感器2扫描标准球5表面，得到一组数据(x
ck
,y
ck
,z
ck
)，k＝1,2,
…
,n，利用最小二乘法，公式如下，代入大于等于4个点的数据即可求出标准球5的球心(a,b,c)和半径r，则转台1中心点的x、y坐标为(a,b)，光刀中间点的x、y坐标为(x
cn/2
,y
cn/2
)，将线激光传感器2分别沿x轴方向移动距离(x
cn/2-a)、沿y轴方向移动距离(y
cn/2-b)，完成硬件调整过程，线激光传感器2光刀方向调整至通过转台1中心。
[0079][0080][0081]
然后，利用两端测量点的x、y坐标值得到绕z轴旋转造成的滚转角度误差θz为：
[0082][0083]
从而得到最终各测量点坐标[x
″′k,y
″′k,z
″′k]
t
的误差补偿模型为：
[0084]
[x
″′k,y
″′k,z
″′k]
t
＝[x
″k,y
″k,z
″k]
t
+[-δd
×
(k-n/2)
×
(1-cosθz),δd
×
(k-n/2)
×
sinθz,0]
t
[0085]
本发明再一个实施例中，提供一种离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定系统，该系统能够用于实现上述离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定方法，具体的，该离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定系统包括侧倾误差模块、俯仰误差模块以及位姿标定模块。
[0086]
其中，侧倾误差模块，标定出绕y轴旋转造成的侧倾角度误差θy，得到线激光传感器各测量点坐标[x
′k,y
′k,z
′k]
t
的误差数学模型；
[0087]
俯仰误差模块，利用线激光传感器各测量点坐标[x
′k,y
′k,z
′k]
t
的误差数学模型，
标定出绕x轴旋转造成的俯仰角度误差θ
x
，得到线激光传感器各测量点坐标 [x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差数学模型；
[0088]
位姿标定模块，将线激光传感器光刀方向调整至对准转台中心以实现硬件调整，利用线激光传感器各测量点坐标[x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差数学模型，标定出绕z 轴旋转造成的滚转角度误差θz，得到最终各测量点坐标[x
″′k,y
″′k,z
″′k]
t
的误差补偿模型，实现误差补偿。
[0089]
本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray， fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定方法的操作，包括：
[0090]
标定出绕y轴旋转造成的侧倾角度误差θy，得到线激光传感器各测量点坐标[x
′k,y
′k,z
′k]
t
的误差数学模型；利用线激光传感器各测量点坐标[x
′k,y
′k,z
′k]
t
的误差数学模型，标定出绕x轴旋转造成的俯仰角度误差θ
x
，得到线激光传感器各测量点坐标[x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差数学模型；将线激光传感器光刀方向调整至对准转台中心以实现硬件调整，利用线激光传感器各测量点坐标[x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差数学模型，标定出绕z轴旋转造成的滚转角度误差θz，得到最终各测量点坐标[x
″′k,y
″′k,z
″′k]
t
的误差补偿模型，实现误差补偿。
[0091]
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0092]
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：
[0093]
标定出绕y轴旋转造成的侧倾角度误差θy，得到线激光传感器各测量点坐标[x
′k,y
′k,z
′k]
t
的误差数学模型；利用线激光传感器各测量点坐标[x
′k,y
′k,z
′k]
t
的误差数学模型，标定出绕x轴旋转造成的俯仰角度误差θ
x
，得到线激光传感器各测量点坐标[x
″′k,y
″′k,z
″′k]
t
的误差数学模型；将线激光传感器光刀方向调整至对准转台中心以实现硬件调整，利用线激光传感器各测量点坐标[x
″k,y
″k,z
″k]
t
的误差数学模型，标定出绕z轴旋转造成的滚转角度误差θz，得到最终各测量点坐标[x
″′k,y
″′k,z
″′k]
t
的误差补偿模型，实现误差补偿。
[0094]
综上所述，本发明一种离轴非球面检测用线激光传感器位姿误差标定方法及系统，通过补偿提高线激光扫描传感器在离轴非球面检测中的测量精度，操作方便，除标准量块和标准球外，不需要额外的设备，误差标定系统简单，具有较高的实用性和经济性，解决了无法准确得到传感器装夹过程中造成的位置和姿态误差的问题，满足了离轴非球面元件在检测中更高测量精度的要求。
[0095]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。