CN103743347B - 一种光学高度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学高度测量方法，包括移动机构、扇形激光器和图像捕获装置；其中，扇形激光器设置在移动机构上移动方向的前端，扇形激光器发出的扇形一字光路与地面形成光带，且光带与移动机构的移动方向相垂直；图像捕获装置设置在移动机构上，且图像捕获装置的光轴与地面相交的交点位于光带上；在移动机构的移动过程中，被测物位于图像捕获装置的光轴与地面相交的交点的移动路径上，基于以上装置，基于光学标定原理，实现了针对被测物高度的非接触测量方式，方法简便易于实现，保证了最终被测物高度数据测量的准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学高度测量方法。
背景技术
目前，常用的非接触式测量装置多采用采用预设标定物的方式进行，如在被测物旁边放置一个长度已知的标准件，但是这种方法主要缺点在于：1.对于连续变化区域进行测量需要安装多种标定物，费时费工；2.由于标定物是采用间隔一段距离的放置，使得标定不准确，对于要求间隙在厘米级的轨道应用难以实现；3.当长宽比不是1：1时，易出现长方向或宽方向的测量结果等比例缩小或放大误差。为解决标定物的连续性问题及纵横比例问题，也有文献提出了用光线进行标定的方法，比如投影一个成90度垂直方向的等距纵横光条到被测物体表面，且水平光线与垂直光线所构成的投影面垂直于测量装置的光轴，这种方法能较好的解决以上问题，但同样也存在两个缺陷，1.仅能获得投影面的长度宽度信息，对于高度信息却没有有效方法测量；2.当测量大平面时，由于镜头视场角的影响，在一幅图中的像素-尺寸对应关系实际是变化的，这种标定法没有考虑变化带来的影响。
而采用激光或超声波等反射波法都是通过将发射波束装置与接收波束装置安装在一起，根据反射波的时间或相位差来进行测量。但是这种只能测量出物体与测量点之间的距离，无法得到物体的高度（即与物体测量点连线垂直的尺寸）；同时测量范围、精度及被测物体运动状态都受很大限制。
发明内容
针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单，基于光学标定原理，采用非接触方式对被测物指定位置的高度进行测量的光学高度测量方法。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种光学高度测量方法，包括移动机构、扇形激光器和图像捕获装置；其中，扇形激光器设置在移动机构上移动方向的前端，扇形激光器发出的扇形一字光路与地面形成光带，且光带与移动机构的移动方向相垂直；图像捕获装置设置在移动机构上，且图像捕获装置的光轴与地面相交的交点位于光带上；在移动机构的移动过程中，被测物位于图像捕获装置的光轴与地面相交的交点的移动路径上，基于以上装置实现针对被测物高度的测量，包括如下步骤：
步骤001.初始化选取单位高度参照物设置在图像捕获装置的光轴与地面相交的交点上，扇形激光器发出的扇形一字光路在参照物单位高度的表面形成光带，图像捕获装置捕获图像，获取捕获图像中参照物的像素长度，根据如下公式（1）和公式（2），将单位长度和捕获图像中参照物的像素长度分别代入hreal、hpixel，获取比例常数K；
hreal＝Ssinβ/cos(α-β)（1）
hpixel＝K·tanβ（2）
其中，α为图像捕获装置的光轴与地面间的夹角，S为图像捕获装置沿光轴方向与地面间的距离，hreal为被测物上光带的指定位置的实际高度，hpixel为被测物上光带的指定位置在捕获图像中的像素高度，β为被测物上光带的指定位置与图像捕获装置间的连线和光轴之间的夹角；
步骤002.被测物位于图像捕获装置的光轴与地面相交的交点的移动路径上，移动机构的移动过程中，扇形激光器发出的扇形一字光路在被测物表面形成光带，且图像捕获装置捕获图像；
步骤003.针对捕获图像，获取捕获图像中被测物上光带的指定位置在捕获图像中的像素高度hpixel，并根据比例常数K和公式（2）获取与该幅捕获图像相对应、被测物上光带的指定位置与图像捕获装置间的连线和光轴之间的夹角β；
步骤004.根据图像捕获装置的光轴与地面间的夹角α、图像捕获装置沿光轴方向与地面间的距离S、夹角β和公式（1），获取与该幅捕获图像相对应、被测物上光带的指定位置的实际高度hreal。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤002中，所述移动机构的移动过程中，所述图像捕获装置按预设帧率捕获数幅图像；还包括所述步骤005，针对各幅捕获图像，分别重复所述步骤003至所述步骤004的操作，获取被测物上各指定位置的实际高度。
作为本发明的一种优选技术方案：所述扇形激光器发出的扇形一字光路所在面与地面相垂直。
作为本发明的一种优选技术方案：所述扇形激光器为FU80811L200-T60扇形激光器。
作为本发明的一种优选技术方案：所述图像捕获装置为CCD、CMOS数字式像机或模拟像机配合数字采集设备。
本发明所述一种光学高度测量方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明设计的光学高度测量方法，结构简单，基于光学标定原理，采用扇形激光器对被测物进行光学标定，在此基础上通过图像捕获装置进行图像捕获，最后针对捕获的图像进行分析，实现了针对被测物高度的非接触测量方式，方法简便易于实现，便于控制；
（2）本发明设计的光学高度测量方法中，在所述移动机构的移动过程中，通过图像捕获装置按预设帧率捕获数幅图像，然后分别针对各幅捕获图像进行分析，进而能够获得被测物的各指定位置的高度，保证了被测物高度信息的完整性；
（3）本发明设计的光学高度测量方法中，针对所述扇形激光器，设计扇形激光器发出的扇形一字光路所在面与地面相垂直，避免了扇形一字光路在被测物表面形成的光带出现扭曲现象，进一步保证了最终针对被测物高度数据测量的准确性；
（4）本发明设计的光学高度测量方法，测量装置可以在运动过程中针对被测物进行高度测量，且测量硬件结构简单，测量方法简洁易于控制，保证了最终被测物高度数据测量的准确。
附图说明
图1是本发明设计光学高度测量方法的流程图；
图2是本发明设计光学高度测量方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，本发明设计的一种光学高度测量方法在实际应用过程当中，包括移动机构、扇形激光器和图像捕获装置；移动机构可以采用移动小车，扇形激光器采用FU80811L200-T60扇形激光器，图像捕获装置采用CCD、CMOS数字式像机或模拟像机配合数字采集设备；其中，FU80811L200-T60扇形激光器设置在移动小车上移动方向的前端，FU80811L200-T60扇形激光器发出的扇形一字光路与地面形成光带，光带与移动小车的移动方向相垂直,且FU80811L200-T60扇形激光器发出的扇形一字光路所在面与地面相垂直，避免了扇形一字光路在被测物表面形成的光带出现扭曲现象，进一步保证了最终针对被测物高度数据测量的准确性；图像捕获装置设置在移动小车上，且图像捕获装置的光轴与地面相交的交点位于光带上；在移动小车的移动过程中，被测物位于图像捕获装置的光轴与地面相交的交点的移动路径上，基于以上装置实现针对被测物高度的测量，包括如下步骤：
步骤001.初始化选取单位高度参照物设置在图像捕获装置的光轴与地面相交的交点上，FU80811L200-T60扇形激光器发出的扇形一字光路在参照物单位高度的表面形成光带，图像捕获装置捕获图像，获取捕获图像中参照物的像素长度，如图2所示，根据三角形正弦定理获得由此公式获得如下公式（1），并且设K为比例常数，进而获得如下公式（2）；根据如下公式（1）和公式（2），将单位长度和捕获图像中参照物的像素长度分别代入hreal、hpixel，获取比例常数K；
hreal＝Ssinβ/cos(α-β)（1）
hpixel＝K·tanβ（2）
其中，α为图像捕获装置的光轴与地面间的夹角，S为图像捕获装置沿光轴方向与地面间的距离，hreal为被测物上光带的指定位置的实际高度，hpixel为被测物上光带的指定位置在捕获图像中的像素高度，β为被测物上光带的指定位置与图像捕获装置间的连线和光轴之间的夹角；其中，S和α均有上述固定的硬件测量结构所决定，因此，按上述描述设置移动小车、FU80811L200-T60扇形激光器和图像捕获装置三者之间的连接位置关系，即可获得图像捕获装置的光轴与地面间的夹角α，图像捕获装置沿光轴方向与地面间的距离S；
步骤002.被测物位于图像捕获装置的光轴与地面相交的交点的移动路径上，移动小车的移动过程中，FU80811L200-T60扇形激光器发出的扇形一字光路在被测物表面形成光带，且所述图像捕获装置按预设帧率捕获数幅图像；
步骤003.针对其中一幅捕获图像，获取捕获图像中被测物上光带的指定位置在捕获图像中的像素高度hpixel，并根据比例常数K和公式（2）获取与该幅捕获图像相对应、被测物上光带的指定位置与图像捕获装置间的连线和光轴之间的夹角β；
hpixel＝K·tanβ（2）
步骤004.根据图像捕获装置的光轴与地面间的夹角α、图像捕获装置沿光轴方向与地面间的距离S、夹角β和公式（1），获取与该幅捕获图像相对应、被测物上光带的指定位置的实际高度hreal；
hreal＝Ssinβ/cos(α-β)（1）
步骤005.针对各幅捕获图像，分别重复所述步骤003至所述步骤004的操作，获取被测物上各指定位置的实际高度；在所述移动机构的移动过程中，通过图像捕获装置按预设帧率捕获数幅图像，然后分别针对各幅捕获图像进行分析，进而能够获得被测物的各指定位置的高度，保证了被测物高度信息的完整性。
基于以上方法步骤，本发明设计的一种光学高度测量方法在实际应用中，既可以在移动小车运动过程中，实现对被测物高度的测量，使得本发明设计的光学高度测量方法，结构简单，基于光学标定原理，采用扇形激光器对被测物进行光学标定，在此基础上通过图像捕获装置进行图像捕获，最后针对捕获的图像进行分析，实现了针对被测物高度的非接触测量方式，方法简便易于实现，便于控制，保证了最终被测物高度数据测量的准确。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.一种光学高度测量方法，其特征在于：包括移动机构、扇形激光器和图像捕获装置；其中，扇形激光器设置在移动机构上移动方向的前端，扇形激光器发出的扇形一字光路与地面形成光带，且光带与移动机构的移动方向相垂直；图像捕获装置设置在移动机构上，且图像捕获装置的光轴与地面相交的交点位于光带上；在移动机构的移动过程中，被测物位于图像捕获装置的光轴与地面相交的交点的移动路径上，基于以上装置实现针对被测物高度的测量，包括如下步骤：
步骤001.初始化选取单位高度参照物设置在图像捕获装置的光轴与地面相交的交点上，扇形激光器发出的扇形一字光路在参照物单位高度的表面形成光带，图像捕获装置捕获图像，获取捕获图像中参照物的像素长度，根据如下公式(1)和公式(2)，将单位长度和捕获图像中参照物的像素长度分别代入hreal、hpixel，获取比例常数K；
hreal＝Ssinβ/cos(α-β)(1)
hpixel＝K·tanβ(2)
其中，α为图像捕获装置的光轴与地面间的夹角，S为图像捕获装置沿光轴方向与地面间的距离，hreal为被测物上光带的指定位置的实际高度，hpixel为被测物上光带的指定位置在捕获图像中的像素高度，β为被测物上光带的指定位置与图像捕获装置间的连线和光轴之间的夹角；
步骤002.被测物位于图像捕获装置的光轴与地面相交的交点的移动路径上，移动机构的移动过程中，扇形激光器发出的扇形一字光路在被测物表面形成光带，且图像捕获装置捕获图像；
步骤003.针对捕获图像，获取捕获图像中被测物上光带的指定位置在捕获图像中的像素高度hpixel，并根据比例常数K和公式(2)获取与该幅捕获图像相对应、被测物上光带的指定位置与图像捕获装置间的连线和光轴之间的夹角β；
步骤004.根据图像捕获装置的光轴与地面间的夹角α、图像捕获装置沿光轴方向与地面间的距离S、夹角β和公式(1)，获取与该幅捕获图像相对应、被测物上光带的指定位置的实际高度hreal。
2.根据权利要求1所述一种光学高度测量方法，其特征在于：所述步骤002中，所述移动机构的移动过程中，所述图像捕获装置按预设帧率捕获数幅图像；所述步骤004之后，还包括步骤005，针对各幅捕获图像，分别重复所述步骤003至所述步骤004的操作，获取被测物上各指定位置的实际高度。
3.根据权利要求1所述一种光学高度测量方法，其特征在于：所述扇形激光器发出的扇形一字光路所在面与地面相垂直。
4.根据权利要求1或3所述一种光学高度测量方法，其特征在于：所述扇形激光器为FU80811L200-T60扇形激光器。
5.根据权利要求1所述一种光学高度测量方法，其特征在于：所述图像捕获装置为CCD、CMOS数字式像机或模拟像机配合数字采集设备。
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