[發明專利]一種結構光視覺傳感器及其快速標定方法

在審

• 申請號: 201810402428.7
• 申請日: 2018-04-28
• 公開（公告）號: CN108709499A
• 公開（公告）日: 2018-10-26
• 發明（設計）人: 宋樂;曾小婉;宮虎;鄭葉龍;趙美蓉
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉子文

1.一種結構光視覺傳感器，其特征在于，包括固定支架、結構光激光器和相機，所述固定支架的一端通過激光器基座設置有所述結構光激光器，固定支架的另一端通過相機基座垂直于水平面固定有所述相機，所述結構光激光器和相機間的距離及角度可調，相機鏡頭可拍攝到結構光激光器射出的光線。

2.根據權利要求1所述一種結構光視覺傳感器，其特征在于，所述結構光激光器的光軸與所述相機的光軸之間的夾角為25°-30°。

3.一種結構光視覺傳感器的快速標定方法，基于權利要求1所述結構光視覺傳感器，其特征在于，包括以下步驟：

(1)標定相機內外參數:利用張氏標定法，采集變化方位的靶標圖像，使靶標出現的所有位置覆蓋整個視野以準確標定內參；通過靶標相對于相機的位姿進行建立相機外參，此處將靶標置于一初始水平面上建立世界坐標系，可得該平面在世界坐標系下表示為z_w＝0；

(2)光點獲取：

a.將單線結構光投射于z_w＝0平面，相機第一次拍攝光條圖像；

b.將原平面抬高至預定高度h并建立中間坐標系，相機第二次拍下投射于該平面的光條圖像；

c.分別利用已經標定完成的相機內外參數計算得到兩次提取到光條點的x_w和y_w坐標值，將第一次拍攝圖像得到的光條點的坐標z_w值定為0，將第二次拍攝圖像得到的光條點的坐標z_w值定為上述已預定高度h，則得到了兩組位于不同高度點的空間三維坐標值；

(3)進行多點測量以擬合結構光光平面并使誤差減小：利用兩次采集到的所有光條中心點進行空間平面擬合，以減小誤差，采用點法式表示一個空間平面，點由提取到的兩組空間點的平均值得到，法向量由奇異值分解(SVD)方法得到。

4.根據權利要求3所述一種結構光視覺傳感器的快速標定方法，其特征在于，步驟(1)中標定相機內外參數包括以下步驟：選用靶標為7×7陶瓷圓點陣列靶標，有效面積30mm×30mm，直線及圓點直徑加工精度為1μm；根據張氏標定法對相機進行內外參數標定，選取不同位置與方向擺放靶標，分別用相機采集圖像，通過計算得到相機的內部參數；通過靶標相對于相機的位姿建立相機外參，將靶標放置于水平面上建立世界坐標系，建立的世界坐標系中z_w＝0平面即位于該水平面上。

5.根據權利要求3所述一種結構光視覺傳感器的快速標定方法，其特征在于，步驟(2)和(3)中，對于光條中光點的提取，首先利用閾值法確定光條部分，其次利用灰度重心法得到光條中心點像素坐標(u,v)：

其中i＝0,1,2,...,m；j＝0,1,2,...,n；x_i和y_j分別為像素點行、列坐標；f(x_i,y_j)為像素點的灰度值；因相機內外參數已知，通過以下關系推導由光點的圖像坐標到世界坐標系下的坐標x_w和y_w：

其中u和v為上述得到的光點的像素坐標，M為由相機的內外參數組成的投影矩陣，X_W＝(x_w,y_w,z_w)為對應點的世界坐標，將計算得到的兩組點的z_w值分別設為0和h，即得到了完整的兩組點的空間坐標值，對得到的空間點進行奇異值分解(SVD)，確定空間平面的法向量從而擬合結構光平面。

6.根據權利要求3所述一種結構光視覺傳感器的快速標定方法，其特征在于，所述預定高度h在相機鏡頭的最大景深范圍內。