一种线
激光3d
相机的环形布局标定方法
技术领域
1.本发明涉及工业机器视觉3d测量技术领域，尤其涉及了一种线激光3d相机的环形布局标定方法。
背景技术：
2.在工业领域，线激光3d相机是由相机与激光线投射器组成的测量仪器，如图3所示。线激光3d相机的原理是：目镜2接收工件4漫反射光在互补金属氧化物半导体3(cmos)成像，通过检测激光器1发射出的激光线位置的变化，根据三角测量法，获取高度信息。目前线激光3d相机已被广泛应用于高度、厚度、宽度、半径、平坦度、角度、位置、形状等的测量和定位过程中，线激光3d相机具有非接触、精度高、速度快、不依赖外部光源等优点。
3.但是现有的线激光3d相机在使用时存在如下缺陷：由于单个线激光3d相机的光学特性和视野限制，不能通过一次成像获取到工件4的全部截面轮廓信息，线激光3d相机的测量范围受到工件实际尺寸和形状的限制，不能满足大范围和环形布局的测量需要。
技术实现要素：
4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的就在于提供了一种线激光3d相机的环形布局标定方法，通过使用多相机系统可以扩展线激光3d相机视野，可以满足一次拍照即可获取物体全部截面轮廓信息的需求。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种线激光3d相机的环形布局标定方法，设置多边形棱柱标定块，围绕多边形棱柱标定块垂直截面均匀环形布局至少三台线激光3d相机，使每台线激光3d相机均可观测到多边形棱柱标定块的一个角，分别标记线激光3d相机；设立线激光3d相机的
坐标系，以其中一个线激光3d相机作为参考相机，参考线激光3d相机的坐标系为参考坐标系，通过标定线激光3d相机之间的刚体变换矩阵，使其他线激光3d相机的坐标系统一到参考线激光3d相机的坐标系下，其中刚体变换矩阵包含旋转矩阵和平移向量。
6.作为一种优选方案，所述环形布局标定方法的具体步骤包括：获取轮廓线、拟合
直线、计算旋转矩阵、计算平移向量、计算刚体变换，其中拟合直线包括求直线交点、求直线方向向量。
7.作为一种优选方案，设置三棱柱标定块，围绕三棱柱标定块垂直截面间隔120度均匀环形布局三台线激光3d相机，使每台线激光3d相机均可观测到三棱柱标定块的一个角，三台线激光3d相机分别标记为第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q、第三线激光3d相机m；设立线激光3d相机的坐标系为xoz，其中x为线激光3d相机的坐标系横轴，z为线激光3d相机的坐标系纵轴，o为线激光3d相机的坐标系原点，以第一线激光3d相机p的坐标系为参考坐标系x
wowzw
，通过标定线激光3d相机之间的刚体变换矩阵，使第二线激光3d相机q的坐标系、第三线激光3d相机m的坐标系统一到第一线激光3d相机p的坐标系下，其中刚体变换矩阵包含旋转矩阵和平移向量。
8.作为一种优选方案，所述环形布局标定方法的具体步骤包括：
9.s1：获取轮廓线，触发三台线激光3d相机拍照，三台线激光3d相机各获取一条轮廓线；
10.s2：拟合直线，三台线激光3d相机的各自轮廓线拟合相邻两条直线，分别记为第一直线l1和第二直线l2，则第一直线l1和第二直线l2的直线方程为：
11.l1:a1x+b1z+c1＝0，
12.l2:a2x+b2z+c2＝0；
13.其中，l1为线激光3d相机的第一直线，l2为线激光3d相机的第二直线，x为线激光3d相机的坐标系横轴，z为线激光3d相机的坐标系纵轴，a1、b1、c1、a2、b2、c2为常数；
14.通过线激光3d相机的第一直线l1和第二直线l2的直线方程求第一直线l1和第二直线l2的直线交点v
12
，求第一直线l1的直线方向向量d1和第二直线l2的直线方向向量d2，调整第一直线l1和第二直线l2的方向向量，使第一直线l1和第二直线l2均指向交叉点p
12
；
15.s3：计算旋转矩阵，第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2拍摄的是三棱柱标定块的同一个面，第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2在参考坐标系x
wowzw
下具有相同的方向，计算第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的旋转角度；令第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1的方向向量为d
p1
＝(a
p1
，b
p1
)，令第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的方向向量为d
q2
＝(a
q2
，b
q2
)，则第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的旋转角度计算公式如下：
[0016][0017]
其中，θ为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的旋转角度，dot()为向量点乘运算，d
p1
为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1的方向向量，d
q2
为第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的方向向量；
[0018]
最后得到第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q之间的旋转矩阵：
[0019][0020]
其中，r
pq
为第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q之间的旋转矩阵，θ为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的旋转角度；
[0021]
同理，获得第一线激光3d相机p与第三线激光3d相机m之间的旋转矩阵r
pm
，及第二线激光3d相机q与第三线激光3d相机m之间的旋转矩阵r
qm
；
[0022]
s4：计算平移向量，三棱柱标定块的每个垂直截面都是等腰三角形，令三棱柱标定块的边长为s；令第一线激光3d相机p的坐标系，即参考坐标系x
wowzw
，在步骤s2中计算第一线激光3d相机p的直线交点坐标为v
p
(x
p
，z
p
)，第二线激光3d相机q在步骤s2中计算的直线交点坐标为vq(xq，zq)，则第二线激光3d相机q的直线交点坐标vq(xq，zq)在第一线激光3d相机p中的坐标应为：
[0023][0024]
其中，v
′q为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中的坐标，x
′q为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中在坐标系横轴的坐标，z
′q为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中在坐标系纵轴的坐标，x
p
为第一线激光3d相机p的直线交点在坐标系横轴的坐标，z
p
为第一线激光3d相机p的直线交点在坐标系纵轴的坐标，a
p1
为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1的方向向量d
p1
在坐标系横轴的坐标，b
p1
为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1的方向向量d
p1
在坐标系纵轴的坐标，s为三棱柱标定块的边长；
[0025]
于是得到第二线激光3d相机q的坐标系到参考坐标系x
wowzw
下的平移关系：
[0026][0027]
其中，t
pq
为第一线激光3d相机p与第二线激光3d相机q之间的平移向量，t
x
为第一线激光3d相机p与第二线激光3d相机q之间的平移向量在坐标系横轴的坐标，tz为第一线激光3d相机p与第二线激光3d相机q之间的平移向量在坐标系纵轴的坐标，x
′q为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中在坐标系横轴的坐标，z
′q为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中在坐标系纵轴的坐标，x
p
为第一线激光3d相机p的直线交点在坐标系横轴的坐标，z
p
为第一线激光3d相机p的直线交点在坐标系纵轴的坐标，r
pq
为第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q之间的旋转矩阵；
[0028]
同理，获得第一线激光3d相机p与第三线激光3d相机m之间的平移向量t
pm
，及第二线激光3d相机q与第三线激光3d相机m之间的平移向量t
qm
；
[0029]
s5：计算刚体变换，完成环形布局标定，联合旋转矩阵和平移向量即可获得刚体变换矩阵，对于第一线激光3d相机p和第二线激光3d相机q，第一线激光3d相机p和第二线激光3d相机q的刚体变换矩阵为t
pq
＝[r
pq
，t
pq
]，对于第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)，轮廓线坐标点(x1，z1)变换后在第一线激光3d相机p的坐标系，即参考坐标系x
wowzw
的坐标为：
[0030][0031]
其中，x
′1为第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)变换后在第一线激光3d相机p在坐标系横轴的坐标，z
′1第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)变换后在第一线激光3d相机p在坐标系纵轴的坐标，x1为第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)在坐标系横轴的坐标，z1为第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)在坐标系纵轴的坐标，t
pq
为第一线激光3d相机p和第二线激光3d相机q的刚体变换矩阵；
[0032]
同理，获得第一线激光3d相机p与第三线激光3d相机m之间的刚体变换矩阵t
pm
，并对第三线激光3d相机m获取的轮廓线坐标进行相应的坐标变换，即可获得第三线激光3d相机m中轮廓线坐标点变换后在第一线激光3d相机p的坐标系，即参考坐标系x
wowzw
的坐标。
[0033]
作为一种优选方案，所述步骤s2中求第一直线l1和第二直线l2的直线交点v
12
具体
包括：联立第一直线l1和第二直线l2的直线方程可得第一直线l1和第二直线l2的直线交点v
12
，
[0034][0035]
其中，v
12
为第一直线l1和第二直线l2的直线交点，a1、b1、c1、a2、b2、c2为常数。
[0036]
作为一种优选方案，所述步骤s2中求第一直线l1和第二直线l2的直线方向向量，调整第一直线l1和第二直线l2的方向向量，使第一直线l1和第二直线l2均指向交叉点p
12
；
[0037][0038][0039]
其中，d1为第一直线l1的直线方向向量，d2为第二直线l2的直线方向向量，a1、b1、a2、b2为常数。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明解决单个线激光3d相机不能满足一次拍照即可获取物体全部截面轮廓信息的问题，先将3台相机间隔120度环形布局在工件截面上，再借助三棱柱标定块获取相邻线激光3d相机间的空间位置关系，最后通过刚体变换即可实现3台相机的一次拍照获取工件全部截面轮廓信息的需求。
附图说明
[0041]
图1是本发明的工作流程图；
[0042]
图2是本发明中环形布局示意图；
[0043]
图3是现有技术中线激光3d相机的结构示意图；
[0044]
其中附图标识列表：激光器1、目镜2、互补金属氧化物半导体3、工件4、三棱柱标定块5、第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q、第三线激光3d相机m。
具体实施方式
[0045]
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0046]
实施例1：
[0047]
如图1～2所示，一种线激光3d相机的环形布局标定方法，设置多边形棱柱标定块，围绕多边形棱柱标定块垂直截面均匀环形布局至少三台线激光3d相机，使每台线激光3d相机均可观测到多边形棱柱标定块的一个角，分别标记线激光3d相机；设立线激光3d相机的坐标系，以其中一个线激光3d相机作为参考相机，参考线激光3d相机的坐标系为参考坐标系，通过标定线激光3d相机之间的刚体变换矩阵，使其他线激光3d相机的坐标系统一到参考线激光3d相机的坐标系下，其中刚体变换矩阵包含旋转矩阵和平移向量。
[0048]
优选的，所述环形布局标定方法的具体步骤包括：获取轮廓线、拟合直线、计算旋转矩阵、计算平移向量、计算刚体变换，其中拟合直线包括求直线交点、求直线方向向量。
[0049]
实施例2：
[0050]
基于实施例1优选的线激光3d相机的环形布局标定方法，设置三棱柱标定块5，围绕三棱柱标定块5垂直截面间隔120度均匀环形布局三台线激光3d相机，使每台线激光3d相机均可观测到三棱柱标定块5的一个角，三台线激光3d相机分别标记为第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q、第三线激光3d相机m；设立线激光3d相机的坐标系为xoz，其中x为线激光3d相机的坐标系横轴，z为线激光3d相机的坐标系纵轴，o为线激光3d相机的坐标系原点，以第一线激光3d相机p的坐标系为参考坐标系x
wowzw
，通过标定线激光3d相机之间的刚体变换矩阵，使第二线激光3d相机q的坐标系、第三线激光3d相机m的坐标系统一到第一线激光3d相机p的坐标系下，其中刚体变换矩阵包含旋转矩阵和平移向量。
[0051]
所述环形布局标定方法的具体步骤包括：
[0052]
s1：获取轮廓线，触发三台线激光3d相机拍照，三台线激光3d相机各获取一条轮廓线；
[0053]
s2：拟合直线，三台线激光3d相机的各自轮廓线拟合相邻两条直线，分别记为第一直线l1和第二直线l2，则第一直线l1和第二直线l2的直线方程为：
[0054]
l1:a1x+b1z+c1＝0，
[0055]
l2:a2x+b2z+c2＝0；
[0056]
其中，l1为线激光3d相机的第一直线，l2为线激光3d相机的第二直线，x为线激光3d相机的坐标系横轴，z为线激光3d相机的坐标系纵轴，a1、b1、c1、a2、b2、c2为常数；
[0057]
通过线激光3d相机的第一直线l1和第二直线l2的直线方程求第一直线l1和第二直线l2的直线交点v
12
，求第一直线l1的直线方向向量d1和第二直线l2的直线方向向量d2，调整第一直线l1和第二直线l2的方向向量，使第一直线l1和第二直线l2均指向交叉点p
12
；
[0058]
s3：计算旋转矩阵，第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2拍摄的是三棱柱标定块5的同一个面，第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2在参考坐标系x
wowzw
下具有相同的方向，计算第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的旋转角度；令第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1的方向向量为d
p1
＝(a
p1
，b
p1
)，令第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的方向向量为d
q2
＝(a
q2
，b
q2
)，则第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的旋转角度计算公式如下：
[0059][0060]
其中，θ为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的旋转角度，dot()为向量点乘运算，d
p1
为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1的方向向量，d
q2
为第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的方向向量；
[0061]
最后得到第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q之间的旋转矩阵：
[0062][0063]
其中，r
pq
为第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q之间的旋转矩阵，θ为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的旋转角度；
[0064]
同理，获得第一线激光3d相机p与第三线激光3d相机m之间的旋转矩阵r
pm
，及第二
线激光3d相机q与第三线激光3d相机m之间的旋转矩阵r
qm
；
[0065]
s4：计算平移向量，三棱柱标定块5的每个垂直截面都是等腰三角形，令三棱柱标定块5的边长为s；令第一线激光3d相机p的坐标系，即参考坐标系x
wowzw
，在步骤s2中计算第一线激光3d相机p的直线交点坐标为v
p
(x
p
，z
p
)，第二线激光3d相机q在步骤s2中计算的直线交点坐标为vq(xq，zq)，则第二线激光3d相机q的直线交点坐标vq(xq，zq)在第一线激光3d相机p中的坐标应为：
[0066][0067]
其中，v
′q为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中的坐标，x
′q为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中在坐标系横轴的坐标，z
′q为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中在坐标系纵轴的坐标，x
p
为第一线激光3d相机p的直线交点在坐标系横轴的坐标，z
p
为第一线激光3d相机p的直线交点在坐标系纵轴的坐标，a
p1
为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1的方向向量d
p1
在坐标系横轴的坐标，b
p1
为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1的方向向量d
p1
在坐标系纵轴的坐标，s为三棱柱标定块5的边长；
[0068]
于是得到第二线激光3d相机q的坐标系到参考坐标系x
wowzw
下的平移关系：
[0069][0070]
其中，t
pq
为第一线激光3d相机p与第二线激光3d相机q之间的平移向量，t
x
为第一线激光3d相机p与第二线激光3d相机q之间的平移向量在坐标系横轴的坐标，tz为第一线激光3d相机p与第二线激光3d相机q之间的平移向量在坐标系纵轴的坐标，x
′q为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中在坐标系横轴的坐标，z
′q为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中在坐标系纵轴的坐标，x
p
为第一线激光3d相机p的直线交点在坐标系横轴的坐标，z
p
为第一线激光3d相机p的直线交点在坐标系纵轴的坐标，r
pq
为第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q之间的旋转矩阵；
[0071]
同理，获得第一线激光3d相机p与第三线激光3d相机m之间的平移向量t
pm
，及第二线激光3d相机q与第三线激光3d相机m之间的平移向量t
qm
；
[0072]
s5：计算刚体变换，完成环形布局标定，联合旋转矩阵和平移向量即可获得刚体变换矩阵，对于第一线激光3d相机p和第二线激光3d相机q，第一线激光3d相机p和第二线激光3d相机q的刚体变换矩阵为t
pq
＝[r
pq
，t
pq
]，对于第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)，轮廓线坐标点(x1，z1)变换后在第一线激光3d相机p的坐标系，即参考坐标系x
wowzw
的坐标为：
[0073][0074]
其中，x
′1为第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)变换后在第一线激光3d相机p在坐标系横轴的坐标，z
′1第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)变换后在第一线激光3d相机p在坐标系纵轴的坐标，x1为第二线激光3d相机q中任意一轮廓线
坐标点(x1，z1)在坐标系横轴的坐标，z1为第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)在坐标系纵轴的坐标，t
pq
为第一线激光3d相机p和第二线激光3d相机q的刚体变换矩阵；
[0075]
同理，获得第一线激光3d相机p与第三线激光3d相机m之间的刚体变换矩阵t
pm
，并对第三线激光3d相机m获取的轮廓线坐标进行相应的坐标变换，即可获得第三线激光3d相机m中轮廓线坐标点变换后在第一线激光3d相机p的坐标系，即参考坐标系x
wowzw
的坐标。
[0076]
具体的，所述步骤s2中求第一直线l1和第二直线l2的直线交点v
12
具体包括：联立第一直线l1和第二直线l2的直线方程可得第一直线l1和第二直线l2的直线交点v
12
，
[0077][0078]
其中，v
12
为第一直线l1和第二直线l2的直线交点，a1、v1、c1、a2、v2、c2为常数。
[0079]
具体的，所述步骤s2中求第一直线l1和第二直线l2的直线方向向量，调整第一直线l1和第二直线l2的方向向量，使第一直线l1和第二直线l2均指向交叉点p
12
；
[0080][0081][0082]
其中，d1为第一直线l1的直线方向向量，d2为第二直线l2的直线方向向量，a1、b1、a2、b2为常数。
[0083]
本发明解决单个线激光3d相机的光学特性和视野限制，不能通过一次成像获取到工件4的全部截面轮廓信息的问题；同时，单个线激光3d相机测量范围受到工件4实际尺寸和形状的限制，不能满足大范围和环形布局的测量需要。
[0084]
本发明通过使用多个线激光3d相机可以扩展线激光3d视野，先将三台线激光3d相机间隔120度环形布局在工件4截面上，再借助三棱柱标定块5获取相机间的空间位置关系，最后通过刚体变换即可实现三台线激光3d相机的一次拍照获取工件4全部截面轮廓信息的需求，为后续的测量、显示等提供解决方案。
[0085]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
技术特征：
1.一种线激光3d相机的环形布局标定方法，其特征在于：设置多边形棱柱标定块，围绕多边形棱柱标定块垂直截面均匀环形布局至少三台线激光3d相机，使每台线激光3d相机均可观测到多边形棱柱标定块的一个角，分别标记线激光3d相机；设立线激光3d相机的坐标系，以其中一个线激光3d相机作为参考相机，参考线激光3d相机的坐标系为参考坐标系，通过标定线激光3d相机之间的刚体变换矩阵，使其他线激光3d相机的坐标系统一到参考线激光3d相机的坐标系下，其中刚体变换矩阵包含旋转矩阵和平移向量。2.根据权利要求1所述的一种线激光3d相机的环形布局标定方法，其特征在于：所述环形布局标定方法的具体步骤包括：获取轮廓线、拟合直线、计算旋转矩阵、计算平移向量、计算刚体变换，其中拟合直线包括求直线交点、求直线方向向量。3.根据权利要求1所述的一种线激光3d相机的环形布局标定方法，其特征在于：设置三棱柱标定块，围绕三棱柱标定块垂直截面间隔120度均匀环形布局三台线激光3d相机，使每台线激光3d相机均可观测到三棱柱标定块的一个角，三台线激光3d相机分别标记为第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q、第三线激光3d相机m；设立线激光3d相机的坐标系为xoz，其中x为线激光3d相机的坐标系横轴，z为线激光3d相机的坐标系纵轴，o为线激光3d相机的坐标系原点，以第一线激光3d相机p的坐标系为参考坐标系x
w
o
w
z
w
，通过标定线激光3d相机之间的刚体变换矩阵，使第二线激光3d相机q的坐标系、第三线激光3d相机m的坐标系统一到第一线激光3d相机p的坐标系下，其中刚体变换矩阵包含旋转矩阵和平移向量。4.根据权利要求3所述的一种线激光3d相机的环形布局标定方法，其特征在于：所述环形布局标定方法的具体步骤包括：s1：获取轮廓线，触发三台线激光3d相机拍照，三台线激光3d相机各获取一条轮廓线；s2：拟合直线，三台线激光3d相机的各自轮廓线拟合相邻两条直线，分别记为第一直线l1和第二直线l2，则第一直线l1和第二直线l2的直线方程为：l1:a1x+b1z+c1＝0，l2:a2x+b2z+c2＝0；其中，l1为线激光3d相机的第一直线，l2为线激光3d相机的第二直线，x为线激光3d相机的坐标系横轴，z为线激光3d相机的坐标系纵轴，a1、b1、c1、a2、b2、c2为常数；通过线激光3d相机的第一直线l1和第二直线l2的直线方程求第一直线l1和第二直线l2的直线交点v
12
，求第一直线l1的直线方向向量d1和第二直线l2的直线方向向量d2，调整第一直线l1和第二直线l2的方向向量，使第一直线l1和第二直线l2均指向交叉点p
12
；s3：计算旋转矩阵，第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2拍摄的是三棱柱标定块的同一个面，第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2在参考坐标系x
w
o
w
z
w
下具有相同的方向，计算第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的旋转角度；令第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1的方向向量为d
p1
＝(a
p1
，b
p1
)，令第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的方向向量为d
q2
＝(a
q2
，b
q2
)，则第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的旋转角度计算公式如下：
其中，θ为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的旋转角度，dot()为向量点乘运算，d
p1
为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1的方向向量，d
q2
为第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的方向向量；最后得到第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q之间的旋转矩阵：其中，r
pq
为第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q之间的旋转矩阵，θ为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1与第二线激光3d相机q右侧的第二直线ql2的旋转角度；同理，获得第一线激光3d相机p与第三线激光3d相机m之间的旋转矩阵r
pm
，及第二线激光3d相机q与第三线激光3d相机m之间的旋转矩阵r
qm
；s4：计算平移向量，三棱柱标定块的每个垂直截面都是等腰三角形，令三棱柱标定块的边长为s；令第一线激光3d相机p的坐标系，即参考坐标系x
w
o
w
z
w
，在步骤s2中计算第一线激光3d相机p的直线交点坐标为v
p
(x
p
，z
p
)，第二线激光3d相机q在步骤s2中计算的直线交点坐标为v
q
(x
q
，z
q
)，则第二线激光3d相机q的直线交点坐标v
q
(x
q
，z
q
)在第一线激光3d相机p中的坐标应为：其中，v
′
q
为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中的坐标，x
′
q
为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中在坐标系横轴的坐标，z
′
q
为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中在坐标系纵轴的坐标，x
p
为第一线激光3d相机p的直线交点在坐标系横轴的坐标，x
p
为第一线激光3d相机p的直线交点在坐标系纵轴的坐标，a
p1
为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1的方向向量d
p1
在坐标系横轴的坐标，b
p1
为第一线激光3d相机p左侧的第一直线pl1的方向向量d
p1
在坐标系纵轴的坐标，s为三棱柱标定块的边长；于是得到第二线激光3d相机q的坐标系到参考坐标系x
w
o
w
z
w
下的平移关系：其中，t
pq
为第一线激光3d相机p与第二线激光3d相机q之间的平移向量，t
x
为第一线激光3d相机p与第二线激光3d相机q之间的平移向量在坐标系横轴的坐标，t
z
为第一线激光3d相机p与第二线激光3d相机q之间的平移向量在坐标系纵轴的坐标，x
′
q
为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中在坐标系横轴的坐标，z
′
q
为第二线激光3d相机q的直线交点坐标在第一线激光3d相机p中在坐标系纵轴的坐标，x
p
为第一线激光3d相机p的直线交点在坐标系横轴的坐标，z
p
为第一线激光3d相机p的直线交点在坐标系纵轴的坐标，r
pq
为第一线激光3d相机p、第二线激光3d相机q之间的旋转矩阵；同理，获得第一线激光3d相机p与第三线激光3d相机m之间的平移向量t
pm
，及第二线激光3d相机q与第三线激光3d相机m之间的平移向量t
qm
；s5：计算刚体变换，完成环形布局标定，联合旋转矩阵和平移向量即可获得刚体变换矩
阵，对于第一线激光3d相机p和第二线激光3d相机q，第一线激光3d相机p和第二线激光3d相机q的刚体变换矩阵为t
pq
＝[r
pq
，t
pq
]，对于第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)，轮廓线坐标点(x1，z1)变换后在第一线激光3d相机p的坐标系，即参考坐标系x
w
o
w
z
w
的坐标为：其中，x
′1为第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)变换后在第一线激光3d相机p在坐标系横轴的坐标，z
′1第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)变换后在第一线激光3d相机p在坐标系纵轴的坐标，x1为第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)在坐标系横轴的坐标，z1为第二线激光3d相机q中任意一轮廓线坐标点(x1，z1)在坐标系纵轴的坐标，t
pq
为第一线激光3d相机p和第二线激光3d相机q的刚体变换矩阵；同理，获得第一线激光3d相机p与第三线激光3d相机m之间的刚体变换矩阵t
pm
，并对第三线激光3d相机m获取的轮廓线坐标进行相应的坐标变换，即可获得第三线激光3d相机m中轮廓线坐标点变换后在第一线激光3d相机p的坐标系，即参考坐标系x
w
o
w
z
w
的坐标。5.根据权利要求4所述的一种线激光3d相机的环形布局标定方法，其特征在于：所述步骤s2中求第一直线l1和第二直线l2的直线交点v
12
具体包括：联立第一直线l1和第二直线l2的直线方程可得第一直线l1和第二直线l2的直线交点v
12
，其中，v
12
为第一直线l1和第二直线l2的直线交点，a1、b1、c1、a2、b2、c2为常数。6.根据权利要求4或5所述的一种线激光3d相机的环形布局标定方法，其特征在于：所述步骤s2中求第一直线l1和第二直线l2的直线方向向量，调整第一直线l1和第二直线l2的方向向量，使第一直线l1和第二直线l2均指向交叉点p
12
；；其中，d1为第一直线l1的直线方向向量，d2为第二直线l2的直线方向向量，a1、b1、a2、b2为常数。
技术总结
本发明公开了一种线激光3D相机的环形布局标定方法，设置多边形棱柱标定块，围绕多边形棱柱标定块垂直截面均匀环形布局至少三台线激光3D相机，使每台线激光3D相机均可观测到多边形棱柱标定块的一个角，分别标记线激光3D相机；设立线激光3D相机的坐标系，以其中一个线激光3D相机作为参考相机，参考线激光3D相机的坐标系为参考坐标系，通过标定线激光3D相机之间的刚体变换矩阵，使其他线激光3D相机的坐标系统一到参考线激光3D相机的坐标系下，其中刚体变换矩阵包含旋转矩阵和平移向量。本发明通过使用多相机系统可以扩展线激光3D相机视野，可以满足一次拍照即可获取物体全部截面轮廓信息的需求。廓信息的需求。廓信息的需求。
技术研发人员：
邓海涛 彭思龙 汪雪林 顾庆毅
受保护的技术使用者：
苏州中科行智智能科技有限公司
技术研发日：
2022.09.06
技术公布日：
2022/11/22
