安装误差获取方法、装置和3D打印机与流程

安装误差获取方法、装置和3d打印机
技术领域
1.本技术实施例涉及3d打印技术领域，并且更具体的，涉及一种安装误差获取方法、装置和3d打印机。


背景技术：

2.3d打印机又称为三维打印机，是一种利用快速成型技术的机器，以数字模型文件为基础，采用成型材料，通过累积成型的方式来构造三维的实体。3d打印技术凭借其诸多优势而得到快速发展，3d打印机的需求也越来越大。
3.其中，3d打印机的机械安装过程中不可避免的存在安装误差。特别是对于一些开放式的打印机，其安装误差可能会更大。当前，针对机械安装误差，一般采用手动调整安装螺丝松紧的方式，实现手动校准机械安装偏差，这往往需要重复多次，耗时耗力，且校准效果并不理想。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种安装误差获取方法、装置和3d打印机，能够有效获取3d打印机的安装误差，以实现高质量打印和智能化水平。
5.第一方面，提供了一种安装误差获取方法，应用于3d打印机，该3d打印机包括采集装置、热床和打印喷头。其中，采集装置和打印喷头的相对位姿固定，且采集装置随着打印喷头移动。该方法包括：控制采集装置对热床上的固定区域进行扫描得到背景点云，控制打印喷头根据预设参数在固定区域上打印标定模型，控制采集装置采集包含固定区域和标定模型的全景点云，对全景点云和背景点云进行处理，得到包含标定模型的前景点云，根据前景点云和采集装置的理想安装位置，确定采集装置的实际安装位置相对于理想安装位置的安装误差。
6.基于本技术提供的方案，根据采集装置获取的包含固定区域的背景点云、包含固定区域和标定模型的全景点云，能够确定包含标定模型的前景点云。同时，在固定区域打印自定义形状的标定模型，为获取采集装置的安装误差提供了基准坐标，即基于前景点云和采集装置的理想安装位置能够获取采集装置的安装误差，便于对采集装置进行校准。另外，基于该安装误差，能够有效校准采集装置获取的点云数据，实现3d打印机的自校准，降低3d打印机在机械安装的精度要求，解决了由于反复手动校准导致的耗时耗力、准确度低的问题，提高了3d打印的准确度和智能化水平。
7.第二方面，提供了一种安装误差获取装置，包括：控制单元，用于控制采集装置对热床上的固定区域进行扫描得到背景点云；控制打印喷头根据预设参数在固定区域上打印标定模型；控制采集装置采集包含固定区域和标定模型的全景点云；处理单元，用于对全景点云和背景点云进行处理得到包含标定模型的前景点云；根据前景点云和采集装置的理想安装位置，确定采集装置的实际安装位置相对于理想安装位置的安装误差。
8.第三方面，提供了一种3d打印机，包括：采集装置、热床、打印喷头和主控芯片，采
集装置和打印喷头的相对位姿固定，且采集装置随着打印喷头移动。其中，打印喷头用于在热床上的固定区域打印标定模型，采集装置用于采集包括热床的前景点云和包括热床和标定模型的全景，主控芯片用于控制打印喷头和采集装置，以及根据如第一方面及其第一方面中任一种可能的实现方式中的方法对前景点云和全景点云进行处理，以得到采集装置的实际安装位置相对于理想安装位置的安装误差。
9.第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，当计算机程序在计算机上运行时，使得计算机执行如第一方面及其第一方面中任一种可能的实现方式中的方法。
附图说明
10.图1是本技术实施例提供的一种3d打印机的结构示意图。
11.图2是本技术实施例提供的3d打印机的俯视图。
12.图3是本技术实施例提供的3d打印机的工作原理的示意图。
13.图4是本技术实施例提供的一种安装误差获取方法的流程图。
14.图5是本技术实施例提供的标定模型的主视图、左视图、俯视图。
15.图6是本技术实施例提供的热床倾斜/非倾斜时对空床作直线拟合的示意图。
16.图7是本技术实施例提供的热床倾斜/非倾斜时对前景点云作直线分割的示意图。
17.图8是本技术实施例提供的一种基于标定模型理想坐标和实际坐标计算安装误差的原理的示意图。
18.图9是本技术实施例提供的一种安装误差获取装置的示意性框图。
19.图10是本技术实施例提供的一种3d打印机的结构示意图。
具体实施方式
20.为便于理解本技术的技术方案，作出以下几点说明。
21.本技术中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。在本技术的文字描述中，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
22.本技术中，“第一”、“第二”以及各种数字编号只是为了描述方便进行的区分，并不用来限制本技术实施例的范围。下文各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
23.本技术中，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或者单元。
24.本技术中，“示例性的”或者“例如”等用于表示例子、例证或说明，被描述为“示例性的”或者“例如”的实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念，便于理解。
25.在本技术中，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。类似的，第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
26.在本技术中，术语“中心”、“上”、“下”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
27.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“固定”、“设置”等术语应做广义理解，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
28.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“点云”可以替换为“点云数据”、“点云信息”、“点云坐标”等。
29.下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
30.3d打印机又称为三维打印机，是一种利用快速成型技术的机器，以数字模型文件为基础，采用成型材料，通过累积成型的方式来构造三维的实体。3d打印技术(或快速成型技术)凭借其诸多优势，在产品制造业获得了广泛应用。
31.图1是本技术实施例提供的一种3d打印机的结构示意图。如图1所示，以熔融沉积成型(fused deposition modeling，fdm)3d打印机为例进行说明，该3d打印机100包括线形卷材101、送料装置102、挤出机103、打印喷头104和热床105。其中，送料装置102可以是打印喷头103的一部分，送料装置102可以与线形卷材101相连。在实际打印过程中，送料装置102可以从线形卷材101上取得丝状的物料，并将丝状的物料通过挤出机103热熔之后，由打印喷头104射出在热床105上硬化堆积成型。3d打印所使用的物料一般是具有热塑性的物料，这些材料在高温下具有流动性，同时也具有良好的机械性能和一定的黏度，使得其能够在挤出机103中挤出。例如，3d打印机的材料包括高分子聚合物、低熔点金属以及其他可配成流动性膏状的物料(如膏状的陶瓷、高熔点金属粉末混合物、水泥等)。此外，该3d打印机100还可以包括控制模块，例如可以是控制芯片或处理芯片。在一些实现方式中，该控制模块可以集成在打印喷头103上，用于控制物料的流量和速度的控制装置等。
32.图2是本技术实施例提供的3d打印机的俯视图。如图2所示，该3d打印机200包括热床210、打印喷头220及采集装置230。其中，打印喷头220包括打印喷头中心250和相机230，采集装置230包括相机中心260。可以看出，打印喷头220和采集装置230固定在一起，以使得采集装置230可以跟随打印喷头220一起移动。
33.可选的，采集装置230可以是深度相机、激光轮廓仪或激光雷达等。其中，激光轮廓仪作为高精度的测量设备，测量精度可以达到50微米，能够帮助3d打印机实现高精度调平、高精度实时打印质量检测等功能，进而提高智能化水平。
34.可选的，本技术实施例以采集装置230为激光轮廓仪为例进行说明，激光轮廓仪可以通过机械连接(例如支架)安装在打印喷头220的旁边，或者，激光轮廓仪也可以安装到打印喷头220的里面，本技术不做任何限制。应理解，一旦激光轮廓仪与打印喷头220安装完成之后，激光轮廓仪与打印喷头120的相对位姿固定，即二者分别在x、y、z轴的相对偏差量是固定的，这里假设x、y、z轴分别平行于该3d打印机的x、y、z的三个传动轴的运动方向。进一
步的，激光轮廓仪可以按照预设轨迹对热床210进行扫描，以获取相关的点云数据。
35.需要说明的是，上述图1和图2所示的3d打印机的示意图仅是为便于理解给出的示例，不对本技术技术方案构成任何限定，图中示出的各部件之间的相对距离、各部件的外形及尺寸并不一定与实物相同或按比例缩放。
36.可以理解的是，在激光轮廓仪与打印喷头220的机械安装过程中，激光轮廓仪的理想位置和实际位置之间可能存在安装误差，包括安装偏差和安装偏转，并且安装偏差往往达到毫米级别，安装偏转的偏转角往往达到度的数量级。特别是对于一些开放式的打印机、或者用户自己组装的轮廓仪配件的机型，其安装误差可能会更大。而且，每台3d打印机的激光轮廓仪的安装误差大多不相同。针对机械安装偏差，一般采用手动调整安装螺丝松紧的方式，对机械安装偏差进行校准，该操作方式往往需要重复多次，耗时耗力，且校准效果并不理想。因此，如何获取有效的激光轮廓仪的安装误差是需要考虑的问题。
37.基于上述技术问题，本技术提供了一种安装误差获取方案，能够有效获取激光轮廓仪的安装误差，降低了机械安装的精度要求，便于根据该安装偏差对后续采集的点云进行校准，同时解决了反复手动校准耗时耗力、准确度低的问题，提高了3d打印的智能化水平。
38.下面，结合图3对3d打印机的工作原理进行具体说明。为了便于理解和描述，以3d打印机中的采集装置为激光轮廓仪为例进行说明。
39.图3是本技术实施例提供的3d打印机的工作原理的示意图。如图3所示，该激光轮廓仪300(例如，也可以是图2所示的采集装置230)包括线激光发射器310、相机320及处理芯片(未示出)，线激光发射器310的光轴与相机320的光轴呈一定的夹角或光轴相对平行安装。
40.可选的，上述线激光发射器310可以是单线、多线、单点或者多点激光光源。这是因为激光具有准直性高、方向性强的优点，能够提升校准的准确性和效率。
41.可选的，上述相机320可以为电荷耦合元件(charge-coupled device，ccd)或者互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)或者其他能够接收红外光、紫外光等的感光元件。进一步的，处理芯片包含独立的专用电路，比如包含cpu、存储器、总线等组成的专用soc芯片、fpga芯片、asic芯片等，也可以包含通用处理电路，比如当该激光轮廓仪被集成到如手机、电视、电脑、扫描仪及3d打印机等智能终端中去，终端中的处理电路可以作为该处理器至少一部分。
42.基于激光三角测量原理，利用线激光发射器310将线激光投射到待测物体330上，通过相机320拍摄图像，并提取出图像中线激光的中心线，随后通过光平面方程以及已标定的相机320的内外参计算，得到待测物体330在世界坐标系下的点云数据。其中，z轴高度变化在相机320中表现为像素的移动。
43.在第一种实现方式中，激光轮廓仪300中的线激光发射器310向待测物体330发射一根线激光，该线激光形成一个光刀平面，一个光刀平面对应一个光刀平面方程，该光刀平面方程可通过标定得到。激光轮廓仪300中的相机320采集经待测物体330反射的线激光在成像平面形成线图像，提取该线图像中线激光上的任一点，并从相机320的光心出发与线激光的任一点形成一条射线，通过该射线与光刀平面的交点即可确定任一点在相机坐标系下的三维坐标，进而得到待测物体330在相机坐标系下的点云数据，再基于已标定的相机320
的内外参，即可获得待测物体330在世界坐标系下的点云数据。其中，该世界坐标系的原点通常可以定义为3d打印机的热床上的一个角点，x轴和y轴为与标定模型的角点相交的侧边，x轴和y轴分别平行于3d打印机的x和y两个传动轴的运动方向。可选的，也可以通过其他方式构建世界坐标系，本技术对此不作限制。
44.在第二种实现方式中，可以通过中心线提取算法，提取线图像中线激光上的中心线，从相机220的光心出发与线激光的任一中心点形成一条射线，求取该射线与光刀平面的交点，便可确定该任一中心点的三维坐标，进而得到待测物体330的点云数据。
45.相比于上述第一种实现方式，即直接通过线激光上的任一点计算待测物体330的点云数据，该第二种实现方式中，通过计算线激光上的中心线得到相应的中心点具备亚像素坐标，通过亚像素的中心点获取点云数据，可以提高点云数据的精度。可选的，该实现方式中获取的点云数据可以是相机坐标系下的点云数据。
46.可选的，针对上述两种实现方式或其他实现获取的点云数据，还可以对其进行滤波处理以提高点云数据的精度。
47.可选的，激光轮廓仪300中的相机320也可以单独使用，用于采集待测物体3300的二维图像，以进一步获取待测物体330的线宽、图形、纹理等信息。
48.需要说明的是，图3所示的激光轮廓仪300仅是为便于理解给出的示例，不构成对本技术技术方案的限定。可选的，本技术不限制线激光发射器310和相机320的数量，线激光发射器310发射的激光的波长，线激光发射器310的光轴和相机320的光轴之间的夹角，以及线激光发射器310和相机320的朝向。例如，相机320垂直向下照射且线激光发射器310斜向下照射，或者，线激光发射器310垂直向下照射且相机320斜向下照射，或者，线激光发射器310和相机320都斜向下照射的场景同样落在本技术技术方案的保护范围。
49.另外，上述以采集装置为激光轮廓仪进行说明，在其他实施例中，采集装置也可以是基于三角法或单点直接飞行时间的单点的测距仪、多线的测距仪、散斑结构光/双目相机、基于泛光/散斑/线阵的间接飞行时间相机等可以获取3d信息的设备均落在本技术保护的范围内。
50.下面，结合图2和图3，对相机内参的标定和激光轮廓仪(即，采集装置)的安装偏差的校正的必要性进行示例说明。
51.在一种示例中，根据激光轮廓仪300(对应图2所示的采集装置230)中已标定的相机320的内参，可以矫正相机320镜头的畸变。例如，在图2所示的热床210的侧边设置标定板240，该标定板240与热床210相对平行。基于图3所述的激光轮廓仪的工作原理，激光轮廓仪300可以先采集包括标定板240的标定图像，再根据预设标定算法对标定图像进行标定，以获取相机320的内参。其中，预设标定算法可以是张正友标定算法或其他标定算法。
52.在一种示例中，上述图3所示的激光轮廓仪300测量获得的点云数据是在激光轮廓仪300的相机坐标系oc下表示的，该相机坐标系oc的原点对应激光轮廓仪300的相机光心。假设某个点云在相机坐标系oc下的坐标位置表示为(xc，yc，zc)，考虑到在移动激光轮廓仪300获取多帧点云数据的过程中，以激光轮廓仪300的相机光心为原点的相机坐标系oc相对于世界坐标系发生了移动，导致无法直接将相机坐标系oc下的点云数据转换到世界坐标系下，也就暂时无法实现多帧点云拼接，需要将每帧点云映射到同一世界坐标系下才可实现多帧点云拼接。
53.例如，由于打印喷头220在世界坐标系的坐标是已知的，可以先将每帧点云数据映射到打印喷头坐标系下，进而将映射后的每帧点云坐标转换到世界坐标系下，以实现多帧点云拼接。
54.再例如，在3d打印机的扫描过程中，控制图2所示的打印喷头220按照预设打印轨迹运动，由于激光轮廓仪300安装于打印喷头220的一侧，当打印喷头220移动时，激光轮廓仪300随着打印喷头220一起移动。基于此，主机可以实时获得打印喷头220在世界坐标系下的坐标位置，例如(p_xw，p_yw，p_zw)，再获取激光轮廓仪300与打印喷头220之间的相对位姿，便可以将相机坐标系oc下的多帧点云数据映射到世界坐标系下。
55.应理解，激光轮廓仪300与打印喷头220之间的相对位姿取决于激光轮廓仪300相对于打印喷头220的安装位置。理论上，激光轮廓仪300相对于打印喷头220平行设置(如图2所示)，激光轮廓仪300的底端与打印喷头220的底端位于同一直线上，但在激光轮廓仪300进行机械安装的过程中，可能会引入安装误差，导致激光轮廓仪300的实际安装位置并非激光轮廓仪300的理想安装位置，因此需要计算激光轮廓仪300的安装误差，从而对激光轮廓仪300采集的点云数据进行校准。
56.示例性的，激光轮廓仪300的安装误差包含安装偏差和安装偏转。其中，安装偏转角在一定距离上表现为固定值，由于激光轮廓仪300在距离热床330的固定位置处工作，即安装偏转角对应的固定偏差可以表示为δ＝h
·
tanθ，h为该激光轮廓仪300与热床210之间的距离，θ为线激光发射器310的光轴和相机320的光轴之间的夹角。基于此，激光轮廓仪300最终的安装误差相当于安装偏差和固定偏差δ之和，也即对激光轮廓仪300最终的安装偏差进行校准即可。
57.进一步的，在进行坐标系转换的过程中，激光轮廓仪300的z轴方向上的距离表示激光轮廓仪300与待测物体340之间的相对距离，该距离为纵向距离且可通过激光轮廓仪300实时测量，也即该距离与激光轮廓仪300与打印喷头220之间的相对位姿无关。因此，z轴坐标通过标定板240进行校准，得到世界坐标系下的z轴坐标，进而对激光轮廓仪300在x轴和y轴的安装偏差进行校准即可。
58.基于上述图1至图3，下面结合图4至图8，对采集装置的安装误差的获取和校准方法进行详细说明。
59.首先，对本技术实施例中涉及的全景点云、背景点云以及前景点云进行说明。其中，背景点云可以是指在3d打印机在打印之前，对空的热床上的某一固定区域进行扫描得到的点云数据。全景点云可以是指在某一固定区域上打印标定模型之后，3d打印机对包括热床的固定区域和标定模型的区域进行扫描得到的点云数据。前景点云可以是指仅包括标定模型的点云数据。应理解，本技术实施例中涉及的点云数据可以是三维坐标信息、颜色信息、光强度信息等。可选的，为了降低计算量，可以采用相同密度采集背景点云数据和全景点云。
60.图4是本技术实施例提供的一种安装误差获取和校准方法400的流程图，应用于3d打印机，如图2所示，该3d打印机200包括采集装置230、热床210和打印喷头220。可选的，该3d打印机200还可以包括主控芯片，该安装误差获取和校准方法可以由主控芯片控制执行。如图4所示，该方法包括如下多个步骤。
61.s410，控制采集装置对热床上的固定区域进行扫描，得到背景点云。
62.示例性的，以采集装置230为激光轮廓仪300为例，在热床210上选取固定区域，主控芯片可以控制激光轮廓仪300对该固定区域进行扫描，具体的，控制激光轮廓仪300中的激光发射器310发射第一光束至该固定区域，经固定区域反射该第一光束至激光轮廓仪300中的相机320，使得该相机320采集反射后的第一光束生成相应的第一图像，进而对该第一图像进行处理，得到该固定区域对应的背景点云。
63.s420，控制打印喷头根据预设参数在固定区域上打印标定模型。
64.示例性的，主控芯片可以控制打印喷头220按照预设参数在热床210上的固定区域打印标定模型。该标定模型可以是通过预设参数确定的。例如，该预设参数包括以下至少一项：标定模型的长度，标定模型的高度，或者标定模型在热床210上的坐标信息等。应理解，将标定模型打印在固定区域的目的是为了提供一个基准坐标，便于后续确定采集装置的安装误差。
65.示例性的，标定模型可以由多种样式，例如单点图形、圆形、环形、方形、三角形、或三棱柱等。在本本技术实施例中，标定模型的样式的设计可以考虑以下一个或多个方面：便于快速打印、打印精度高、便于提取点坐标等。其中，点坐标可以是圆形的几何中心的坐标，或者是三角形的角点的坐标，本技术对此不作限定。
66.图5是本技术实施例提供的一种标定模型的主视图、左视图、俯视图。以标定模型为三棱柱为例，如图5所示，该三棱柱的俯视图为等腰直角三角形，直角边长为20mm。该三棱柱的主视图和左视图均为矩形，对应的边长分别为20mm和0.2mm。应理解，图5提供的标定模型仅是为便于理解方案给出的示例，本技术对标定模型的形状和计算方式不作具体限定。
67.s430，控制采集装置采集包含固定区域和标定模型的全景点云。
68.示例性的，基于步骤s420，在热床210上的固定区域打印标定模型之后，可以将激光轮廓仪300移动至标定模型的上方，例如激光轮廓仪300和标定模型之间的距离大于第一阈值，确保激光轮廓仪300中的相机320的采集视场角能够完全覆盖该标定模型，以使得相机320能够采集到该全景点云。进一步的，主控芯片可以控制激光轮廓仪300中的激光发射器310发射第二光束至包括该标定模型的固定区域，经包括该标定模型的固定区域反射该第二光束至激光轮廓仪300中的相机310，使得该相机310采集反射后的第二光束生成相应的第二图像，进而对该第二图像进行处理，得到包括该标定模型和该固定区域的全景点云。
69.可选的，该第一阈值可以是根据经验设置的预设值。例如，该第一阈值可以是根据应用场景、曝光时间或采集信息的准确度等因素确定的阈值。
70.s440，对全景点云和背景点云进行处理，得到包含标定模型的前景点云。
71.基于背景点云对全景点云进行处理，可以从全景点云中分离出仅包含标定模型的前景点云以及仅包含固定区域的背景点云。本技术通过多种实现方式对从全景点云中分离出仅包含标定模型的前景点云以及仅包含固定区域的背景点云进行说明，具体如下：
72.方式1：最小二乘法。
73.示例性的，对背景点云使用最小二乘法进行拟合以求解直线方程，计算对全景点云中的每个点到该直线的距离，根据距离从所述全景点云中分离出所述背景点云和所述前景点云；其中，点到直线的距离大于预设距离阈值的点云属于标定模型，即该点云归类为包含标定模型的前景点云；点到直线的距离小于预设距离阈值的点云属于热床210上的固定区域，即该点云归类为背景点云。
74.图6是本技术实施例提供的在热床210倾斜/非倾斜的情况下，对空的热床210上的固定区域采集的背景点云进行直线拟合的示意图。如图6的(a)所示，以热床210具有一定倾斜程度为例，对固定区域上的背景点云使用最小二乘求解拟合直线方程，例如中间的细线条可以表示拟合的直线方程，即z＝kx+b，两侧的细线条表示距离该拟合直线的距离均为t的边界线。类似的，如图6的(b)所示，以热床210非倾斜为例，对固定区域上的背景点云使用最小二乘求解拟合直线方程，例如z＝2500，两侧的细线条表示距离该拟合直线的距离均为t的边界线。
75.进一步的，基于图6的拟合直线方程，对全景点云中的每个点云求解点到拟合直线的距离，若点到直线的距离大于阈值，则该点云为包含标定模型的前景点云，若点到直线的距离小于阈值，则该点云为包含固定区域的背景点云。
76.方式2：点云聚类。
77.示例性的，设置两个起始平面方程，计算全景点云中的每个点云到这两个平面的距离，基于距离判断全景点云中各点距离哪个平面更近，并基于点到面的距离将全景点云中各点归类到两个平面，根据归类到各平面的点更新平面方程，使得点到平面的距离最小，同时更新该点云属于平面的状态，直到全景点云中归类后的各点到各自平面的距离和最小，从而得到两个高度不同的平面，其中一个平面的点云为前景点云，另一平面的点云为背景点云，如得到两个高度不同的平面，其中，高的平面为标定模型的平面，属于该平面的点云为包含标定模型的前景点云；低的平面为固定区域的平面，属于该平面的点云为包含固定区域的背景点云。
78.方式3：平面分割。
79.示例性的，利用最小二乘法对背景点云进行处理以求解误差最小的一个平面方程，求解全景点云上的每个点到该平面的距离，若距离为正(即，点云在平面上方)，则确定该点云为包含标定模型的前景点云；若距离为负(即，点云在平面下方)，则确定该点云为包含固定区域的背景点云。
80.方式4：作差法。
81.示例性的，将全景点云与背景点云对应的点云坐标一一进行相减，得到前景点云。
82.方式5：阈值分割。
83.示例性的，根据背景点云得到的热床高度设置一个高度阈值，通过高度阈值分离前景点云和背景点云。如预先设置一高度阈值为基于背景点云得到的热床210高度的平均值，例如，将全景点云中大于高度阈值的点云确定为包含标定模型的前景点云，将全景点云中小于高度阈值的点云确定为包含固定区域的背景点云。
84.需要说明是的，上述方式1至方式4可以适用于热床210倾斜或不倾斜的情况，方式5可以适用于热床210不倾斜的情况。应理解，以上提供的实现方式仅是为便于理解方案给出的示例，不应构成对本技术技术的任何限定。
85.s450，根据前景点云和采集装置的理想安装位置，确定采集装置的实际安装位置相对于理想安装位置的安装误差。
86.示例性的，主控芯片可以根据上述步骤s440确定的前景点云，以及预存的采集装置的理想安装位置，确定采集装置安装误差。其中，该采集装置的安装误差是根据采集装置的实际安装位置和理想安装位置的比较结果确定的。
87.图7是本技术实施例提供的在热床210倾斜/非倾斜的情况下，对包含标定模型的前景点云作直线分割的示意图。示例性的，图7的(a)所示的热床210具有一定倾斜程度，图7的(b)所示的热床210为非倾斜状态，如图所示，标定模型的两侧边分别对应前景点云和背景点云的阶梯处，也即标定模型的两侧边与激光轮廓仪300的发射激光线相交的点为该标定模型的两侧边(也即该标定模型的直角边和斜边)的端点，例如分别记作(x1，y1)和(x2，y2)。分别对该端点(x1，y1)和(x2，y2)的理想坐标和实际坐标进行作差，将计算得到的差值作为激光轮廓仪300的实际安装位置相对于理论安装位置的安装误差，从而利用该安装误差来校准该激光轮廓仪300后续采集的点云数据，保证打印质量。
88.图8是本技术实施例提供的一种基于标定模型理想坐标和实际坐标计算安装误差的原理示意图。以图2所示的3d打印机为例，如图8所示，假设激光轮廓仪坐标系和打印喷头坐标系方向一致，即横坐标为x轴方向，纵坐标为y轴方向。由于激光轮廓仪230和打印喷头220之间的相对位姿是固定的，即二者之间的机械安装理论偏移是已知的。
89.示例性的，(d
x
，dy)＝(x
lky
，y
lky
)-(x
p
，y
p
)。其中，(d
x
，dy)表示激光轮廓仪230和打印喷头220之间的机械安装理论偏移值，(x
lky
，y
lky
)表示激光轮廓仪230的坐标，(x
p
，y
p
)表示打印喷头220的坐标。
90.如图8所示，若将打印喷头220移动至坐标(c
x
+d
x
，cy+dy)，此时在安装误差不存在的情况下，也就是说，此时激光轮廓仪230的理想位置在坐标(c
x
，cy)处，且该坐标(c
x
，cy)亦是已知值。但是，在实际安装过程中，激光轮廓仪230的实际安装位置往往与理论安装位置存在安装误差(d
x
′
,dy′
)，使得激光轮廓仪330此时的实际位置在坐标(c
x
+d
x
′
，cy+dy′
)处。因此，需要计算出该安装误差(d
x
′
，dy′
)，以通过该安装误差(d
x
′
，dy′
)来校准该激光轮廓仪300后续采集的点云数据，保证打印质量。
91.具体的，分别利用标定模型的直角边的端点对激光轮廓仪300在x轴上的偏差，以及利用标定模型的斜边的端点对激光轮廓仪300在y轴上的偏差进行校准。
92.在一种示例中，根据预存的激光轮廓仪300的理想位置和标定模型的几何性质，假设标定模型为等边直角三角形且边长已知，确定该标定模型在激光轮廓仪300的理想坐标系下的直角边端点(即标定模型的直角边与理论激光线的交点)的理想坐标为(x
gt
，y
gt
)，但在激光轮廓仪300的实际坐标系下的直角边端点(即标定模型的直角边与实际激光线的交点)的实际坐标为(x1，y1)，则d
x
′
＝x
1-x
gt
。
93.在一种示例中，基于上述得到的x轴偏差，需要对激光轮廓仪300的实际坐标系下的斜边端点(x2，y2)先进行x轴上的校准，进而得到校准后的激光轮廓仪300的理想坐标系下的x坐标x2′
＝x2+d
x
′
。然后，根据标定模型的斜边在激光轮廓仪300的理想坐标系下的直线方程y＝-x，计算在激光轮廓仪300的理想坐标系下的y坐标的理论值y
gt
＝-x2′
，基于激光轮廓仪300在y轴的安装偏差等于y的理论值减去实际测量值，即dy′
＝y
gt-y2＝-x2′-y2＝-x
2-d
x
′-y2。
94.综上所述，激光轮廓仪300分别在x轴和y轴上的安装误差为d
x
′
和dy′
，进而用于校准后续激光轮廓仪300采集的点云数据。
95.需要说明的是，基于上述步骤s410至s450，可以有效获取采集装置的安装误差，实现对采集装置的校准，进而后续通过包含该采集装置的3d打印机(例如图1至图3所示)采集点云数据之后，可以基于上述获取的安装误差对采集的点云数据进行校准，保证3d打印机
的质量和稳定性。
96.可选的，在每次进行点云数据采集(例如，步骤s460中采集第一点云)之前，可以执行上述步骤s410至s450。或者，也可以周期性执行上述步骤s410至s450，例如每执行10次点云数据的采集，对应执行一次上述步骤s410至s450等。也就是说，本技术对采集装置的安装误差的获取条件，或者使用次数不作具体限定。
97.可选的，在执行上述步骤s410至s450之后，通过执行步骤s460和s470可以得到校准后的点云数据。
98.s460，控制采集装置采集第一点云，该第一点云的坐标为(x，y，z)。
99.示例性的，通过图1至图3所示的3d打印机及其工作原理，主控芯片可以控制采集装置采集得到第一点云，具体实现方式可参考上述相关说明，这里不作赘述。
100.s470，根据安装误差对第一点云进行校准，得到校准后的第二点云。
101.示例性的，若激光轮廓仪300分别在x轴和y轴上的安装误差为d
x
′
和dy′
，则该校准后的第二点云的坐标为(x+d
x
′
，y+dy′
，z)。也就是说，将激光轮廓仪300采集的第一点云的坐标x和y分别加上激光轮廓仪300在x轴和y轴方向上的安装误差，即可实现对该第一点云的校准，即第二点云。
102.上文结合图1至图8详细描述了本技术实施例中的安装误差获取方法，下面将结合图9和图10描述本技术实施例的误差校准装置。应理解，装置实施例的描述与方法实施例的描述相互对应，因此，未详细描述的部分可以参见前面方法实施例。
103.图9是本技术实施例提供的一种安装误差获取装置的示意性框图。如图9所示，该装置1000可以包括控制单元1010和处理单元1020，其中，控制单元1010，用于控制采集装置对热床上的固定区域进行扫描得到背景点云；控制打印喷头根据预设参数在固定区域上打印标定模型；控制采集装置采集包含固定区域和标定模型的全景点云；处理单元1020，用于对全景点云和背景点云进行处理得到包含标定模型的前景点云；根据前景点云和采集装置的理想安装位置，确定采集装置的实际安装位置相对于理想安装位置的安装误差。
104.应理解，这里的装置1000以功能单元的形式体现。这里的术语“单元”可以指应用特有集成电路(application specific integrated circuit，asic)、电子电路、用于执行一个或多个软件或固件程序的处理器(例如共享处理器、专有处理器或组处理器等)和存储器、合并逻辑电路和/或其它支持所描述的功能的合适组件。
105.所述功能可以通过硬件实现，也可以通过硬件执行相应的软件实现。所述硬件或软件包括一个或多个与上述功能相对应的模块；例如处理单元等可以由处理器替代，执行上述方法实施例中的处理操作。
106.此外，上述处理单元可以是处理电路。在本技术的实施例，图9中的装置可以是前述实施例中的3d打印机，也可以是芯片或者芯片系统，例如：片上系统(system on chip，soc)。其中，处理单元为该芯片上集成的处理器或者微处理器或者集成电路。在此不做限定。
107.图10是本技术实施例提供的3d打印机的示意性框图。如图10所示，3d打印机2000包括热床2010、打印喷头2020、采集装置2030和主控芯片2040；其中，打印喷头2020，用于在热床2010固定区域上打印标定模型；采集装置2030，用于采集仅包括热床2010的背景点云和包括热床2010和标定模型的全景点云；主控芯片2040用于根据本技术一个或多个实施例
提供的误差获取方法控制打印喷头2020和采集装置2030及对采集装置2030采集的背景点云和全景点云进行处理以获取采集装置2030的实际安装位置相对于理想安装位置的安装误差。
108.示例性的，主控芯片2040，用于控制采集装置2030对热床2010上的固定区域进行扫描得到背景点云；控制打印喷头2020根据预设参数在固定区域上打印标定模型；控制采集装置2030采集包含固定区域和标定模型的全景点云；对全景点云和背景点云进行处理得到包含标定模型的前景点云；根据前景点云和采集装置2030的理想安装位置，确定采集装置的实际安装位置相对于理想安装位置的安装误差。
109.在一个实施例中，主控芯片2040包括处理器，用于发送控制信号以控制各组成部件，还用于执行本技术实施例提供的安装误差获取方法。可选地，如图10所示，主控芯片2040还可以包括存储器。其中，主控芯片2040可以从存储器中调用并运行安装误差获取程序，以实现本技术实施例中的方法。其中，存储器可以是独立于主控芯片的一个单独的器件，也可以集成在主控芯片中。
110.可选的，该存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。该主控芯片2040可以用于执行存储器中存储的指令，并且当该主控芯片2040执行存储器中存储的指令时，该主控芯片2040用于执行上述安装误差获取方法中的各个步骤和/或流程。
111.在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
112.应注意，本技术实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。本技术实施例中的处理器可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
113.可以理解，本技术实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read-only memory，rom)、可编程只读存储器(programmable rom，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable prom，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically eprom，eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，ram)，其用作外部高
速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram，sram)、动态随机存取存储器(dynamic ram，dram)、同步动态随机存取存储器(synchronous dram，sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate sdram，ddr sdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced sdram，esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink dram，sldram)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus ram，dr ram)。应注意，本文描述的系统和方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
114.可选的，本技术实施例还提供了一种芯片，包括处理器，处理器可以从存储器中调用并运行计算机程序，以实现本技术实施例中的方法。
115.可选的，本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，计算机程序使得计算机执行本技术实施例中的方法。
116.可选的，本技术实施例还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序指令，计算机程序指令使得计算机执行本技术实施例中的方法。
117.可选的，本技术实施例还提供了一种计算机程序。计算机程序使得计算机执行本技术实施例中的方法。
118.可以理解，本技术实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read-only memory，rom)、可编程只读存储器(programmable rom，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable prom，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically eprom，eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram，sram)、动态随机存取存储器(dynamic ram，dram)、同步动态随机存取存储器(synchronous dram，sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate sdram，ddr sdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced sdram，esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink dram，sldram)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus ram，dr ram)。应注意，本文描述的系统和方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
119.虽然已经参考优选实施例对本技术进行了描述，但在不脱离本技术的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本技术并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

技术特征：
1.一种安装误差获取方法，其特征在于，应用于3d打印机，所述3d打印机包括采集装置、热床和打印喷头，所述采集装置和所述打印喷头的相对位姿固定，且所述采集装置随着所述打印喷头移动，所述方法包括：控制所述采集装置对所述热床上的固定区域进行扫描，得到背景点云；控制所述打印喷头根据预设参数，在所述固定区域上打印标定模型；控制所述采集装置采集包含所述固定区域和所述标定模型的全景点云；对所述全景点云和所述背景点云进行处理，得到包含所述标定模型的前景点云；根据所述前景点云和所述采集装置的理想安装位置，确定所述采集装置的实际安装位置相对于所述理想安装位置的安装误差。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：控制所述采集装置采集第一点云，所述第一点云的坐标为(x，y，z)；根据所述安装误差对所述第一点云进行校准，得到校准后的第二点云，所述第二点云的坐标为(x+d
x’，y+d
y’，z)；其中，d
x’表示所述采集装置在x轴方向上的安装误差，d
y’表示所述采集装置在y轴方向上的安装误差。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对所述全景点云和所述背景点云进行处理，得到包含所述标定模型的前景点云，包括：对所述全景点云和所述背景点云进行作差，得到包含所述标定模型的前景点云。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对所述全景点云和所述背景点云进行处理，得到包含所述标定模型的前景点云，包括：利用所述背景点云从所述全景点云中分离出仅包含所述标定模型的前景点云以及仅包含所述固定区域的背景点云。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用所述背景点云从所述全景点云中分离出仅包含所述标定模型的前景点云以及仅包含所述固定区域的背景点云，包括：利用最小二乘法对所述背景点云进行拟合以求解直线方程，计算所述全景点云中的每个点到所述直线的距离；根据所述距离从所述全景点云中分离出所述背景点云和所述前景点云；其中，点到直线的距离大于预设距离阈值的点云归类为所述前景点云；点到直线的距离小于预设距离阈值归类为所述背景点云。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用所述背景点云从所述全景点云中分离出仅包含所述标定模型的前景点云以及仅包含所述固定区域的背景点云，包括：设置两个起始平面方程，计算所述全景点云中的每个点到所述两个平面的距离；基于点到面的距离将所述全景点云中的每个点归类到所述两个平面；根据归类到各平面的点更新所述两个起始平面方程，使得点到平面的距离最小，同时更新所述点属于平面的状态，直到所述全景点云中归类后的每个点到各自对应的平面的距离之和最小，得到两个高度不同的平面；其中，一个平面的点云为所述前景点云，另一平面的点云为所述背景点云。7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用所述背景点云从所述全景点云中分离出仅包含所述标定模型的前景点云以及仅包含所述固定区域的背景点云，包括：
利用最小二乘法对所述背景点云进行处理以求解误差最小的一个平面方程；求解所述全景点云上的每个点到平面的距离，若点到平面的距离为正，则将所述点划分为所述前景点云；若点到平面的距离为负，则将所述点划分为所述背景点云。8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用所述背景点云从所述全景点云中分离出仅包含所述标定模型的前景点云以及仅包含所述固定区域的背景点云，包括：根据所述背景点云得到热床高度设置一个高度阈值，通过所述高度阈值从所述全景点云中分离所述前景点云和所述背景点云；其中，将所述全景点云中大于所述高度阈值的点云确定为所述前景点云，将所述全景点云中小于所述高度阈值的点云确定为所述背景点云。9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述标定模型包含至少一个直角边和一个斜边；所述根据所述前景点云和所述采集装置的理想安装位置，确定所述采集装置的实际安装位置相对于所述理想安装位置的安装误差，包括：确定所述标定模型在所述采集装置的理想坐标系下的直角边端点的理想坐标，以及确定所述标定模型在所述采集装置的实际坐标系下的所述直角边端点的实际坐标；根据所述直角边端点的理想坐标和所述直角边端点的实际坐标，确定所述采集装置在x轴方向上的安装误差。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：确定所述标定模型在所述采集装置的实际坐标系下的斜边端点的实际坐标；根据所述斜边端点的实际坐标和所述采集装置在x轴方向上的安装误差，确定所述采集装置在y轴方向上的安装误差。11.一种安装误差获取装置，其特征在于，包括：控制单元，用于控制采集装置对热床上的固定区域进行扫描得到背景点云；控制打印喷头根据预设参数在所述固定区域上打印标定模型；控制所述采集装置采集包含所述固定区域和所述标定模型的全景点云；处理单元，用于对所述全景点云和所述背景点云进行处理得到包含所述标定模型的前景点云；根据所述前景点云和所述采集装置的理想安装位置，确定所述采集装置的实际安装位置相对于理想安装位置的安装误差。12.一种3d打印机，其特征在于，包括：采集装置、热床、打印喷头和主控芯片，所述采集装置和所述打印喷头的相对位姿固定，且所述采集装置随着所述打印喷头移动；所述打印喷头，用于在所述热床上的固定区域打印标定模型；所述采集装置，用于采集包括热床的前景点云和包括热床和标定模型的全景点云；所述主控芯片，用于控制所述打印喷头和所述采集装置，以及根据如权利要求1至10中任一项所述的安装误差获取方法对所述前景点云和全景点云进行处理，以得到所述采集装置的实际安装位置相对于理想安装位置的安装误差。13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行如权利要求1至10中任一项所述的方法。

技术总结
本申请实施例提供了一种安装误差获取方法、装置和3D打印机。该方法包括：控制采集装置对热床上的固定区域进行扫描得到背景点云，控制打印喷头根据预设参数在固定区域上打印标定模型，控制采集装置采集包含固定区域和标定模型的全景点云，对全景点云和背景点云进行处理得到包含标定模型的前景点云，以及根据前景点云和采集装置的理想安装位置，确定采集装置的实际安装位置相对于理想安装位置的安装误差。本申请实施例的方法，能够有效获取采集装置的安装误差，解决了反复手动校准耗时耗力、准确度低的问题，进而提高打印质量和智能化水平。平。平。


技术研发人员：李冠群 黄勇 黄泽铗
受保护的技术使用者：奥比中光科技集团股份有限公司
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/9