用于确定激光雷达相对于待测量对象的当前位置和/或朝向的方法技术

技术编号:39429955 阅读:11 留言:0更新日期:2023-11-19 16:15
本公开涉及一种用于通过计算机确定激光雷达(3)相对于对象(2)的当前位置和/或朝向的方法。相机系统(11、11

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定激光雷达相对于待测量对象的当前位置和/或朝向的方法


[0001]本专利技术涉及一种用于确定包括激光雷达的测量系统相对于利用所述系统测量的对象的当前位置和/或朝向的方法。

技术介绍

[0002]激光雷达是已知的现有技术,并且可以应用在通过计算机控制,以操纵激光束来测量XYZ坐标的装置。所要测量的点的距离是根据从所述点反射的激光束的一些特性,例如相移来确定。到所要测量的点的朝向则是根据光束转向机构的当前朝向确定,所述光束转向机构通常是可绕两个垂直轴旋转的反射镜或棱镜。
[0003]如图1所示,对象2上的点1的XYZ坐标可以根据来自激光雷达3的距离和朝向信息来计算。在激光雷达主体5的顶部示出了可转向的反射镜或棱镜4,用来将光束6引导投射到对象2上的点1上并记录范围7。点1的XYZ值由反射镜或棱镜相对于主体5的垂直角度8和水平角度9的读数,以及来自激光测距仪的范围或距离数据来确定。
[0004]激光雷达也称为LIDAR或LADAR,已在市场上销售,通常在工业、建筑、土木工程和其他行业用来扫描(即快速测量多个待测量点)对象和表面。
[0005]激光雷达通常可以在大范围的角度内将激光束转向,并以高精度记录这些角度,从而提供优异的覆盖范围,例如长方体内部的覆盖范围。然而,激光雷达通常依赖于直接视线,因此无法测量不在当前位置直接视线范围内的对象的任何部分。因此,如果要覆盖固定长方体的整个外表面,必须将激光雷达移动。
[0006]激光雷达的XYZ数据可能与设备主体的位置相关。如果设备从已知位置和朝向移动,则需要取得新位置和新朝向的精确信息,才能关联移动前后获取的数据到一个共同的坐标系中。
[0007]机器人也是已知的现有技术。在本说明书中可以理解成以计算机控制而能够将机械接口移动到多个位置和朝向的机械机构。所述机械接口通常称为工具中心点(TCP),是用于连接工具或其他移动中设备。世上存在各种机器人实施例,都可使用能进行线性或旋转运动,或这些运动的组合的装置,以提供不同数量的自由度的TCP运动。TCP在给定时间点的位置和朝向通常是通过分配给每个轴向运动或线性运动的一系列传感器或编码器的同时读数来确定。
[0008]如图2所示,在雷达主体是由机器人10驱动而围绕对象2移动的情况下,使用机器人10所能够测量该对象的范围比从单一位置所能测量的范围更大,为其优点。安装在机器人上的激光雷达可以将来自激光雷达的信息与来自机器人控制器的信息相结合,以确定一组一致的XYZ数据,来表示所述对象任何区域。不幸的是,虽然大多数机器人具有足够的精度来完成诸如喷漆、焊接和装配等工业任务,但只有特殊且相当昂贵的机器人才具有足够的精度,可以提供足够精确的运动信息,从而不会显著降低所述机器人所移动的激光雷达所提供的XYZ数据的整体精度。高精度机器人也可能因为尺寸太小且自由度有限,无法在生
产线所遭遇的扩展温度范围内精确操作,并且可能需要频繁的维护或校准。这些都是在生产环境中不可接受的缺点。
[0009]当使用由机器人移动的激光雷达进行精确测量时,通常使用激光雷达本身来确定其当前位置和朝向。这通常是通过在每次机器人移动后测量对象上或对象周围已知位置的至少三个特征(通常是工具球)来完成。
[0010]然而,如果该方法用于汽车生产线和类似应用等内部,则存在缺点。由于工作的循环时间有限,这意味着待测量的对象只能在有限的时间内保持静止—通常为30到90秒。用于监控维度的生产单元需要在可用的周期时间内测量对象上尽可能多的特征。使用激光雷达在每次移动后必须确定激光雷达的当前位置和朝向的过程就会限制激光雷达的适用性。例如,要测量车身内难以接近区域的单一特征(例如狭缝),可能需要将激光雷达移动到专用位置,然后测量至少三个已知特征,例如工具球,才能测量确定激光雷达的精确位置,最后才能测量狭缝本身。显然,绝大多数时间都浪费在准备过程步骤中,而不是在测量所需的对象特征。这对于需要多次移动机器人的对象尤其重要,例如完整的汽车车身。这种技术上的挑战严重限制了激光雷达的适用性。
[0011]从现有技术已知,通过将表面测量装置(例如光学扫描仪)牢固地安装在导航框架内并将大量目标嵌入所述框架上,并确保从任何朝向都可以看到至少三个相距较远的目标,可以非常快速地确定安装在机器人上的表面测量装置的位置和朝向。然后可以通过在对象坐标系中操作的多个相机或相机对来观察该框架。观察所述导航框架的结果将能够确定扫描仪的当前位置和朝向。以此处所述方式操作的系统可在商业上使用。相同的方法也可以用来解决上面讨论的激光雷达挑战。
[0012]然而,虽然这种“导航框架”型的解决方案具有相机可以从任何朝向观察扫描仪的优点,但它也导致解决方案的实施成本高昂的结果,因为通常需要许多目标和许多相机来确保扫描仪在任何朝向能够满足所需的覆盖范围—由于扫描仪具有固定的视野,因此需要真正的全向跟踪解决方案。与此相比,激光雷达具有可转向的激光束,因此适合测量更广的给定特征的位置和朝向范围,并且不需要真正的全向解决方案。
[0013]此外,众所周知,激光雷达的内部坐标系会随着朝向的变化而发生涵式变化。激光雷达的规格通常仅在给定的朝向范围内有效,且当期朝向超出该范围时,其内部坐标系可能会出现偏移,尤其在汽车生产单元中所必需访问时。
[0014]当使用激光雷达本身测量参考目标以进入对象坐标系时,这种影响在很大程度上被消除,因为定义对象坐标系的参考目标也是在这个潜在偏移坐标系中进行测量,因此后续的激光雷达测量从相同的位置也会偏移相同的量,使误差得到补偿。然而,如果将上述“导航框架”型的解决方案应用于激光雷达,则该误差将无法得到补偿,从而导致精度降低。因此,采用传统用于快速导航设备的已知方法并不能为激光雷达提供最佳结果。
[0015]EP 0 607 303示出了包含至少三个基准点的对象和观察所述基准点的相机的相对位置和朝向可以在相对于相机的固定内部坐标系的所有六个自由度上确定。相机测量朝向每个基准点的空间方向,据以确定包含所述基准点的对象的位置和朝向。但该专利要求基准点不能在一条线上,并且基准点相对于彼此的位置需是已知,也就是说,基准点位于预定或已知的图形中。然而,EP 0 607 303没有公开当激光雷达四处移动时,应如何补偿误差。

技术实现思路

[0016]本专利技术所要解决的客观技术问题是克服上述缺陷。本专利技术的目的特别是提供快速且精确的对象空间测量。这个客观技术问题由独立权利要求的特征解决。
[0017]本专利技术的一个方面涉及一种用于确定激光雷达相对于对象的当前位置和/或朝向的方法。该方法可以由计算机执行。相机系统连接到所述激光雷达。该方法包括:通过获得与对象具有固定空间关系的至少三个参考目标的一幅或多幅图像来确定相机系统相对于对象的位置和/或朝向。从存储器获得至少三个参考目标彼此的相对空间关系和/或位置。通过使用至少三个参考目标彼此之间的相对空间关系,以及从相机观察到的从相机到至少三个参考目标中的每一个的空间朝向来确定参考目标相对于相机的位置和本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定对象(2)相对于激光雷达(3)的当前位置和/或朝向的方法,其中相机系统(11、11

)附接到所述激光雷达,所述方法包括以下步骤:

通过以下方法确定所述对象相对于相机系统的位置和/或朝向:以所述相机系统获取所述对象的一张或多张图像,观察与所述一张或多张图像中的对象具有固定空间关系的至少三个参考目标(12),从存储器获取所述对象上的至少三个参考目标的位置和/或彼此间的相对空间关系,以及通过使用所述至少三个参考目标彼此间的位置和/或相对空间关系,以及观察到的至少三个参考目标计算所述三个参考目标相对于相机系统的位置和/或朝向;

从存储器中获取所述相机系统与所述激光雷达之间的空间关系;以及

使用所述对象相对于相机系统的位置和/或朝向以及所述相机系统与所述激光雷达之间的空间关系,计算所述对象相对于所述激光雷达的空间位置和/或朝向。2.根据权利要求1所述的方法,还包括将所述相机系统与机器人一起从第一位置移动到第二位置的步骤,其中所述第二位置是所述当前位置。3.根据权利要求2所述的方法,其中,所述激光雷达的当前位置和/或朝向是响应于所述相机及激光雷达随所述机器人的移动而确定,并且特别是响应于确定所述移动已经结束时而确定。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,还包括以下步骤:计算所述三个参考目标相对于所述相机系统的方向,以及使用计算所得的方向来计算所述相机系统相对于所述三个参考目标的位置和/或朝向。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述相机系统(11)固定地附接到所述激光雷达的波束转向机构,特别是反射镜。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述相机系统固定地安装到所述激光雷达(3)的主体(5),使得所述相机系统与所述激光雷达之间的空间关系保持固定。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述至少三个目标(12)位于所述对象(2)上。8.根据前述权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员:奥维德
申请(专利权)人:迈卓诺工业有限公司
类型:发明
国别省市:

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