Новости

Dec 28, 2023

Точное измерение для датчика светового видения линейной структуры с большим диапазоном действия

Scientific Reports, том 13, Номер статьи: 7234 (2023) Цитировать эту статью 502 Доступы Детали метрики Высокая точность и большой диапазон измерений являются целью любого трехмерного сканера.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7234 (2023) Цитировать эту статью

502 доступа

Подробности о метриках

Высокая точность и большой диапазон измерений являются целью любого трехмерного сканера. Для светового датчика линейной структуры точность измерения зависит от результатов его калибровки, т. е. определения математического выражения плоскости света в системе координат камеры. Однако, поскольку результаты калибровки являются локально оптимальными решениями, высокоточные измерения в большом диапазоне затруднительны. В этой статье мы описываем точный метод измерения и соответствующую процедуру калибровки для светозрительного датчика линейной структуры с большим диапазоном измерений. Используются моторизованные столики линейного перемещения с диапазоном перемещения 150 мм и плоской мишенью, представляющей собой пластину с точностью обработки 0,05 мм. С помощью этапа линейного перемещения и плоской мишени получаются функции, которые определяют соотношение между центральной точкой лазерной полосы и перпендикулярным/горизонтальным расстоянием. После получения изображения световой полосы мы можем получить точный результат измерения по нормализованным характерным точкам. По сравнению с традиционным методом измерения компенсация искажений не требуется, а точность измерения значительно повышается. Эксперименты показывают, что среднеквадратическая погрешность результатов измерений по предложенному нами методу снижается на 64,67% по сравнению с традиционным методом.

Трехмерный датчик освещения с линейной структурой (LSLVS) обычно состоит из одного датчика изображения и линейного лазерного проектора. Он широко используется в области промышленных измерений благодаря широкому диапазону измерений, высокой точности, простоте извлечения информации и т. д. Эти LSLVS можно разделить на две категории в зависимости от их конструкции.

В первой категории датчик изображения представляет собой обычную камеру с обычным объективом1,2, т.е. плоскость изображения параллельна плоскости объектива. Взаимосвязь между датчиком изображения и лазерным проектором неизменна и триангулирована в процессе измерения. Пространственные точки можно подтвердить после определения взаимосвязи, что известно как калибровка LSLVS.

До сих пор существовало множество методов калибровки LSLVS. Эти методы можно разделить на три категории в зависимости от способов получения характерных точек на плоскости лазера: метод на основе 3D-мишени, метод на основе плоской мишени и метод на основе 1D-мишени3.

В методе, основанном на 3D-мишенях, в последние годы широко используются геометрические характеристики. Сяо и др.4 использовали дополнительное средство для управления 3D-мишенью, то есть очень точным металлическим кубом, для точного перемещения в чистом поступлении с целью получения точки схода структурированной световой плоскости, а затем угла проекции света. Плоскость проектора решалась от точки схода, а также от базовой линии, точки пересечения плоскости структурированного света на оси X системы координат изображения. Ян и др.5 получили две параллельные линии на плоскости структурированного света, используя трехмерную мишень с двумя четко видимыми параллельными плоскостями. Когда было получено несколько точек схода, можно было определить вектор нормали плоскости структурированного света. Поскольку базовая линия была определена на основе инвариантности перекрестного отношения, была выполнена калибровка плоскости структурированного света. К сожалению, метод на основе 3D-мишени6,7,8 недостаточно точен из-за проблемы взаимного перекрытия между различными плоскостями цели и меньшего количества характерных точек. Кроме того, 3D-мишень, обычно представляющую собой куб с некоторыми специальными аксессуарами, сложно изготовить точно, и она громоздка для калибровки на месте.

Метод на основе плоской мишени более доступен для калибровки LSLVS. Вэй и др.9,10 использовали плоскую мишень с шахматным рисунком для завершения калибровки. На основе инвариантности двойного перекрестного отношения точки пересечения световой полосы и шахматной доски могут быть получены в системе координат изображения как точно известный размер каждой шахматной доски. Тогда можно получить достаточное количество характерных точек на световой плоскости. В соответствии с соответствующим алгоритмом аппроксимации можно вычислить выражение световой плоскости в системе координат камеры. Лю и др.11 предложили новый метод в соответствии с матрицей Плюкера для представления световой полосы на плоской мишени. Когда мишень расположена в нескольких разных положениях, можно получить матрицы Плюкера из световых полос. Тогда выражение световой плоскости можно решить путем объединения полученных матриц Плюккера. Вэй и др.12 калибруют LSLVS на основе исчезающего признака. Точки схода световой плоскости можно получить из точки пересечения световой полосы и линии схода целевой плоскости. Как только плоская цель переместится в достаточное количество разных положений, можно будет вычислить вектор нормали к световой плоскости, а также исчезающую линию. Поскольку размер плоской цели точно известен, следовательно, можно определить параметр D. Затем определялась функция световой плоскости под системой координат камеры.