CN107702643B - 法线方向确定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种法线方向确定系统及方法，涉及激光应用技术领域。该法线方向确定系统包括：激光发生器，用于向待测点发射入射激光；示踪器，置于激光发生器与待测点之间，用于确定入射激光的方向以及入射激光经待测点反射后的反射激光的方向；其中，当入射激光与反射激光重合时，入射激光的方向确定为待测点的法线方向。本公开可以准确快速地确定各类复杂曲面的法线方向。

Description

法线方向确定系统及方法

技术领域

本公开涉及激光应用技术领域，具体而言，涉及一种法线方向确定系统及法线方向确定方法。

背景技术

在测量技术领域，通常会遇到需要测量物体上某一点对应法线方向的问题。例如，在航空航天飞行器制造和装配等工程中，确定复杂曲面法线方向是影响组件加工和安装精度的重要因素，其不仅会影响单个组件的可靠性，而且会影响到整个工程系统的稳定性及安全性。

目前，在一些技术中，测量曲面法线方向的系统包括点状激光器、线形激光器、CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器件)、光学放大镜头、图像采集计算分析装置等。这种测量系统结构复杂，并且测量过程较繁琐，不便于应用。

鉴于此，需要一种新的法线方向确定系统及法线方向确定方法。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种法线方向确定系统及法线方向确定方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开的一个方面，提供一种法线方向确定系统，包括：

激光发生器，用于向待测点发射入射激光；

示踪器，置于激光发生器与待测点之间，用于确定入射激光的方向以及入射激光经待测点反射后的反射激光的方向；

其中，当入射激光与反射激光重合时，入射激光的方向确定为待测点的法线方向。

在本公开的一种示例性实施例中，激光发生器为双向激光发生器；

其中，激光发生器还用于发射与入射激光共线且方向相反的指示激光。

在本公开的一种示例性实施例中，法线方向确定系统还包括：

参考物，用于接收指示激光；

其中，当入射激光与反射激光重合时，指示激光在参考物上的点确定为待测点的法线方向的参考点。

在本公开的一种示例性实施例中，示踪器为内含电解质溶液的封闭圆柱形装置。

在本公开的一种示例性实施例中，待测点上涂覆有反光试剂或粘贴有反光标识。

根据本公开的一个方面，提供一种法线方向确定方法，包括：

提供激光发生器，用于向待测点发射入射激光；

提供示踪器，示踪器置于激光发生器与待测点之间，用于确定入射激光的方向以及入射激光经待测点反射后的反射激光的方向；

其中，当入射激光与反射激光重合时，将入射激光的方向确定为待测点的法线方向。

在本公开的一种示例性实施例中，激光发生器为双向激光发生器；

其中，激光发生器还用于发射与入射激光共线且方向相反的指示激光。

在本公开的一种示例性实施例中，法线方向确定方法还包括：

提供参考物，用于接收指示激光；

其中，当入射激光与反射激光重合时，将指示激光在参考物上的点确定为待测点的法线方向的参考点。

在本公开的一种示例性实施例中，示踪器为内含电解质溶液的封闭圆柱形装置。

在本公开的一种示例性实施例中，在待测点上涂覆反光试剂或粘贴反光标识。

在本公开的一些实施例所提供的技术方案中，利用示踪器检测发射到待测点的入射激光的方向以及入射激光经待测点反射后的反射激光的方向，并在入射激光与反射激光重合时，将入射激光的方向确定为待测点的法线方向，本方案可以准确快速地确定各类复杂曲面的法线方向，进而满足航空航天、汽车、船舶等生产装配领域的曲面法线测量要求。另外，本方案原理明确、构造简单，并且本系统可以小型化后手持使用，方便高效。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1示出了根据本公开的示例性实施方式的法线方向确定系统的示意性框图；

图2示出了根据本公开的示例性实施方式的法线方向确定系统的另一示意性方框图；以及

图3示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的法线方向确定方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

图1示出了本公开的示例性实施方式的法线方向确定系统的示意性框图。参考图1，法线方向确定系统可以包括激光发生器10和示踪器20，其中：

激光发生器10，可以用于向待测点发射入射激光；

示踪器20，可以置于激光发生器10与待测点300之间，用于确定入射激光1的方向以及入射激光1经待测点300反射后的反射激光2的方向；

其中，当入射激光1与反射激光2重合时，入射激光1的方向确定为待测点的法线方向。

在本公开的示例性实施方式的法线方向确定系统中，利用示踪器检测发射到待测点的入射激光的方向以及入射激光经待测点反射后的反射激光的方向，并在入射激光与反射激光重合时，将入射激光的方向确定为待测点的法线方向，本方案可以准确快速地确定各类复杂曲面的法线方向，进而满足航空航天、汽车、船舶等生产装配领域的曲面法线测量要求。另外，本方案原理明确、构造简单，并且本系统可以小型化后手持使用，方便高效。

下面将结合图1对本公开的法线方向确定系统进行详细说明。

在本公开的示例性实施方式中，激光发生器10可以为半导体激光器。然而，激光发生器10还可以是固体激光器、气体激光器、液体激光器、染料激光器等，本示例性实施方式中对此不做特殊限定。此外，激光发生器10发出激光的波长可以为人眼能识别出的波长范围，具体的，该激光可以为红光(波长为650nm至660nm)、绿光(波长为515nm至520nm)、蓝光(波长为445nm至450nm)和蓝紫光(405nm)等，容易理解的是，本公开的激光发生器10发出的激光的波长不限于上述范围，另外，激光的波长还可以为635nm、532nm等。另外，本公开所使用的激光发生器10的功率可以例如为毫瓦级。

在本公开的示例性实施方式中，示踪器20可以为内含电解质溶液的封闭圆柱形空间。应当注意的是，一方面，来自激光发生器10的激光在经过示踪器20后，该激光的传播方向不会变化；另一方面，激光在示踪器20中不会产生明显的衰减；再一方面，测试人员可以通过示踪器20确定出经过示踪器20的激光的路径。鉴于此，容易理解的是，本公开对示踪器20的具体形状以及内部物质的成分不作特殊限制，只要满足以上条件即可。

在使用激光发生器10和示踪器20前，测试人员可以对激光发生器10和示踪器20进行校准，以确保激光发生器10和示踪器20均能正常应用到本系统中。

此外，本公开的法线方向确定系统还可以包括待测物30，具体的，待测物30可以具有复杂的曲线表面。例如，该待测物30可以是航空航天飞行器内的一结构或功能组件，但不限于此，任何待测法线方向的物体均可以作为本公开的待测物30。

待测物30的表面包含待测点300，为了避免待测点300不能正常反射激光，测试人员可以在进行法线方向测试之前对待测点300涂覆反光试剂。此外，还可以在待测点300粘贴反光标识，以达到使待测点300能够反射激光的目的。应当注意的是，其他使待测点具有反光特性的方法均属于本发明的构思。

基于上面对法线方向确定系统各组成部分的描述，可以将本公开的法线方向确定原理描述如下：

首先，激光发生器10可以向待测物30上的待测点300发射入射激光1，入射激光1经过设置在激光发生器10与待测点300之间的示踪器20入射到待测点300上，其中，测试人员可以通过示踪器20确定入射激光1的路径；接下来，待测点300可以对入射激光1进行反射产生反射激光2；随后，反射激光2可以经过示踪器20，此时，测试人员可以通过示踪器20确定反射激光2的路径。

测试人员可以确定入射激光1的路径与反射激光2的路径的相对位置，在入射激光1的路径与反射激光2的路径不重合时，测试人员可以在确保入射激光1入射到待测点300的情况下调整激光发生器10的位置，以使入射激光1的路径与反射激光2的路径重合，此时，入射激光1和反射激光2的路径对应的方向即为待测点300的法线方向。

容易理解的是，当入射激光1的路径与反射激光2的路径重合时，测试人员可以从示踪器20上观测到激光的强度明显增强。

根据本公开的一些实施例，本公开的法线方向确定系统还可以包括工作台(未示出)，该工作台用于放置激光发生器10、示踪器20和待测物30，此时，测试人员可以在工作台上布置它们的相对位置。

根据另外一些实施例，针对本公开的系统实现小型化的方案，本公开的法线方向确定系统还可以包括壳体(未示出)，该壳体可手持并内含上面描述的激光发生器10和示踪器20。容易想到的是，在这种情况下，当需要测量待测物30上待测点300的法线方向时，测试人员仅需将包含激光发生器10和示踪器20的壳体对准待测点300并调整壳体角度，即可进行法线方向的测量。

图1仅示例性绘出了根据本公开的示例性实施方式的法线方向确定系统。在图1中，描述了待测点300的法线方向为入射激光1的路径和反射激光2的路径对应的方向的情况。然而，为了绘出入射激光1和反射激光2，将二者平行绘出，也就是说，图1仅为了展示出入射激光1和反射激光2，而实际上，此时，入射激光1和反射激光2重合。此外，容易想到的是，当测试人员通过示踪器20观测到入射激光1和反射激光2为两条非平行的光线时，则表明入射激光1的路径对应的方向不是待测点300的法线方向，在这种情况下，需要调整激光发生器10的位置。

此外，在本公开的示例性实施方式中，为了更直观地标识出待测点的法线方向，法线方向确定系统还可以包括参考物。如图2所示，参考物40可以设置在激光发生器10相对于示踪器20侧的另一侧。应当理解的是，类似地，图2所示入射激光1与反射激光2平行仅是为了绘出入射激光1和反射激光2。

在这种情况下，激光发生器10可以为双向激光发生器，也就是说，该激光发生器可以同时发射共线且方向相反的两束激光。就图2所示的方案而言，激光发生器10可以发射与入射光线1共线且方向相反的指示激光3。

此外，参考物40可以是标尺或其他任意具有标识功能的物体。当入射激光1与反射激光2重合时，指示激光3在参考物40上的参考点400可以作为待测点300的法线方向的参考点。容易理解的是，此时，若移除激光发生器10和示踪器20，可以采用连接线连接待测点300与参考点400，该连接线的方向即为待测点300的法线方向。

根据本公开的一些实施例，针对将激光发生器10、示踪器20和待测物30置于工作台的方案，还可以将参考物40置于该工作台上。

根据另外一些实施例，针对本公开的系统实现小型化的方案，可以将参考物40置于上述壳体内。

进一步的，本示例实施方式中还提供了一种法线方向确定方法。

图3示意性示出了本公开的示例性实施方式的法线方向确定方法的流程。参考图3，根据本公开的示例性实施方式的法线方向确定方法可以包括以下步骤：

S10.提供激光发生器，用于向待测点发射入射激光；

S20.提供示踪器，示踪器置于激光发生器与待测点之间，用于确定入射激光的方向以及入射激光经待测点反射后的反射激光的方向；

其中，当入射激光与反射激光重合时，将入射激光的方向确定为待测点的法线方向。

根据本公开的示例性实施例，激光发生器为双向激光发生器；

其中，激光发生器还用于发射与入射激光共线且方向相反的指示激光。

根据本公开的示例性实施例，法线方向确定方法还包括：

提供参考物，用于接收指示激光；

其中，当入射激光与反射激光重合时，将指示激光在参考物上的点确定为待测点的法线方向的参考点。

根据本公开的示例性实施例，示踪器为内含电解质溶液的封闭圆柱形装置。

根据本公开的示例性实施例，在待测点上涂覆反光试剂或粘贴反光标识。

由于本发明实施方式的方法过程与上述系统发明实施方式中对应的部分相同，因此在此不再赘述。

此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (6)

1.一种法线方向确定系统，其特征在于，包括：

双向激光发生器，用于向待测点发射入射激光，以及发射与所述入射激光共线且方向相反的指示激光；

示踪器，置于所述双向激光发生器与所述待测点之间，用于确定所述入射激光的方向以及所述入射激光经所述待测点反射后的反射激光的方向；

参考物，用于接收所述指示激光；

其中，当所述入射激光与所述反射激光重合时，所述指示激光在所述参考物上的点确定为所述待测点的法线方向的参考点，将所述待测点与所述参考点的连接线的方向确定为所述待测点的法线方向。

2.根据权利要求1所述的法线方向确定系统，其特征在于，所述示踪器为内含电解质溶液的封闭圆柱形装置。

3.根据权利要求1或2所述的法线方向确定系统，其特征在于，所述待测点上涂覆有反光试剂或粘贴有反光标识。

4.一种法线方向确定方法，其特征在于，包括：

提供双向激光发生器，用于向待测点发射入射激光，以及发射与所述入射激光共线且方向相反的指示激光；

提供示踪器，所述示踪器置于所述双向激光发生器与所述待测点之间，用于确定所述入射激光的方向以及所述入射激光经所述待测点反射后的反射激光的方向；

提供参考物，用于接收所述指示激光；

其中，当所述入射激光与所述反射激光重合时，所述指示激光在所述参考物上的点确定为所述待测点的法线方向的参考点，将所述待测点与所述参考点的连接线的方向确定为所述待测点的法线方向。

5.根据权利要求4所述的法线方向确定方法，其特征在于，所述示踪器为内含电解质溶液的封闭圆柱形装置。

6.根据权利要求4或5所述的法线方向确定方法，其特征在于，在所述待测点上涂覆反光试剂或粘贴反光标识。

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