CN105547213A - 双旋转激光平面发射机的内参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双旋转激光平面发射机的内参数标定方法，包括步骤：(1)建立发射机模型；(2)安装光电传感器，建立三维标定台坐标系；(3)粗测发射机位置；(4)采集标定点数据；(5)进行标定；(6)推导发射机内参数。其中(6)的具体步骤为：a)计算激光平面方程；b)计算激光平面在水平面上的夹角；c)计算激光平面与旋转轴的夹角。本发明使发射机内参数快速、精确标定，从而实现全方位、大尺寸的精确测量。

Description

双旋转激光平面发射机的内参数标定方法

技术领域

本发明涉及大尺寸空间测量方法设备技术领域，具体地，涉及一种双旋转激光平面发射机的内参数标定方法。

背景技术

随着航空、航天、船舶和大型电站等领域在制造装配过程中对大型部件精确定位和位置实时测控的要求不断提高，大尺寸测量技术在工业生产中的应用越来越广泛。

目前国际上应用较成熟的大尺寸测量技术有激光跟踪仪测量系统、经纬仪测量系统以及数字摄影测量系统等。但是这些技术都存在一些缺点，如激光跟踪仪在测量过程中会出现丢光的现象，经纬仪测量系统每次测量时都需人工对准目标，这样不仅会降低工作效率，而且会人为引入误差。

在大尺寸测量技术中，中国专利文献“基于双旋转激光平面发射机网络的空间定位方法”(申请号：2008010150383.5)，该专利公开了一种使用双旋转激光平面扫描进行空间定位的方法，但没有涉及具体发射机内参数标定方法，没有具体的技术方案。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双旋转激光平面发射机的内参数标定方法。

根据本发明的一个方面，提供一种双旋转激光平面发射机的内参数标定方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)在匀速旋转平台上安装两个线性激光器形成发射机，所述线性激光器发出两道具有固定角度的扇形激光平面和LED脉冲信号，所述LED脉冲信号作为所述扇形激光平面旋转的初始时刻；

(2)在距所述发射机的预定距离位置设置一个三维标定台，在所述三维标定台上安装一个光电器，所述光电器用于接收所述两个线性激光器的光信号，在所述三维标定台上建立三维坐标系XYZ，所述光电器设置于XZ平面上；

(3)设定所述发射机动的坐标初始值，所述坐标初始值格式为

$\left(\begin{array}{ccccccccc}\sqrt{3}& 0& 0& \sqrt{3}& 0& 0& A& B& C\end{array}\right),$ 其中(ABC)为所述发射机在三维标定台的坐标系中的坐标；

(4)在所述光电固定位置上沿Z轴正方向移动光电器，采集光电器移动标定点位置的对应所述线性激光器的光信号；设所述光电器移动标定点为p行q列；

(5)求解模型参数N₁、N₂、R及T，模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left({\mathrm{RR}}_1^{\left(1\right)}{N}_1\right)\·(P^{\left(1\right)}-T)=0\\ \left({\mathrm{RR}}_2^{\left(1\right)}{N}_2\right)\·(P^{\left(1\right)}-T)=0\\ \left({\mathrm{RR}}_1^{\left(2\right)}{N}_1\right)\·(P^{\left(2\right)}-T)=0\\ \left({\mathrm{RR}}_2^{\left(2\right)}{N}_2\right)\·(P^{\left(2\right)}-T)=0\\ .\\ .\\ .\\ \left({\mathrm{RR}}_1^{\left(n\right)}{N}_1\right)\·(P^{\left(n\right)}-T)=0\\ \left({\mathrm{RR}}_2^{\left(n\right)}{N}_2\right)\·(P^{\left(n\right)}-T)=0\end{array}\right.$

其中：n：标定点编号，n＝1,2,3…p*q,

R、T：发射机坐标系相对于三维标定台坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；

N₁、N₂：两个激光平面在初始时刻的法向量；

激光平面从初始位置旋转到光电传感器时的旋转矩阵，分别是特征时间的函数；

P⁽ⁿ⁾：三维标定台坐标系中标定点的坐标；

(6)根据第(5)步的模型参数推导发射机内参数，推导步骤如下：

(a)计算两个激光平面LP₁和LP₂在发射机坐标系下的平面方程以及与水平面的交线L₁和L₂的方程，模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}L{P}_1:a_{1}x+b_{1}y+c_{1}z=0\\ L{P}_2:a_{2}x+b_{2}y+c_{2}z=0\end{array}\right.$ 和 $\left\{\begin{array}{c}{l}_1:a_{1}x+b_{1}y=0\\ l_2:a_{2}x+b_{2}y=0\end{array}\right.$

其中：n₁＝(a₁b₁c₁)^T是激光平面1在初始时刻的法向量；

n₂＝(a₂b₂c₂)^T是激光平面2在初始时刻的法向量；

(b)计算两个激光平面在水平面上的夹角模型如下：

其中： $v_1={\left(\begin{array}{cc}1& -\frac{a_1}{b_1}\end{array}\right)}^T$ 是交线L₁的方向向量；

$v_2={\left(\begin{array}{cc}1& -\frac{a_2}{b_2}\end{array}\right)}^T$ 是交线L₂的方向向量；

(c)计算两个激光平面与旋转轴的夹角和以为例，模型如下：

其中：n₁＝(a₁b₁c₁)^T是激光平面1在初始时刻的法向量；

$n_3={\left(\begin{array}{ccc}1& \frac{b_1}{a_1}& 0\end{array}\right)}^T$ 是过旋转轴平面的法向量。

优选地，所述第(2)步中的预定距离为5米。

优选地，所述第(4)步中光电器的移动标定点为3行11列。

优选地，所述匀速旋转平台通过交流伺服电机驱动。

优选地，所述匀速旋转平台以逆时针方向转动。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)采用非线性和线性相结合的方法，使用高精度三维标定台采集光电传感器数据，以非线性优化的方法求解激光平面法向量，再以线性方法推导出发射机内参数，保证了内参数的标定精度；

(2)确定的内参数为发射机结构参数，发射机出厂后内参数只需标定一次，可重复使用，提高了工作效率；

(3)标定算法简单、易实现，且在优化求解时，对初值选取要求低；

(4)发射机内参数快速、精确标定，从而实现全方位、大尺寸的精确测量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为发射机的立体结构示意图；

图2为发射机的俯视示意图；

图3为发射机内参数标定示意图；

图4为发射机激光平面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参见附图1至4，双旋转激光平面发射机内参数标定方法包括以下步骤：

(1)在旋转平台内部安装两个红色线性激光器，并在交流伺服电机的驱动下绕旋转轴逆时针匀速旋转，工作时向空间内发出两道具有固定角度的扇形激光平面和LED脉冲信号，LED脉冲信号作为激光平面旋转的初始时刻(参见图1、2)。

(2)建立三维标定台坐标系，将发射机放置在距三维标定台约5m处，并在三维标定台上安装一个光电传感器，用于接收光信号(参见图3)。

(3)利用卷尺粗测发射机在三维标定台坐标系中的坐标，设定初始值，初始值格式为 $\left(\begin{array}{ccccccccc}\sqrt{3}& 0& 0& \sqrt{3}& 0& 0& A& B& C\end{array}\right),$ 其中(ABC)为发射机在三维标定台坐标系中的坐标。

(4)在三维标定台上移动光电传感器采集信号，作为标定数据，移动方式为：沿Z轴正向移动p行，每行相距100mm并采集q个标定点，标定点之间相距50mm,这里p选3,q选11(参见图3)。

(5)进行标定，求解模型参数N₁、N₂、R及T，模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left({\mathrm{RR}}_1^{\left(1\right)}{N}_1\right)\·(P^{\left(1\right)}-T)=0\\ \left({\mathrm{RR}}_2^{\left(1\right)}{N}_2\right)\·(P^{\left(1\right)}-T)=0\\ \left({\mathrm{RR}}_1^{\left(2\right)}{N}_1\right)\·(P^{\left(2\right)}-T)=0\\ \left({\mathrm{RR}}_2^{\left(2\right)}{N}_2\right)\·(P^{\left(2\right)}-T)=0\\ .\\ .\\ .\\ \left({\mathrm{RR}}_1^{\left(n\right)}{N}_1\right)\·(P^{\left(n\right)}-T)=0\\ \left({\mathrm{RR}}_2^{\left(n\right)}{N}_2\right)\·(P^{\left(n\right)}-T)=0\end{array}\right.$

其中，n：标定点编号，n＝1,2,…,33

R、T：发射机坐标系相对于三维标定台坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；

N₁、N₂：两个激光平面在初始时刻的法向量；

激光平面从初始位置旋转到光电传感器时的旋转矩阵，分别是特征时间的函数；

P⁽ⁿ⁾：三维标定台坐标系中标定点的坐标；

(6)推导发射机内参数，推导步骤如下：

(I)如图3所示，计算两个激光平面LP₁和LP₂在发射机坐标系下的平面方程以及与水平面的交线L₁和L₂的方程，模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}L{P}_1:a_{1}x+b_{1}y+c_{1}z=0\\ L{P}_2:a_{2}x+b_{2}y+c_{2}z=0\end{array}\right.$ 和 $\left\{\begin{array}{c}{l}_1:a_{1}x+b_{1}y=0\\ l_2:a_{2}x+b_{2}y=0\end{array}\right.$

其中：n₁＝(a₁b₁c₁)^T是激光平面1在初始时刻的法向量；

n₂＝(a₂b₂c₂)^T是激光平面2在初始时刻的法向量；

(II)计算两个激光平面在水平面上的夹角模型如下：

其中： $v_1={\left(\begin{array}{cc}1& -\frac{a_1}{b_1}\end{array}\right)}^T$ 是交线L₁的方向向量；

$v_2={\left(\begin{array}{cc}1& -\frac{a_2}{b_2}\end{array}\right)}^T$ 是交线L₂的方向向量；

(III)计算两个激光平面与旋转轴的夹角和以为例，模型如下：

其中：n₁＝(a₁b₁c₁)^T是激光平面1在初始时刻的法向量；

$n_3={\left(\begin{array}{ccc}1& \frac{b_1}{a_1}& 0\end{array}\right)}^T$ 是过旋转轴平面的法向量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种双旋转激光平面发射机的内参数标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在匀速旋转平台上安装两个线性激光器形成发射机，所述线性激光器发出两道具有固定角度的扇形激光平面和LED脉冲信号，所述LED脉冲信号作为所述扇形激光平面旋转的初始时刻；

(2)在距所述发射机的预定距离位置设置一个三维标定台，在所述三维标定台上安装一个光电器，所述光电器用于接收所述两个线性激光器的光信号，在所述三维标定台上建立三维坐标系XYZ，所述光电器设置于XZ平面上；

(3)设定所述发射机动的坐标初始值，所述坐标初始值格式为

$\left(\begin{array}{ccccccccc}\sqrt{3}& 0& 0& \sqrt{3}& 0& 0& A& B& C\end{array}\right),$ 其中(ABC)为所述发射机在三维标定台的坐标系中的坐标；

(4)在所述光电固定位置上沿Z轴正方向移动光电器，采集光电器移动标定点位置的对应所述线性激光器的光信号；设所述光电器移动标定点为p行q列；

(5)求解模型参数N₁、N₂、R及T，模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left({\mathrm{RR}}_1^{\left(1\right)}{N}_1\right)\·(P^{\left(1\right)}-T)=0\\ \left({\mathrm{RR}}_2^{\left(1\right)}{N}_2\right)\·(P^{\left(1\right)}-T)=0\\ \left({\mathrm{RR}}_1^{\left(2\right)}{N}_1\right)\·(P^{\left(2\right)}-T)=0\\ \left({\mathrm{RR}}_2^{\left(2\right)}{N}_2\right)\·(P^{\left(2\right)}-T)=0\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ \left({\mathrm{RR}}_1^{\left(n\right)}{N}_1\right)\·(P^{\left(n\right)}-T)=0\\ \left({\mathrm{RR}}_2^{\left(n\right)}{N}_2\right)\·(P^{\left(n\right)}-T)=0\end{array}\right.$

其中：n：标定点编号，n＝1,2,3…p*q,

R、T：发射机坐标系相对于三维标定台坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；

N₁、N₂：两个激光平面在初始时刻的法向量；

激光平面从初始位置旋转到光电传感器时的旋转矩阵，分别是特征时间的函数；

P⁽ⁿ⁾：三维标定台坐标系中标定点的坐标；

(6)根据第(5)步的模型参数推导发射机内参数，推导步骤如下：

(a)计算两个激光平面LP₁和LP₂在发射机坐标系下的平面方程以及与水平面的交线L₁和L₂的方程，模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{LP}}_1:a_{1}x+b_{1}y+c_{1}z=0\\ {\mathrm{LP}}_2:a_{2}x+b_{2}y+c_{2}z=0\end{array}\right.$ 和 $\left\{\begin{array}{c}{l}_1:a_{1}x+b_{1}y=0\\ l_2:a_{2}x+b_{2}y=0\end{array}\right.$

其中：n₁＝(a₁b₁c₁)^T是激光平面1在初始时刻的法向量；

n₂＝(a₂b₂c₂)^T是激光平面2在初始时刻的法向量；

(b)计算两个激光平面在水平面上的夹角模型如下：

其中： $v_1={\left(\begin{array}{cc}1& -\frac{a_1}{b_1}\end{array}\right)}^T$ 是交线L₁的方向向量；

$v_2={\left(\begin{array}{cc}1& -\frac{a_2}{b_2}\end{array}\right)}^T$ 是交线L₂的方向向量；

(c)计算两个激光平面与旋转轴的夹角和以为例，模型如下：

其中：n₁＝(a₁b₁c₁)^T是激光平面1在初始时刻的法向量；

$n_3={\left(\begin{array}{ccc}1& \frac{b_1}{a_1}& 0\end{array}\right)}^T$ 是过旋转轴平面的法向量。

2.根据权利要求1所述的双旋转激光平面发射机的内参数标定方法，其特征在于，所述第(2)步中的预定距离为5米。

3.根据权利要求1所述的双旋转激光平面发射机的内参数标定方法，其特征在于，所述第(4)步中光电器的移动标定点为3行11列。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的双旋转激光平面发射机的内参数标定方法，其特征在于，所述匀速旋转平台通过交流伺服电机驱动。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的双旋转激光平面发射机的内参数标定方法，其特征在于，所述匀速旋转平台以逆时针方向转动。