[發(fā)明專利]柔性布局的視覺輔助激光振鏡掃描系統(tǒng)及其現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710542766.6
• 申請(qǐng)日: 2017-07-05
• 公開（公告）號(hào): CN107449374B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 涂俊超;張麗艷;王敏剛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/25
• 分類號(hào): G01B11/25;G06T7/70;G06T7/80
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 賀翔

1.一種柔性布局的視覺輔助激光振鏡掃描系統(tǒng)，其特征在于：包括激光振鏡掃描系統(tǒng)、視覺定位裝置和校準(zhǔn)裝置；

所述的視覺定位裝置為一個(gè)雙目立體視覺系統(tǒng)；

所述的激光振鏡掃描系統(tǒng)包括一個(gè)激光掃描振鏡、一個(gè)激光發(fā)射器、一個(gè)控制板卡、一個(gè)電腦主機(jī)；

所述的雙目立體視覺系統(tǒng)包括左、右兩個(gè)工業(yè)相機(jī)、相機(jī)固定裝置、與振鏡掃描系統(tǒng)共用的電腦主機(jī)；

所述的校準(zhǔn)裝置為一塊校準(zhǔn)平板，校準(zhǔn)平板的一面為間距已知的黑色圓形陣列標(biāo)準(zhǔn)模板圖案，另一面為適合激光光斑成像的光滑平面。

2.一種柔性布局的視覺輔助激光振鏡掃描系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行激光定位投影的區(qū)域的幅面大小以及雙目立體視覺系統(tǒng)相對(duì)投影區(qū)域的遠(yuǎn)近選擇合適的相機(jī)鏡頭，并通過調(diào)節(jié)相機(jī)固定裝置與鏡頭調(diào)焦裝置使得被投影區(qū)域清晰的出現(xiàn)在兩相機(jī)公共視場(chǎng)的中央?yún)^(qū)域；

步驟二，標(biāo)定調(diào)節(jié)好的雙目立體視覺系統(tǒng)，并將標(biāo)定參數(shù)保存；

步驟三，通過向激光振鏡掃描系統(tǒng)輸入一系列數(shù)字控制信號(hào)D_k,k＝1,2,…N，使得激光振鏡掃描系統(tǒng)在雙目立體視覺系統(tǒng)的視場(chǎng)中投射出由N條激光線l_k,k＝1,2,…N，構(gòu)成的激光束；

步驟四，將校準(zhǔn)裝置中的平板放置在激光束投射覆蓋區(qū)域內(nèi)，并讓噴有啞光漆的光面面向相機(jī)，沿激光投射方向移動(dòng)平板，在激光束投射覆蓋區(qū)域前后兩個(gè)位置處分別形成兩個(gè)具有N個(gè)光斑的光斑點(diǎn)陣，同時(shí)控制雙目立體視覺系統(tǒng)拍攝平板上形成的光斑點(diǎn)陣，記左右相機(jī)在位置一處拍攝到的光斑點(diǎn)陣圖像為與在位置二處拍攝到的光斑點(diǎn)陣圖像為與

步驟五，根據(jù)步驟四拍攝到的圖像與由雙目立體視覺算法計(jì)算得到兩個(gè)不同位置處平板上的光斑點(diǎn)陣中第k個(gè)數(shù)字控制信號(hào)D_k對(duì)應(yīng)的光斑中心在雙目系統(tǒng)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)與

步驟六，根據(jù)激光振鏡掃描系統(tǒng)模型，計(jì)算出步驟三中輸入的控制數(shù)字信號(hào)D_k,k＝1,2,…N在原激光振鏡系統(tǒng)坐標(biāo)系A(chǔ)中的激光射線向量其中表示激光射線方向向量，表示激光射線經(jīng)過的一點(diǎn)空間坐標(biāo)；

步驟七，記現(xiàn)場(chǎng)所使用的雙目立體視覺系統(tǒng)的坐標(biāo)系為B，坐標(biāo)系A(chǔ)相對(duì)于坐標(biāo)系B的旋轉(zhuǎn)矩陣為R，根據(jù)步驟五中獲得的坐標(biāo)系B中的空間點(diǎn)坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)矩陣R可以表示出控制數(shù)字信號(hào)D_k所對(duì)應(yīng)的激光射線在坐標(biāo)系B中的射線向量為其中方向向量再通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，估計(jì)出坐標(biāo)系A(chǔ)相對(duì)于坐標(biāo)系B的旋轉(zhuǎn)矩陣R的初值R₀，其中坐標(biāo)系B中的空間點(diǎn)坐標(biāo)到控制數(shù)字信號(hào)D_k所對(duì)應(yīng)的激光射線的距離

步驟八，令坐標(biāo)系A(chǔ)的原點(diǎn)在坐標(biāo)系B中的坐標(biāo)為T＝(X,Y,Z)^T，控制數(shù)字信號(hào)D_k在坐標(biāo)系B中所對(duì)應(yīng)的激光射線向量中經(jīng)過的一點(diǎn)空間坐標(biāo)在坐標(biāo)系B中激光射線向量過點(diǎn)構(gòu)建方程組當(dāng)k＝1,2,…,N變化共得到N個(gè)類似的方程組，聯(lián)立這N個(gè)方程組求最小二乘解得到T的初值T₀；

步驟九，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)利用步驟七中求出的旋轉(zhuǎn)矩陣R₀與步驟八中求出的平移向量初值T₀作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)時(shí)旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量的初值，估計(jì)出坐標(biāo)系A(chǔ)相對(duì)于坐標(biāo)系B之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系R與T，其中借助求出的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系R與T,便確定了控制數(shù)字信號(hào)D_k對(duì)應(yīng)的激光射線在現(xiàn)場(chǎng)雙目立體視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系B中的向量為其中方向向量射線上一點(diǎn)空間坐標(biāo)

步驟十，將自主設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)平板放置在雙目相機(jī)視場(chǎng)中央，并讓印有黑色圓形陣列標(biāo)準(zhǔn)模板圖案的這一面面向相機(jī)，運(yùn)用雙目立體視覺算法計(jì)算得到圖案中的黑色圓中心在坐標(biāo)系B的空間坐標(biāo)C_i,i＝1,2,…,M，其中M為模板圖案中黑色圓的總數(shù)，以控制數(shù)字量作為搜索初值，設(shè)置初始搜索步長(zhǎng)為S進(jìn)行遞歸搜索，直到黑色圓中心C_i到控制數(shù)字量D_i對(duì)應(yīng)的激光線距離不再減小時(shí)停止搜索，減小搜索步長(zhǎng)至kS,0<k<1，重復(fù)上述搜索直到步長(zhǎng)為1，按照此方式搜索得到投影出這M個(gè)黑色圓中心所需輸入控制數(shù)字量的為D_i,i＝1,2,…,M；

步驟十一，向激光振鏡掃描系統(tǒng)輸入步驟十求出的一系列控制數(shù)字信號(hào)D_i,i＝1,2,…,M，在模板圖案中形成M個(gè)對(duì)應(yīng)的光斑，運(yùn)用雙目立體視覺算法得到M個(gè)光斑在坐標(biāo)系B中的空間坐標(biāo)G_i,i＝1,2,…,M，以步驟十求出的控制數(shù)字量D_i為搜索初值，設(shè)置搜索步長(zhǎng)為1進(jìn)行遞歸搜索，直到模板圖案中第i個(gè)黑色圓中心坐標(biāo)C_i與對(duì)應(yīng)的光斑空間坐標(biāo)G_i的中心距d_i,i＝1,2,…,M不再減小時(shí)停止搜索，按照此方式搜索得到經(jīng)過第i個(gè)黑色圓中心的出射光對(duì)應(yīng)的輸入控制數(shù)字信號(hào)精確值D′_i；

步驟十二，借助步驟十一求出的數(shù)字信號(hào)D′_i得到一批精確經(jīng)過模板圖案中黑色圓心的出射光以步驟九求出的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系為初值，通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)其中黑色圓中心坐標(biāo)C_i到控制數(shù)字信號(hào)D′_i對(duì)應(yīng)的激光出射光線距離p₂＝C_i，得到坐標(biāo)系A(chǔ)到坐標(biāo)系B的精確轉(zhuǎn)化關(guān)系，由此轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到任意的輸入控制數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的激光線在現(xiàn)場(chǎng)雙目立體視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系中的方位向量，從而完成視覺輔助激光振鏡掃描系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。