[發明專利]一種平面式線激光傳感器位姿標定件及標定方法

有效

• 申請號: 202210745580.1
• 申請日: 2022-06-27
• 公開（公告）號: CN115307571B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 石照耀;李美川;孫衍強;于渤;呂浩
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 王兆波

1.一種用于齒輪測量的線激光傳感器空間位姿標定方法，實現該標定方法的平面式線激光傳感器位姿標定件包括中心旋轉結構體，所述中心旋轉結構體的上下端面為平整結構；所述中心旋轉結構體的側面設有多個特定幾何形狀結構單元，每個結構單元包括外圓柱面I(2)、V型槽(3)和外圓柱面II(4)，所述的V型槽(3)設置在外圓柱面I(2)與外圓柱面II(4)中間，外圓柱面I(2)和外圓柱面II(4)上下對稱布置；各個結構單元之間設有豎直斷面結構，豎直斷面結構為中心旋轉結構體的側面豎直結構面；中心旋轉結構體的中間設有內圓柱面(9)；所述的豎直斷面結構包括平面I(1)、平面II(5)和平面III(9)；下端面(6)和上端面(7)為中心旋轉結構體的上下端面；

其特征在于，該標定方法具體步驟如下：

標定系統的坐標系建立；

標定數據獲取及坐標變換；

標定特征提??；

六個自由度參數的標定；

線激光傳感器空間位姿關系確認，標定完畢；

S1：標定系統的坐標系建立；

建立標定系統坐標系，包括：標定件坐標系δ_c:O_c-X_cY_cZ_c和傳感器坐標系δ_s:O_s-X_sY_sZ_s；其中，δ_c為標定件坐標系的標號，O_c為標定件坐標系的原點，X_c、Y_c、Z_c為標定件坐標系的三個坐標軸；δ_s為傳感器坐標系的標號，O_s為傳感器坐標系的原點，X_s、Y_s、Z_s為傳感器坐標系的三個坐標軸；傳感器布置在標定件的周向，傳感器坐標系原點Os相對于標定件坐標系原點O_c在標定件坐標系三個坐標軸方向的偏置分別為a、b、c；傳感器坐標系的三個坐標軸X_s、Y_s、Z_s相對于標定件坐標系三個坐標軸X_c、Y_c、Z_c的偏轉角分別為α、β、γ；因此，a、b、c、α、β、γ構成了傳感器在標定件坐標系下的六個自由度參數，傳感器的空間位姿標定，也就是標定這六個自由度參數；其中，x_c,y_x,z_c分別為標定件點云信息在空間中的三維坐標值，x_c-Y,y_c-Y,z_c-Y分別為標定件的圓柱面點云信息在空間中的三維坐標值，x_c-P,y_c-P,z_c-P分別為標定件的平面點云信息在空間中的三維坐標值，x_c-V,y_c-V,z_c-V分別為標定件的V型槽點云信息在空間中的三維坐標值；

S2：標定數據獲取及坐標變換；

根據S1建立的坐標系及坐標關系，將標定件安裝在測量儀器主軸上，標定件能夠隨主軸給定的速度做回轉運動，測量儀器的主軸回轉信號作為觸發信號觸發傳感器進行數據采集，獲取到標定件表面在傳感器坐標系下的點云信息{D_s}；根據S1的坐標關系，由公式(1)得到標定件在標定件坐標系下的點云信息{D_c}；

D_c＝M·D_s?(1)

其中，M為傳感器坐標系與標定件坐標系之間的變換矩陣，它與傳感器空間位姿的六個自由度參數a、b、c、α、β、γ相關；

S3：標定特征提??；

根據S2獲取到的標定件的點云信息{D_c:x_c,y_c,z_c}，根據幾何特征將標定件信息提取為圓柱面點云信息{D_c-Y:x_c-Y,y_c-Y,z_c-Y}、平面點云信息{D_c-P:x_c-P,y_c-P,z_c-P}和V型槽點云信息{D_c-V:x_c-V,y_c-V,z_c-V}；每一個標定件信息里都包含有傳感器空間位姿的六個自由度參數a、b、c、α、β、γ；其中，x_c,y_c,z_c分別為標定件點云信息在空間中的三維坐標值，x_c-Y,y_c-Y,z_c-Y分別為標定件的圓柱面點云信息在空間中的三維坐標值，x_c-P,y_c-P,z_c-P分別為標定件的平面點云信息在空間中的三維坐標值，x_c-V,y_c-V,z_c-V分別為標定件的V型槽點云信息在空間中的三維坐標值；

S4：六個自由度參數的標定：

根據S3提取到的標定件特征信息，逐一確定傳感器空間位姿的六個自由度參數；首先，根據S3提取到的圓柱面點云信息{D_c-Y:x_c-Y,y_c-Y,z_c-Y}，由公式(2)使用最小二乘擬合優化程序，確定傳感器空間位姿的兩個偏轉角度α、β；

其中，r₀為標定件外圓柱的半徑；

然后，根據S3提取到的平面點云信息{D_c-P:x_c-P,y_c-P,z_c-P}，由公式(3)使用最小二乘擬合優化程序進行兩次優化，第一次優化的結果作為第二次優化的初值進行優化修正，確定傳感器空間位姿的一個角度參數γ和兩個位置參數a、b；

min{∑|x_c-Pcosθ₀+y_c-Psinθ₀-r_f|}(3)

其中，r_f為標定件平面與被測齒輪齒根圓相關的參數，為被測齒輪齒根圓半徑；θ₀為標定件平面的初始位置角；

最后，根據S3提取到的V型槽點云信息{D_c-V:x_c-V,y_c-V,z_c-V}，由公式(4)確定V型槽兩錐面的交線位置，進而確定傳感器空間位姿的最后一個位置參數c；

z_c-V＝z_s+c?(4)

至此，線激光傳感器空間位姿關系確認，完成標定。