CN102941410B - 一种点扫描三维测量系统振镜标定方法 - Google Patents

Abstract

一种点扫描三维测量系统振镜标定方法，它有七大步骤；首先进行系统建模得到振镜偏转角表达式；然后调整标准平面位于已知位置并垂直于系统主方向，测量此平面，由实测数据投影到标准平面得理想数据，利用该数据计算振镜偏转角，拟合其与驱动电压的关系式，利用该关系式再次测量标准平面；重复该过程，直到实测数据到标准平面的标准差小于给定值，得到振镜偏转角度和对应驱动电压的准确关系式。建立两振镜相互影响关系，描述两振镜轴线不垂直误差，修正关系式以提高标定精度。本发明在光学三维测量及激光加工技术领域里有较好的实用价值。

Description

一种点扫描三维测量系统振镜标定方法

技术领域

本发明涉及一种点扫描三维测量系统振镜标定方法，可用于利用振镜实现点扫描的三维测量系统，适用于高速振镜理论研究和三维测量相关工程技术的应用。属于光学三维测量及激光加工技术领域。

背景技术

由于接触式测量方法效率低、易破坏被测物的局限性，近年来非接触式三维测量方法在诸多领域得到了快速发展和广泛应用。其中，基于三角法的三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等优点。振镜式激光扫描方式以其快速、准确、简单、成本低等特点而被广泛采用。

点扫描三维测量系统利用双振镜偏转激光束实现二维扫描。振镜驱动电路根据控制计算机输出的电压信号，驱动反射镜偏转一定角度。测量中，振镜偏转角作为已知量，对测量精度具有重要影响。理论上，振镜偏转角和驱动电压符合线性关系。而实际应用中，由于电子噪声干扰、器件响应特性、控制算法等因素的影响，振镜实际偏转角与驱动电压呈非线性关系，采用理论的线性关系难以满足测量精度要求。此外，安装误差导致两振镜轴线的不垂直，造成X振镜和Y振镜在两个方向上对激光束的偏转作用相互影响，产生测量误差。为了保证测量精度，需要对振镜进行精确标定，得到振镜实际偏转角与驱动电压的准确关系式。

目前振镜标定研究主要应用于激光加工领域，针对扫描图形的畸变进行校正，缺乏在扫描测量领域的实际应用。传统的标定方法需要制作专门的校正板，并结合辅助测量设备进行测量，人工计算理论和实际值偏差，再通过补偿计算生成校正文件，耗费大量时间，需要专门操作人员以及昂贵的辅助测量设备，标定过程复杂。

针对以上问题，本发明提出了一种点扫描三维测量系统振镜标定方法。

发明内容

本发明专利的技术解决问题是：针对点扫描三维测量中，扫描振镜实际偏转角与理论值的偏差问题，用一种基于标准平面测量的方法实现振镜标定，得到振镜实际偏转角和驱动电压的准确关系。

本发明专利的技术解决方案是：通过测量标准平面，以实测平面相对于标准平面的误差描述振镜实际偏转角的误差，通过不断修正振镜关系式来消除平面测量误差，当误差小于给定值时可得准确的振镜关系式。

本发明一种点扫描三维测量系统振镜标定方法，该方法可归纳为以下步骤：

步骤一：系统建模，得到振镜偏转角表达式。该系统利用双振镜偏转激光束实现二维扫描，通过探测器上光斑位置和双振镜的偏转角来获得被测点的空间三维坐标。其中d为点P与点B沿Z轴方向的距离，可以通过成像光线上的点列交比不变性求得

θ表示X振镜偏转角，表示Y振镜偏转角，其他变量均为已知量。

步骤二：调整标准平面位于已知位置并垂直于系统主方向，测量该平面。给定平面测量允许的实测标准差δ₀。

步骤三：计算实测数据相对于标准平面的标准差δ，判断是否δ<δ₀。

步骤四：将实测平面数据投影到标准平面得理想测量数据，利用其计算对应的振镜偏转角。

由（1）式，可得X、Y振镜偏转角θ、的表达式分别为

$\mathrm{\&theta;}=a\tan \frac{x_{P^{\&prime;}}(d+z_B)-z_{P^{\&prime;}}{x}_B}{z_{P^{\&prime;}}(d+\mathrm{AB})}/2---\left(2\right)$

步骤五：对得到的振镜偏转角和驱动电压关系进行多项式拟合，采用三阶拟合方式以保证拟合残差均匀分布在零点上下，残差范数尽可能小。

所得X振镜偏转角θ与驱动电压v_x的关系式为

$\mathrm{\&theta;}\left(v_x\right)=a_3{v}_x^3+a_2{v}_x^2+a_1{v}_x+a_0---\left(4\right)$

所得Y振镜偏转角与驱动电压v_y的关系式为

上述公式中的符号分别说明如下：

a₃、a₂、a₁、a₀——X振镜关系式各次项系数

b₃、b₂、b₁、b₀——Y振镜关系式各次项系数。

步骤六：将所得拟合关系式代入系统模型再次对平面进行测量，重复步骤三到步骤六，直到步骤3中δ<δ₀。

步骤七：分别采用上述步骤得到X振镜偏转角与其驱动电压的关系、Y振镜偏转角与其驱动电压的关系。如果实测平面仍然存在一定误差，说明两振镜轴线不完全垂直。继续按照上述步骤，建立X振镜偏转角和Y振镜驱动电压以及Y振镜偏转角和X振镜驱动电压的关系以修正振镜关系式。

本发明的优点在于：该标定方法与测量过程相结合，直接针对测量结果进行校正。标定过程快速、简单，降低了误差产生的可能性，可用于其它类似振镜模型的标定。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明所应用的系统原理模型图；

图3为标定方法示意图；

图中符号说明如下：

δ₀——允许标准差；

δ——实测标准差；

P（x，y，z）——被测点及其三维坐标；

P’——成像点；

A——水平振镜中心；

B——垂直振镜中心；

O-XYZ——世界坐标系；

O-X_cY_cZ_c——摄像机坐标系；

O₁-uv——图像坐标系；

d——点P与点B沿Z轴方向的距离。

具体实施方式

本发明针对点扫描三维测量中，扫描振镜实际偏转角与理论值的偏差问题，用一种基于标准平面测量的方法实现振镜标定，得到振镜实际偏转角和驱动电压的准确关系。

见图1，一种点扫描三维测量系统振镜标定方法，包括以下步骤：

步骤一：系统建模，得到振镜偏转角表达式。

步骤二：调整标准平面位于已知位置并垂直于系统主方向，测量该平面。给定平面测量允许的实测标准差δ₀。

步骤三：计算实测数据相对于标准平面的标准差δ，判断是否δ<δ₀。

步骤四：将实测平面数据投影到标准平面得理想测量数据，利用其计算对应的振镜偏转角。

步骤五：对得到的振镜偏转角和驱动电压关系进行多项式拟合，采用三阶拟合方式以保证拟合残差均匀分布在零点上下，残差范数尽可能小。

步骤六：将所得拟合关系式代入系统模型再次对平面进行测量，重复步骤三到步骤六，直到步骤3中δ<δ₀。

步骤七：分别采用上述步骤得到X振镜偏转角与其驱动电压的关系、Y振镜偏转角与其驱动电压的关系。如果实测平面仍然存在一定误差，说明两振镜轴线不完全垂直。继续按照上述步骤，建立X振镜偏转角和Y振镜驱动电压以及Y振镜偏转角和X振镜驱动电压的关系以修正振镜关系式。

见图2，一种点扫描三维测量系统原理模型图，以该系统为例应用本发明的方法进行振镜标定。

首先进行系统建模，该系统利用双振镜偏转激光束实现二维扫描，通过探测器上光斑位置和双振镜的偏转角来获得被测点的空间三维坐标。其中d为点P与点B沿Z轴方向的距离，可以通过成像光线上的点列交比不变性求得

θ为X振镜偏转角，为Y振镜偏转角，其他变量均为已知量。

由（1）式，可得X、Y振镜偏转角θ、的表达式分别为

$\mathrm{\&theta;}=a\tan \frac{x_{P^{\&prime;}}(d+z_B)-z_{P^{\&prime;}}{x}_B}{z_{P^{\&prime;}}(d+\mathrm{AB})}/2---\left(2\right)$

见图3，调整标准平面位于已知位置并垂直于系统主方向，利用系统对其进行测量。

首先标定X振镜，可以先令Y振镜处于初始位置不动，即只令X振镜偏转来进行测量，将实测数据投影到标准平面得理想测量数据，利用该数据通过（2）式计算θ，拟合θ与对应振镜驱动电压v_x的关系。采用三阶拟合方式既能保证拟合精度又能保证较低的系统复杂性。迭代进行该过程直到实测数据到标准平面的标准差δ小于给定值δ₀时，所得X振镜偏转角θ与驱动电压v_x关系式为

$\mathrm{\&theta;}\left(v_x\right)=a_3{v}_x^3+a_2{v}_x^2+a_1{v}_x+a_0---\left(4\right)$

其中各参数a₃=-0.003796，a₂=-0.0001835，a₁=2.089，a₀=-0.001278。标定完X振镜后，以标定后的X振镜角度作为已知量，根据（3）式计算相同方法与步骤标定Y振镜，所得Y振镜与驱动电压v_y的关系式为

其中各参数b₃=-0.003496，b₂=0.0007715，b₁=2.1065，b₀=-0.02052。

分别标定完X、Y振镜后，利用标定结果测量平面，如果实测平面仍然存在一定误差，说明两振镜轴线不完全垂直，X振镜和Y振镜对光束的偏转作用不独立，需要描述其相互关系。继续按照上述步骤，建立X振镜偏转角度和Y振镜驱动电压的关系以修正X振镜驱动模型。类似地，建立Y振镜偏转角度和X振镜驱动电压的关系以修正Y振镜驱动模型。由于该误差往往很微小，采用二阶多项式拟合方式足以保证精度。经过修正后的X振镜和Y振镜的实际偏转角与驱动电压关系式为

其中各参数c₂=-0.0006197，c₁=0.012，c₀=0.01513，d₂=-0.0003375，d₁=0.0141，d₀=0.02274。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种点扫描三维测量系统振镜标定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：系统建模，得到振镜偏转角表达式；该系统利用双振镜偏转激光束实现二维扫描，通过探测器上光斑位置和双振镜的偏转角来获得被测点的空间三维坐标；其中，d为点P与点B沿Z轴方向的距离，通过成像光线上的点列交比不变性求得：

θ表示X振镜偏转角，表示Y振镜偏转角，其它变量均为已知量；

步骤二：调整标准平面位于已知位置并垂直于系统主方向，测量该平面，给定平面测量允许的实测标准差δ₀；

步骤三：计算实测数据相对于标准平面的标准差δ，判断是否δ<δ₀；

步骤四：将实测平面数据投影到标准平面得理想测量数据，利用式(1)计算对应的振镜偏转角；

由(1)式，得X、Y振镜偏转角θ、的表达式分别为：

$\mathrm{\&theta;}=a\tan \frac{x_{P^{\&prime;}}(d+z_B)-z_{P^{\&prime;}}{x}_B}{z_{P^{\&prime;}}(d+\mathrm{AB})}/2---\left(2\right)$

步骤五：对得到的振镜偏转角和驱动电压关系进行多项式拟合，采用三阶拟合方式以保证拟合残差均匀分布在零点上下，残差范数尽可能小；

标定X振镜，先令Y振镜处于初始位置不动，即只令X振镜偏转来进行测量，将实测数据投影到标准平面得理想测量数据，利用该数据通过式(2)计算θ，拟合θ与对应振镜驱动电压v_x的关系；迭代进行该过程直到实测数据到标准平面的标准差δ小于给定值δ₀时，所得X振镜偏转角θ与驱动电压v_x关系式为：

$\mathrm{\&theta;}\left(v_x\right)=a_3{v}_x^3+a_2{v}_x^2+a_1{v}_x+a_0---\left(4\right)$

其中各参数a₃＝-0.003796，a₂＝-0.0001835，a₁＝2.089，a₀＝-0.001278；

标定完X振镜后，以标定后的X振镜角度作为已知量，根据(3)式计算相同方法与步骤标定Y振镜，所得Y振镜与驱动电压v_y的关系式为：

其中各参数b₃＝-0.003496，b₂＝0.0007715，b₁＝2.1065，b₀＝-0.02052；

上述公式中的符号分别说明如下：

a₃、a₂、a₁、a₀为X振镜关系式各次项系数；

b₃、b₂、b₁、b₀为Y振镜关系式各次项系数；

步骤六：将所得拟合关系式代入系统模型再次对平面进行测量，重复步骤三到步骤六，直到步骤三中δ<δ₀；

步骤七：分别标定完X、Y振镜后，利用标定结果测量平面，如果实测平面仍然存在误差，说明两振镜轴线不完全垂直，X振镜和Y振镜对光束的偏转作用不独立，需要描述X振镜和Y振镜的相互关系；继续按照上述步骤三到步骤六，建立X振镜偏转角度和Y振镜驱动电压的关系以修正X振镜驱动模型；建立Y振镜偏转角度和X振镜驱动电压的关系以修正Y振镜驱动模型；由于该误差往往很小，采用二阶多项式拟合方式足以保证精度；经过修正后的X振镜和Y振镜的实际偏转角与驱动电压关系式为

其中各参数c₂＝-0.0006197，c₁＝0.012，c₀＝0.01513，d₂＝-0.0003375，d₁＝0.0141，d₀＝0.02274；

其中，P为被测点；P’——成像点；B——垂直振镜中心；A——水平振镜中心；P'点和B点的坐标值分别为z_P'、x_P'和z_B、x_B。