[發明專利]激光跟蹤儀與結構光3D掃描儀組合式測量標定方法有效
| 申請號： | 201910796885.3 | 申請日： | 2019-08-27 |
| 公開（公告）號： | CN110440692B | 公開（公告）日： | 2020-10-20 |
| 發明（設計）人： | 劉巍;武瓊;周志龍;張洋;賈振元 | 申請（專利權）人： | 大連理工大學 |
| 主分類號： | G01B11/00 | 分類號： | G01B11/00 |
| 代理公司： | 大連理工大學專利中心 21200 | 代理人： | 關慧貞 |
| 地址： | 116024 遼*** | 國省代碼： | 遼寧;21 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 激光 跟蹤 結構 掃描儀 組合式 測量 標定 方法 | ||
1.一種激光跟蹤儀與結構光3D掃描儀組合式測量標定方法，其特征是，該方法采用結構光3D掃描儀、激光跟蹤儀、激光靶球和公共靶標進行組合式測量標定；設定激光跟蹤儀的坐標系為全局坐標系，結構光3D掃描儀基坐標系，結構光3D掃描儀測量坐標系；將公共靶標在公共測量范圍內挪動至少六個位置，分別操作結構光3D掃描儀與激光跟蹤儀測量公共靶標在測量坐標系和全局坐標系下球心的坐標，得到公共靶標系在不同坐標系下的坐標矩陣；采用基于SVD的普氏分析算法，求出測量坐標系到全局坐標系的轉換矩陣；最后，通過矩陣除法，算出結構光3D掃描儀的測量坐標系到其基坐標系的轉換矩陣，完成標定；標定方法具體步驟如下：
第一步、安裝結構光3D掃描儀、激光跟蹤儀以及激光靶球，并進行設備開機預熱；
將結構光3D掃描儀(1)安裝于夾具(2)上；再將三個激光靶球座(3)固定于夾具(2)上，然后將三個激光靶球(4)分別安裝在激光靶球座(3)上；要求三個激光靶球(4)分布適當，三點所組成的三角形內不應有大于120度的鈍角，每兩個球的間距在4厘米以上；然后將結構光3D掃描儀(1)和激光跟蹤儀(5)安放于合適位置并固定，要求兩者位置在1米左右；三個激光靶球(4)的開口朝向適當；激光跟蹤儀(5)的光路可到達三個激光靶球(4)上；確保結構光3D掃描儀(1)和激光跟蹤儀(5)在標定過程中，位姿保持不變，不受振動干擾；最后，將一個啞光激光靶球與靶球座作為公共靶標(6)安置到位于結構光3D掃描儀(1)和激光跟蹤儀(5)的公共測量區域內，公共靶標(6)上的啞光激光靶球的開口朝向適當，使結構光3D掃描儀(1)能拍攝到一個近似完整的外球表面；應確保移動啞光激光靶球時產生的振動不會影響到結構光3D掃描儀(1)和激光跟蹤儀(5)；檢查視野范圍后，將結構光掃描儀與激光跟蹤儀開機預熱；
第二步、從結構光3D掃描儀基坐標系ObXbYbZb到全局坐標系OtcXtcYtcZtc的轉換矩陣Tb2tc；
操作激光跟蹤儀(5)，測量結構光3D掃描儀(1)上三個激光靶球(4)在全局坐標系的球心坐標；測量時應多次測量，參照拉依達準則，過濾粗差點，得到平均值，進行平均抗差優化；設三個靶球球心C1、C2、C3的坐標分別為(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)；將第一個點作為坐標系的原點，原點坐標記為將C1與C2的向量進行單位化作為坐標系的X軸，X軸向量表示為根據向量與求出兩個向量的矢量積；然后，將該矢量積單位化，求出坐標系的Z軸；Z軸的向量為：最后，根據Z軸與X軸的向量，求出Y軸的向量，記為最終，得到一個4×4的矩陣，即從結構光3D掃描儀基坐標系ObXbYbZb到全局坐標系的轉換矩陣Tb2tc：
第三步、測量公共靶標，求解從結構光3D掃描儀測量坐標系OscXscYscZsc到全局坐標系OtcXtcYtcZtc的轉換矩陣Tsc2tc；
操控結構光3D掃描儀(1)與激光跟蹤儀(5)，同時測量公共靶標(6)；基于飛行時間法，測得該靶標在OtcXtcYtcZtc下的球心坐標為(Xtc1,Ytc1,Ztc1)；對于結構光3D掃描儀采集公共靶標表面點云的深度圖；將深度圖上的RGB信息轉換為每個點的坐標，通過最小二乘擬合，求解出公共靶標(6)在OscXscYscZsc下的球心坐標(Xsc1,Ysc1,Zsc1)；球心坐標求解具體過程為：
基于球面方程得出：
將OscXscYscZsc下球面點云坐標(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)……(xm,ym,zm)帶入；其中，得到最小二乘方程組：
對于Aa×bXb×1＝Ya×1(a＞b)的超定方程組，如ATA非奇異，則X有解為：X＝(ATA)-1ATY；
最終，求出球心坐標(Xsc1,Ysc1,Zsc1)與半徑R的最優解；半徑R可作為判斷(Xsc1,Ysc1,Zsc1)是否準確的依據；多次拍攝，參照拉依達準則，過濾粗差點，分別得到球心坐標在OtcXtcYtcZtc和OscXscYscZsc下的平均值；之后重復上述操作，在結構光3D掃描儀(1)和激光跟蹤儀(5)的公共測量范圍內挪動公共靶標(6)到其他位置，至少六個位置；依次使用結構光3D掃描儀(1)拍攝公共靶標(6)，獲取公共靶標的球表面點云，求出不同位置下公共靶標在OscXscYscZsc下的坐標(Xsc2,Ysc2,Zsc2)、(Xsc3,Ysc3,Zsc3)…(Xscn,Yscn,Zscn)，其中n≥6，以及不同位置下公共靶標在OtcXtcYtcZtc下的坐標(Xtc2,Ytc2,Ztc2)、(Xtc3,Ytc3,Ztc3)……(Xtcn,Ytcn,Ztcn)；
設OscXscYscZsc下的點集為矩陣Psc，OtcXtcYtcZtc下的點集為矩陣Ptc，從OscXscYscZsc到OtcXtcYtcZtc的轉換矩陣為Tsc2tc，則：
式中，ptc1、ptc2……ptcn表示OtcXtcYtcZtc內點的坐標向量；psc1、psc2……pscn表示OscXscYscZsc內點的坐標向量；而Psc與Ptc滿足的關系有：
Tsc2tc·Psc＝Ptc (5)
要求解Tsc2tc，就需要基于SVD方法的普氏分析理論；顯然，Tsc2tc的最優解應滿足||Tsc2tc·Psc-Ptc||最小，即Tsc2tc＝argmin(||Tsc2tc·Psc-Ptc||F)；
而Tsc2tc表示為：
式中，s為尺度因子，取s＝1；R表示旋轉矩陣，t表示平移矩陣；又可以寫為：
分別求出兩組點集的重心再對矩陣進Ptc、Psc行去中心化，則有：
式中，ones(1,n)中表示一個1×n階、元素全為1的矩陣；
再將G·HT進行SVD分解；得到：U·S·V＝G·HT，求解旋轉矩陣：
求解平移矩陣：
最終，求出從OscXscYscZsc到OtcXtcYtcZtc的轉換矩陣Tsc2tc；
第四步、求解標定矩陣Tsc2b；
已知轉換矩陣Tb2tc、轉換矩陣Tsc2tc與標定矩陣Tsc2b滿足關系：Tb2tc·Tsc2b＝Tsc2tc；根據矩陣除法，標定完畢。
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