CN102095386B - 一种二维小角度激光视觉精密测量装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维小角度激光视觉精密测量装置及其实现方法，涉及二维小角度测量领域，本发明采用分别与基准面和动面固定连接的参考平面反射镜与动平面反射镜，反映动面相对基准面的角度偏转，实现简单；准直激光束在参考平面反射镜与动平面反射镜之间多次反射，以动平面反射镜面上激光光斑的距离的变化反映角度偏转，并以激光光斑为对象实现非接触光学测量；立体视觉测量实现精确的激光光斑间空间距离的快速测量，大视场像机对应着较大的动态测量范围，因此，可实现快速、高精度和大动态范围二维小角度的测量；操作方便，实现简单，可满足航空、航天等测量的要求，也可广泛推广应用。

Description

一种二维小角度激光视觉精密测量装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及二维小角度测量领域，特别涉及一种采用激光视觉测量技术的二维小角度精密测量装置及其实现方法。

背景技术

角度是传统机械、仪器仪表和电子产品制造业中的重要几何参数之一，它的准确度直接影响着产品的质量与寿命，因而角度测量在几何量测量中占据着重要的地位。尤其是随着航空、航天、大型装备制造和大型建筑工程等领域的快速发展和需求，更体现出了二维小角度测量的广泛应用前景。比如在航天器飞行过程中，由于重力、太阳照射、机械振动等因素的影响，有效载荷与基准的连接支臂会发生微小的形变，从而使有效载荷在相对于基准的指向上产生小角度偏转，影响有效载荷的工作性能。如果能够准确地测量出该小角度偏转，就可以通过补偿的方法，有效地减小甚至消除该影响。

光学测角技术由于具有效率高、非接触、精度高、灵敏度高等特点，成为目前二维小角度测量研究与应用的主流技术。常用的光学测角方法有光学分度头法、多面棱体法、光电编码器法、自准直法、光纤法、声光调制法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法以及环形激光法等。上述方法虽然精度高，但大都局限于一维角度测量，或者具有实现复杂、操作不方便、测量动态范围小等缺点，不能满足航空、航天等测量的要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，扩大应用范围、扩大测量动态范围、实现简单和操作方便，本发明提供了一种二维小角度激光视觉精密测量装置及其实现方法，

一种二维小角度激光视觉精密测量装置，所述装置包括：立体视觉传感器、准直半导体激光器、参考平面反射镜和动平面反射镜，

所述参考平面反射镜、所述准直半导体激光器和所述立体视觉传感器固定连接在基准面上；所述动平面反射镜固定连接在动面上；所述参考平面反射镜与所述动平面反射镜的初始状态相互平行；所述准直半导体激光器发射的准直激光束斜射在所述动平面反射镜的反射面上，形成激光光斑，所述准直激光束在所述动平面反射镜上形成至少两个所述激光光斑；所述立体视觉传感器采集所述动平面反射镜上的所述激光光斑的图像，将图像数据传输给所述计算机；所述计算机进行图像处理，实现所述激光光斑的提取和空间中心定位，得到所述激光光斑之间的初始空间距离在两个偏转方向上的分量，结合所述准直激光束初始入射角及所述激光光斑之间的空间距离在两个偏转方向上的分量，实现所述动面相对所述基准面的小角度变化测量。

所述立体视觉传感器包括：左摄像机和右摄像机。

所述立体视觉传感器采集所述动平面反射镜上的所述激光光斑的图像，将图像数据传输给所述计算机具体为：

所述立体视觉传感器采集所述动平面反射镜上的所述激光光斑的图像，通过无线传输模式实时传输给所述计算机；或存储于所述立体视觉传感器内存，通过有线传输模式传输给所述计算机。

一种二维小角度激光视觉精密测量实现方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在基准面上固定连接参考平面反射镜、准直半导体激光器和立体视觉传感器，并完成所述立体视觉传感器的参数标定；

(2)在动面上固定连接动平面反射镜，并进行调整，使得所述动平面反射镜与所述参考平面反射镜之间平行；

(3)所述准直半导体激光器发射准直激光束，所述准直激光束斜射在所述动平面反射镜，并完成准直激光束初始入射角的测定；

(4)根据坐标系的定义，将所述准直激光束初始入射角在两个偏转方向上进行分解；

(5)所述准直激光束在所述动平面反射镜与所述参考平面反射镜之间进行反射，并在所述动平面反射镜上形成至少两个激光光斑；

(6)所述立体视觉传感器采集所述动平面反射镜上的激光光斑图像，将图像数据传输给所述计算机；

(7)所述计算机进行图像处理，实现所述激光光斑的提取及中心定位；

(8)根据所述立体视觉传感器的参数和测量模型，测定所述动平面反射镜上所述激光光斑之间的初始空间距离；

(9)根据坐标系的定义，将所述激光光斑之间的初始空间距离在两个偏转方向上进行分解，获取所述初始空间距离在两个偏转方向上的分量；

(10)所述动面相对所述基准面发生小角度偏转，所述动平面反射镜相对所述参考平面反射镜进行同样的小角度偏转；

(11)重复执行步骤(6)至步骤(9)，实现所述动面偏转后，所述动平面反射镜上所述激光光斑之间的空间距离的测量及在两个偏转方向上的分解，获取所述空间距离在两个偏转方向上的分量；

(12)根据所述准直激光束初始入射角、所述初始空间距离在两个偏转方向上的分量和所述空间距离在两个偏转方向上的分量，获取所述动平面反射镜相对所述参考平面反射镜的二维小角度变化，从而实现所述动面相对所述基准面的小角度测量。

步骤(10)中的所述动面相对所述基准面发生小角度偏转，具体为：

所述动面相对所述基准面绕x偏转方向小角度偏转或绕y偏转方向小角度偏转。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种二维小角度激光视觉精密测量装置及其实现方法，采用分别与基准面和动面固定连接的参考平面反射镜与动平面反射镜，很好地反映动面相对基准面的角度偏转，实现简单；准直激光束在参考平面反射镜与动平面反射镜之间多次反射，以动平面反射镜面上激光光斑的距离的变化反映角度偏转，并以激光光斑为对象实现非接触光学测量；立体视觉测量实现精确的激光光斑间空间距离的快速测量，大视场像机对应着较大的动态测量范围，因此，可实现快速、高精度和大动态范围二维小角度的测量；操作方便，实现简单，可满足航空、航天等测量的要求，也可广泛推广应用。

附图说明

图1为本发明提供的二维小角度激光视觉精密测量装置的示意图；

图2为本发明提供的立体视觉传感器的结构示意图；

图3为本发明提供的参考平面反射镜和动平面反射镜间准直激光束初始及绕y偏转方向小角度偏转反射光路的示意图；

图4为本发明提供的二维小角度激光视觉精密测量实现方法的流程图；

图5为本发明提供的立体视觉传感器测量模型的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：基准面                      2：动面

3：参考平面反射镜              4：动平面反射镜

5：左摄像机                    6：右摄像机

7：准直半导体激光器            8：准直激光束

9：激光光斑

10：x偏转方向                  11：y偏转方向

12：初始光束反射光路           13：小角度偏转光束反射光路

14：小角度偏转时的动平面反射镜

15：初始时第1个激光光斑        16：初始时第n个激光光斑

17：小角度偏转时第1个激光光斑  18：小角度偏转时第n个激光光斑

19：左摄像机图像平面           20：右摄像机图像平面

21：立体视觉传感器

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了克服现有技术的不足，扩大应用范围、扩大测量动态范围、实现简单和操作方便，本发明实施例提供了一种二维小角度激光视觉精密测量装置，详见下文描述：

参见图1、图2和图3，该二维小角度激光视觉精密测量装置包括：立体视觉传感器21、准直半导体激光器7、参考平面反射镜3和动平面反射镜4，

参考平面反射镜3、准直半导体激光器7和立体视觉传感器21固定连接在基准面1上；动平面反射镜4固定连接在动面2上；参考平面反射镜3与动平面反射镜4的初始状态相互平行；准直半导体激光器7发射的准直激光束8斜射在动平面反射镜4的反射面上，形成激光光斑9，准直激光束8在动平面反射镜4上形成至少两个激光光斑9；立体视觉传感器21采集动平面反射镜4上的激光光斑9的图像，将图像数据传输给计算机；计算机进行图像处理，实现激光光斑9的提取和空间中心定位，得到激光光斑9之间的初始空间距离在两个偏转方向上的分量，结合准直激光束8初始入射角及激光光斑9之间的空间距离在两个偏转方向上的分量，实现动面2相对基准面1的小角度变化测量。

其中，立体视觉传感器21包括：左摄像机5和右摄像机6。

其中，动面2相对基准面1小角度偏转可以为：绕x偏转方向10小角度偏转或绕y偏转方向11小角度偏转。

一种二维小角度激光视觉精密测量实现方法，参见图4和图5，详见下文描述：

101：在基准面1上固定连接参考平面反射镜3、准直半导体激光器7和立体视觉传感器21，并完成立体视觉传感器21的参数标定；

其中，立体视觉传感器21包括：左摄像机5和右摄像机6，进一步地，完成立体视觉传感器21的参数标定具体为：完成左摄像机参数、右摄像机参数及左摄像机和右摄像机之间的结构参数的标定。

102：在动面2上固定连接动平面反射镜4，并进行调整，使得动平面反射镜4与参考平面反射镜3之间平行；

103：准直半导体激光器7发射准直激光束8，准直激光束8斜射在动平面反射镜4，并完成准直激光束8初始入射角的测定；

104：根据坐标系的定义，将准直激光束8初始入射角在两个偏转方向上进行分解；

本发明实施例中的坐标系以x-y的二维坐标系为例进行说明，将准直激光束8初始入射角在x、y两个偏转方向上进行分解。

105：准直激光束8在动平面反射镜4与参考平面反射镜3之间进行多次反射，并在动平面反射镜4上形成至少两个激光光斑9；

106：立体视觉传感器21采集动平面反射镜4上的激光光斑图像，将图像数据传输给计算机；

其中，立体视觉传感器21将图像数据传输给计算机具体为：立体视觉传感器21通过无线传输模式实时传输给计算机，或存储于立体视觉传感器21内存通过有线传输模式传输给计算机。

107：计算机进行图像处理，实现激光光斑9的提取及中心定位；

108：根据立体视觉传感器21的参数和测量模型，测定动平面反射镜4上激光光斑9之间的初始空间距离；

109：根据坐标系的定义，将激光光斑9之间的初始空间距离在两个偏转方向上进行分解，获取初始空间距离在两个偏转方向上的分量；

本发明实施例中的坐标系以x-y的二维坐标系为例进行说明，将激光光斑9之间的初始空间距离在x、y两个偏转方向上进行分解。

110：动面2相对基准面1发生小角度偏转，动平面反射镜4相对参考平面反射镜3进行同样的小角度偏转；

111：重复执行步骤106-步骤109，实现动面2偏转后动平面反射镜4上激光光斑9之间的空间距离的测量及在两个偏转方向上的分解，获取空间距离在两个偏转方向上的分量；

112：根据准直激光束8的初始入射角、初始空间距离在两个偏转方向上的分量和空间距离在两个偏转方向上的分量，获取动平面反射镜4相对参考平面反射镜3的二维小角度变化，从而实现动面2相对基准面1的小角度测量。

下面以动面2相对基准面1绕y偏转方向小角度偏转为例说明本发明实施例的具体执行步骤，参见图3、图4和图5，参见下文描述：

参考平面反射镜3与动平面反射镜4间距离为H，测量前预先标定，得到左摄像机5的参数、右摄像机6的参数及左摄像机5和右摄像机6之间的结构参数。准直激光束8的初始入射角在x旋转方向上的分量为α。初始时，参考平面反射镜3与动平面反射镜4相互平行，准直激光束8按反射光路12在参考平面反射镜3与动平面反射镜4间进行多次反射，并在动平面反射镜4的反射面上形成激光光斑9。左摄像机5、右摄像机6同时采集激光光斑9的图像，经图像处理，可得初始时第1个激光光斑15及初始时第n个激光光斑16的图像位置坐标。动面2相对基准面1绕y偏转方向11偏转角度β后，动平面反射镜4相应偏转到小角度偏转时的动平面反射镜14。准直激光束8按反射光路13在参考平面反射镜3与动平面反射镜4之间进行多次反射，并在小角度偏转时的动平面反射镜14反射面上形成激光光斑9。左摄像机5、右摄像机6同时采集激光光斑9的图像，经图像处理，可得小角度偏转时第1个激光光斑17及小角度偏转时第n个激光光斑18的图像位置坐标。

参见图5，设左摄像机5的坐标系为o_l-x_ly_lz_l，左摄像机图像平面19的坐标系为O_l-X_lY_l；右摄像机6的坐标系为o_r-x_ry_rz_r，右摄像机图像平面20的坐标系为O_r-X_rY_r；立体视觉传感器21的坐标系o-x_sy_sz_s与左摄像机5的坐标系重合。设o-x_sy_sz_s与o_r-x_ry_rz_r之间的相互位置关系用空间转换矩阵M_sr表示，空间任意一点P在o-x_sy_sz_s下的坐标为P_s＝[x_s y_s z_s 1]^T，为其齐次坐标，在o_r-x_ry_rz_r的坐标为P_r＝[x_r y_r z_r]^T，则有，

$P_r=M_{\mathrm{sr}}\·{\tilde{P}}_s,$ M_sr＝[R|T]        (1)

其中，R和T为左摄像机5和右摄像机6两像机间的结构参数。

若P点在左右摄像机图像平面上的投影点分别为p_l和p_r，对应的归一化齐次坐标分别为

和根据透视投影模型，

${\mathrm{\ρ}}_l{\tilde{p}}_l=P_s,$ ${\mathrm{\ρ}}_r{\tilde{p}}_r=P_r,$ ρ_l＝z_s      (2)

其中，ρ_l和ρ_r为比例因子，公式(1)和公式(2)式的联立则表示了立体视觉传感器的三维测量数学模型。

在前述已求初始时第1个激光光斑15及初始时第n个激光光斑16在左右摄像机中的图像位置坐标的基础上，进行图像坐标的归一化处理。由立体视觉传感器测量模型可知，已知其归一化图像坐标以及传感器结构参数中旋转矩阵R和平移向量T，可以得到初始时第1个激光光斑15及初始时第n个激光光斑16在传感器坐标系下的三维空间坐标，进而求得两激光光斑间的空间距离L，将空间距离L向x旋转方向上进行分解，设分量为Lx。

同理，可以得到小角度偏转时第1个激光光斑17及小角度偏转时第n个激光光斑18在传感器坐标系下的三维空间坐标，进而求得两光斑间的空间距离L’，将空间距离L’向x旋转方向上进行分解，设分量为L’x。

根据光的反射定律以及三角公式，有

${L^{\′}}_x-L_x=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}2H\tan (\mathrm{\α}+2\mathrm{i\β})-2(n-1)H\tan \mathrm{\α}---\left(3\right)$

由公式(3)可求得动面2相对基准面1绕y偏转方向11的偏转角度β。

同理，将准直激光束8的初始入射角及角度偏转前、后动镜上两光斑间的空间距离在y旋转方向上进行分解，利用公式(3)可求得动面2相对基准面1绕x偏转方向11的偏转角度，继而实现动面2相对基准面1的二维小角度偏转测量。

综上所述，本发明提供了一种二维小角度激光视觉精密测量装置及其实现方法，采用分别与基准面和动面固定连接的参考平面反射镜与动平面反射镜，反映动面相对基准面的角度偏转，实现简单；准直激光束在参考平面反射镜与动平面反射镜之间多次反射，以动平面反射镜面上激光光斑的距离的变化反映角度偏转，并以激光光斑为对象实现非接触光学测量；立体视觉测量可实现精确的激光光斑间空间距离的快速测量，大视场像机对应着较大的动态测量范围，因此，可实现快速、高精度和大动态范围二维小角度的测量；操作方便，实现简单，可满足航空、航天等测量的要求，也可广泛推广应用。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种二维小角度激光视觉精密测量装置，其特征在于，所述装置包括：立体视觉传感器、准直半导体激光器、参考平面反射镜和动平面反射镜，

所述参考平面反射镜、所述准直半导体激光器和所述立体视觉传感器固定连接在基准面上；所述动平面反射镜固定连接在动面上；所述参考平面反射镜与所述动平面反射镜的初始状态相互平行；所述准直半导体激光器发射的准直激光束斜射在所述动平面反射镜的反射面上，形成激光光斑，所述准直激光束在所述动平面反射镜上形成至少两个所述激光光斑；所述立体视觉传感器采集所述动平面反射镜上的所述激光光斑的图像，将图像数据传输给计算机；所述计算机进行图像处理，实现所述激光光斑的提取和空间中心定位，得到所述激光光斑之间的初始空间距离在两个偏转方向上的分量，结合所述准直激光束初始入射角及所述激光光斑之间的空间距离在两个偏转方向上的分量，实现所述动面相对所述基准面的小角度变化测量。

2.根据权利要求1所述的二维小角度激光视觉精密测量装置，其特征在于，所述立体视觉传感器包括：左摄像机和右摄像机。

3.根据权利要求1所述的二维小角度激光视觉精密测量装置，其特征在于，所述立体视觉传感器采集所述动平面反射镜上的所述激光光斑的图像，将图像数据传输给所述计算机具体为：

所述立体视觉传感器采集所述动平面反射镜上的所述激光光斑的图像，通过无线传输模式实时传输给所述计算机；或存储于所述立体视觉传感器内存，通过有线传输模式传输给所述计算机。

4.根据权利要求1所述的二维小角度激光视觉精密测量装置的实现方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)在基准面上固定连接参考平面反射镜、准直半导体激光器和立体视觉传感器，并完成所述立体视觉传感器的参数标定；

(2)在动面上固定连接动平面反射镜，并进行调整，使得所述动平面反射镜与所述参考平面反射镜之间平行；

(3)所述准直半导体激光器发射准直激光束，所述准直激光束斜射在所述动平面反射镜，并完成准直激光束初始入射角的测定；

(4)根据坐标系的定义，将所述准直激光束初始入射角在两个偏转方向上进行分解；

(5)所述准直激光束在所述动平面反射镜与所述参考平面反射镜之间进行反射，并在所述动平面反射镜上形成至少两个激光光斑；

(6)所述立体视觉传感器采集所述动平面反射镜上的激光光斑图像，将图像数据传输给所述计算机；

(7)所述计算机进行图像处理，实现所述激光光斑的提取及中心定位；

(8)根据所述立体视觉传感器的参数和测量模型，测定所述动平面反射镜上所述激光光斑之间的初始空间距离；

(9)根据坐标系的定义，将所述激光光斑之间的初始空间距离在两个偏转方向上进行分解，获取所述初始空间距离在两个偏转方向上的分量；

(10)所述动面相对所述基准面发生小角度偏转，所述动平面反射镜相对所述参考平面反射镜进行同样的小角度偏转；

(11)重复执行步骤(6)至步骤(9)，实现所述动面偏转后，所述动平面反射镜上所述激光光斑之间的空间距离的测量及在两个偏转方向上的分解，获取所述空间距离在两个偏转方向上的分量；

(12)根据所述准直激光束初始入射角、所述初始空间距离在两个偏转方向上的分量和所述空间距离在两个偏转方向上的分量，获取所述动平面反射镜相对所述参考平面反射镜的二维小角度变化，从而实现所述动面相对所述基准面的小角度测量。

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