[发明专利]激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法

摘要

本发明激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法属于视觉测量领域，涉及一种基于哑光标准靶球的激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法。该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定。设定激光跟踪仪的坐标系为全局坐标系，结构光扫描仪基坐标系，结构光3D扫描仪测量坐标系。分别操作结构光3D扫描仪与激光跟踪仪测量公共靶标，采用基于SVD的普氏分析算法，求出测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵。最后，通过矩阵除法，算出结构光3D扫描仪的测量坐标系到其基坐标系的转换矩阵完成标定。该方法有效扩展了结构光3D扫描仪的应用范围，是一种具有广泛应前景的标定方法。

主权项

1.一种激光跟踪仪与结构光3D扫描仪组合式测量标定方法，其特征是，该方法采用结构光3D扫描仪、激光跟踪仪、激光靶球和公共靶标进行组合式测量标定；设定激光跟踪仪的坐标系为全局坐标系，结构光扫描仪基坐标系，结构光3D扫描仪测量坐标系；将公共靶标在公共测量范围内挪动至少六个位置，分别操作结构光3D扫描仪与激光跟踪仪测量公共靶标在测量坐标系和全局坐标系下球心的坐标，得到公共靶标系在不同坐标系下的坐标矩阵；采用基于SVD的普氏分析算法，求出测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵；最后，通过矩阵除法，算出结构光3D扫描仪的测量坐标系到其基坐标系的转换矩阵，完成标定；标定方法具体步骤如下：第一步、安装结构光3D扫描仪、激光跟踪仪以及激光靶球，并进行设备开机预热；将结构光3D扫描仪(1)安装于夹具(2)上；再将三个激光靶球座(3)固定于夹具(2)上，然后将三个激光靶球(4)分别安装在激光靶球座(3)上；要求三个激光靶球(3)分布适当，三点所组成的三角形内不应有大于120度的钝角，每两个球的间距在4厘米以上；然后将结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)安放于合适位置并固定，要求两者位置在1米左右；三个激光靶球(4)的开口朝向适当；激光跟踪仪(5)的光路可到达三个激光靶球(4)上；确保结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)在标定过程中，位姿保持不变，不受振动干扰；最后，将一个哑光激光靶球与靶球座作为公共靶标(6)安置到位于结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)的公共测量区域内，公共靶标(6)上的哑光激光靶球的开口朝向适当，使结构光3D扫描仪(1)能拍摄到一个近似完整的外球表面；应确保移动哑光激光靶球时产生的振动不会影响到结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)；检查视野范围后，将结构光扫描仪与激光跟踪仪开机预热；第二步、从结构光3D扫描仪基坐标系O_bX_bY_bZ_b到全局坐标系O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_b2tc；操作激光跟踪仪(5)，测量结构光3D扫描仪(1)上三个激光靶球(4)在全局坐标系的球心坐标；测量时应多次测量，参照拉依达准则，过滤粗差点，得到平均值，进行平均抗差优化；设三个靶球球心C₁、C₂、C₃的坐标分别为(X₁,Y₁,Z₁)、(X₂,Y₂,Z₂)、(X₃,Y₃,Z₃)；将第一个点作为坐标系的原点，原点坐标记为将C₁与C₂的向量进行单位化作为坐标系的X轴，X轴向量表示为根据向量与求出两个向量的矢量积；然后，将该矢量积单位化，求出坐标系的Z轴；Z轴的向量为：最后，根据Z轴与X轴的向量，求出Y轴的向量，记为最终，得到一个4×4的矩阵，即从结构光3D扫描仪基坐标系O_bX_bY_bZ_b到全局坐标系的转换矩阵T_b2tc：第三步、测量公共靶标，求解从扫描仪测量坐标系O_scX_scY_scZ_sc到全局坐标系O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_sc2tc；操控结构光3D扫描仪(1)与激光跟踪仪(5)，同时测量公共靶标(6)；基于飞行时间法，测得该靶标在O_tcX_tcY_tcZ_tc下的球心坐标为(X_tc1,Y_tc1,Z_tc1)；对于结构光3D扫描仪采集公共靶标表面点云的深度图；将深度图上的RGB信息转换为每个点的坐标，通过最小二乘拟合，求解出公共靶标(6)在O_scX_scY_scZ_sc下的球心坐标(X_sc1,Y_sc1,Z_sc1)；球心坐标求解具体过程为：基于球面方程得出：将O_scX_scY_scZ_sc下球面点云坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)……(x_n,y_n,z_n)带入；其中，得到最小二乘方程组：对于A_m×nX_n×1＝Y_m×1(m＞n)的超定方程组，如A^TA非奇异，则X有解为：X＝(A^TA)^‑1A^TY；最终，求出球心坐标(X_sc1,Y_sc1,Z_sc1)与半径R的最优解；半径R可作为判断(X_sc1,Y_sc1,Z_sc1)是否准确的依据；多次拍摄，参照拉依达准则，过滤粗差点，分别得到球心坐标在O_tcX_tcY_tcZ_tc和O_scX_scY_scZ_sc下的平均值；之后重复上述操作，在结构光3D扫描仪(1)和激光跟踪仪(5)的公共测量范围内挪动公共靶标(6)到其他位置，至少六个位置；依次使用结构光3D扫描仪(1)拍摄公共靶标(6)，获取公共靶标的球表面点云，求出不同位置下公共靶标在O_scX_scY_scZ_sc下的坐标(X_sc2,Y_sc2,Z_sc2)、(X_sc3,Y_sc3,Z_sc3)(X_scn,Y_scn,Z_scn)(n≥6)，以及不同位置下公共靶标在O_tcX_tcY_tcZ_tc下的坐标(X_tc2,Y_tc2,Z_tc2)、(X_tc3,Y_tc3,Z_tc3)……(X_tcn,Y_tcn,Z_tcn)；设O_scX_scY_scZ_sc下的点集为矩阵P_sc，O_tcX_tcY_tcZ_tc下的点集为矩阵P_tc，从O_csX_scY_scsZ_c到O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵为T_sc2tc，则：式中，p_tc1、p_tc2……p_tcn表示O_tcX_tcY_tcZ_tc内点的坐标向量；p_sc1、p_sc2……p_scn表示O_scX_scY_scZ_sc内点的坐标向量；而P_sc与P_tc满足的关系有：T_sc2tc·P_sc＝P_tc   (5)要求解T_sc2tc，就需要基于SVD方法的普氏分析理论；显然，T_sc2tc的最优解应满足||T_sc2tc·P_sc‑P_tc||最小，即T_sc2tc＝argmin(||T_sc2tc·P_sc‑P_tc||_F)；而T_sc2tc表示为：式中，s为尺度因子，取s＝1；R表示旋转矩阵，t表示平移矩阵；又可以写为：分别求出两组点集的重心再对矩阵进P_tc、P_sc行去中心化，则有：式中，ones(1,n)中表示一个1×n阶、元素全为1的矩阵；再将G·H^T进行SVD分解；得到：U·S·V＝G·H^T，求解旋转矩阵：求解平移矩阵：最终，求出从O_scX_scY_scZ_sc到O_tcX_tcY_tcZ_tc的转换矩阵T_sc2tc；第四步、求解标定矩阵T_sc2b；已知结构光3D扫描仪基坐标系T_b2tc、转换矩阵T_sc2tc与标定矩阵T_sc2b满足关系：T_b2tc·T_sc2b＝T_sc2tc；根据矩阵除法，T_sc2b＝T_b2tc\T_sc2tc；标定完毕。