CN107843207A - 一种槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统及方法 - Google Patents

一种槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统及方法，利用四反射镜反射成像系统，单相机进行三维图像采集，采用三维数字图像相关技术对抛物面面形进行三维表面坐标重构，实现槽式太阳能抛物面面形测量，指导槽式太阳能抛物面的安装调试，提高安装效率和太阳能集热效率。在实际测量之前对固定物距和放大倍数的相机进行标定，测量中通过激光测距仪对相机进行定位，在实际测量中免去每次进行标定的步骤，提高了测试效率，该测量系统测量抛物面面形具有在线实时性，高精度，非接触，免标定、效率高和操作灵活方便等优点。

Description

一种槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统及方法
技术领域
本发明涉及一种槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统及方法，该发明属于光测实验、工程材料、构件变形和三维重构测量领域。
背景技术
我国已成为世界上最大的太阳能光热应用市场，也是世界上最大的太阳能集热器制造中心。太阳能光热发电是太阳能光热技术应用的一个新领域，在光热利用产业中后来居上，发展势头十分迅猛。在槽式光热发电系统中，槽式抛物面定位的准确度对于集热效率有着重要的影响。在安装太阳能抛物镜时，由于支撑装置的制造误差以及人为操作误差等因素，导致抛物镜的实际曲面与设计曲面有误差，从而大大降低槽式太阳能集热效率。实际安装过程中需要对抛物面的位置进行精确矫正。光学测量方法是一种全场、非接触的方法，它可以通过对集热管在抛物镜中的图像进行分析，得到测试结果的直观分布，广泛应用到大型工程结构面形检测中。因此，针对槽式太阳能光热发电中抛物面安装中存在的问题，需要发展一种快速、精确、适用于现场操作的便捷的槽式太阳能抛物镜安装误差的光学检测方法，在线实时检测抛物面的位置及面形，根据测试系统结果反馈给安装者，指导安装调试人员调试抛物面的位置和面形，使得太阳能集热效率达到最佳值，同时也大大提高安装人员的工作效率。
目前，不少研究者对抛物面的面形进行相关研究，主要采用基于反射式投影栅线(基于偏折原理的太阳能槽式聚光器面形快速检测方法,2013,12(40):1208006；基于条纹反射术的槽式抛物面单元镜面形测量,2013,1(33):0112007)、双相机三维视觉原理(Photogrammetry:A Powerful Tool for Geometric Analysis of Solar Concentratorsand Their Components,Journal of Solar Energy Engineering,2005,107:94-101)、基于GPS定位技术的槽式镜安装精度测量系统(专利号：CN102589433B)进行抛物面的面形和位置测量，由于操作过程的复杂和易受室外环境的影响且测量精度低，在实际过程中很难得到应用。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统及方法，该系统操作简单，相机免标定、实现在线实时测量，适用于抛物面面形三维重构的工程测量。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统，包括：四反射系统、水平导轨13、升降旋转平移装置、CCD相机6、可移动平台7、计算机8、第一控制器11、第二控制器12、升降装置9、角度仪18、相机水平调节装置10和激光测距仪32；
所述四反射系统通过升降旋转平移装置安装在水平导轨13上，所述相机水平调节装置10安装在升降装置9上，所述升降装置9、第一控制器11、第二控制器12和计算机8分别安装在可移动平台7上，所述角度仪18放置于CCD相机6上，CCD相机6放置于相机水平调节装置10上，所述激光测距仪32固定在升降装置9上；
所述第一控制器11、第二控制器12和角度仪18分别与计算机8连接，第一控制器11还与升降装置9连接，第二控制器12还与相机水平调节装置10连接；
所述升降旋转平移装置用于实现四反射系统的平移、旋转及升降；
所述相机水平调节装置10用于实现CCD相机6的水平位置调节；
所述激光测距仪32用于测量CCD相机6与含标记点抛物面1之间的距离。
在上述方案的基础上，所述四反射系统包括：第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4和第四反射镜5；所述升降旋转平移装置包括：第一升降旋转平移装置14、第二升降旋转平移装置15、第三升降旋转平移装置16和第四升降旋转平移装置17。
在上述方案的基础上，所述第一反射镜2通过第四升降旋转平移装置17安装在水平导轨13上，第二反射镜3通过第三升降旋转平移装置16安装在水平导轨13上，第三反射镜4通过第二升降旋转平移装置15安装在水平导轨13上，第四反射镜5通过第一升降旋转平移装置14安装在水平导轨13上。
在上述方案的基础上，所述第一反射镜1和第四反射镜5对称设置，与水平方向的夹角均呈40°，第二反射镜3与第三反射镜4之间的夹角呈90°。
在上述方案的基础上，所述升降装置9包括：立柱24、滑块25、螺母套26、L型连接板27、梯形导轨28、螺杆29和电机30；立柱24分别与上固定板和下固定板固定连接，电机30安装在上固定板上，梯形导轨28安装于立柱24的右侧，滑块25活动安装于梯形导轨28上，螺杆29位于上固定板和下固定板中间，并与上固定板和下固定板固定连接，螺母套26套接在螺杆29上，螺母套26的侧面分别与滑块25和L型连接板27连接。
在上述方案的基础上，所述激光测距仪32固定在螺母套26上。
在上述方案的基础上，所述电机30与第一控制器11连接，计算机8控制第一控制器11，第一控制器11控制电机30工作，电机30带动螺杆29转动，滑块25在梯形导轨28的作用下随着螺杆29的转动上下移动，从而带动L型连接板27的上下升降，同时可将L型连接板27固定到设定的高度。
在上述方案的基础上，所述相机水平调节装置10包括第一驱动装置19、第二驱动装置20、第三驱动装置21、上连接板22和下连接板23，所述下连接板23安装在L型连接板27上，所述第一驱动装置19、第二驱动装置20和第三驱动装置21位于上连接板22和下连接板23中间，分别与上连接板22和下连接板23连接，并同时与第二控制器12连接，CCD相机6放置于上连接板22上。
在上述方案的基础上，所述可移动平台7包括：底板31和滚轮，滚轮安装在底板31的下方。
本发明提供的一种应用上述所述的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统的测量方法，包括如下步骤：
1)四反射系统的布置：通过第一升降旋转平移装置14、第二升降旋转平移装置15、第三升降旋转平移装置16和第四升降旋转平移装置17分别实现第四反射镜5、第三反射镜4、第二反射镜3和第一反射镜2的平移、旋转及升降；使得第一反射镜2和第四反射镜5对称设置，与水平方向的夹角均呈40°，第二反射镜3与第三反射镜4之间的夹角呈90°；
2)CCD相机6位置确定：根据CCD相机6设定的放大倍数计算CCD相机6与含标记点抛物面1之间的距离，以后CCD相机6都按该距离固定；
3)CCD相机标定：将标定板放到含标记点抛物面1的位置，利用标定板标定CCD相机6的内参数和外参数，利用标定算法标定计算得到CCD相机6的内参数和外参数；实现CCD相机6标定；
4)测距定位：在实际测量中用激光测距仪32测量CCD相机6与含标记点抛物面1之间的距离还原相机CCD相机6的测量位置；
5)CCD相机6的调节：通过相机水平调节装置10准确调整CCD相机6在水平方向的位置，使得CCD相机6的光轴垂直含标记点抛物面1；
6)图像采集：利用CCD相机6和四反射系统拍摄得到含标记点抛物面1表面的散斑图；
7)计算：将拍摄得到的散斑图，利用三维数字图像相关计算软件进行三维数字图像相关计算，进行抛物面的三维重构。
所述内参数和外参数包括：焦距、光心、相对世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵。
本发明具有以下优点及突出性效果：本发明提出的系统是基于非接触的光学全场测量系统，通过单相机采集图像进行三维形貌测量，减少了相机标定的繁琐步骤，提高了测量精度，简单易操作。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明提供的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统的原理结构示意图。
图2为四反射系统结构示意图。
图3为相机的水平调节装置示意图。
图4为升降装置示意图。
图中：1-含标记点抛物面；2-第一反射镜；3-第二反射镜；4-第三反射镜；5-第四反射镜；6-CCD相机；7-可移动平台；8-计算机；9-升降装置；10-相机水平调节装置；11-第一控制器；12-第二控制器；13-水平导轨；14-第一升降旋转平移装置；15-第二升降旋转平移装置；16-第三升降旋转平移装置；17-第四升降旋转平移装置；18-角度仪；19-第一驱动装置；20-第二驱动装置；21-第三驱动装置；22-上连接板；23-下连接板；24-立柱；25-滑块；26-螺母套；27-L型连接板；28-梯形导轨；29-螺杆；30-电机；31-底板；32-激光测距仪。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统，包括：四反射系统、水平导轨13、升降旋转平移装置、CCD相机6、可移动平台7、计算机8、第一控制器11、第二控制器12、升降装置9、角度仪18、相机水平调节装置10和激光测距仪32；
所述四反射系统通过升降旋转平移装置安装在水平导轨13上，所述相机水平调节装置10安装在升降装置9上，所述升降装置9、第一控制器11、第二控制器12和计算机8分别安装在可移动平台7上，所述角度仪18放置于CCD相机6上，CCD相机6放置于相机水平调节装置10上，所述激光测距仪32固定在升降装置9上；
所述第一控制器11、第二控制器12和角度仪18分别与计算机8连接，第一控制器11还与升降装置9连接，第二控制器12还与相机水平调节装置10连接；
所述升降旋转平移装置用于实现四反射系统的平移、旋转及升降；
所述相机水平调节装置10用于实现CCD相机6的水平位置调节；
所述激光测距仪32用于测量CCD相机6与含标记点抛物面1之间的距离。
在上述方案的基础上，所述四反射系统包括：第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4和第四反射镜5；所述升降旋转平移装置包括：第一升降旋转平移装置14、第二升降旋转平移装置15、第三升降旋转平移装置16和第四升降旋转平移装置17。
在上述方案的基础上，所述第一反射镜2通过第四升降旋转平移装置17安装在水平导轨13上，第二反射镜3通过第三升降旋转平移装置16安装在水平导轨13上，第三反射镜4通过第二升降旋转平移装置15安装在水平导轨13上，第四反射镜5通过第一升降旋转平移装置14安装在水平导轨13上。
在上述方案的基础上，第一反射镜1和第四反射镜5对称设置，与水平方向的夹角均呈40°，第二反射镜3与第三反射镜4之间的夹角呈90°。
在上述方案的基础上，所述升降装置9包括：立柱24、滑块25、螺母套26、L型连接板27、梯形导轨28、螺杆29和电机30；立柱24分别与上固定板和下固定板固定连接，电机30安装在上固定板上，梯形导轨28安装于立柱24的右侧，滑块25活动安装于梯形导轨28上，螺杆29位于上固定板和下固定板中间，并与上固定板和下固定板固定连接，螺母套26套接在螺杆29上，螺母套26的侧面分别与滑块25和L型连接板27连接。
在上述方案的基础上，所述激光测距仪32固定在螺母套26上。
在上述方案的基础上，所述电机30与第一控制器11连接，计算机8控制第一控制器11，第一控制器11控制电机30工作，电机30带动螺杆29转动，滑块25在梯形导轨28的作用下随着螺杆29的转动上下移动，从而带动L型连接板27的上下升降，同时可将L型连接板27固定到设定的高度。
在上述方案的基础上，所述相机水平调节装置10包括第一驱动装置19、第二驱动装置20、第三驱动装置21、上连接板22和下连接板23，所述下连接板23安装在L型连接板27上，所述第一驱动装置19、第二驱动装置20和第三驱动装置21位于上连接板22和下连接板23中间，分别与上连接板22和下连接板23连接，并同时与第二控制器12连接，CCD相机6放置于上连接板22上。
在上述方案的基础上，所述可移动平台7包括：底板31和滚轮，滚轮安装在底板31的下方。
本发明提供的一种应用上述所述的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统的测量方法，包括如下步骤：
1)四反射系统的布置：通过第一升降旋转平移装置14、第二升降旋转平移装置15、第三升降旋转平移装置16和第四升降旋转平移装置17分别实现第四反射镜5、第三反射镜4、第二反射镜3和第一反射镜2的平移、旋转及升降；使得第一反射镜2和第四反射镜5对称设置，与水平方向的夹角均呈40°，第二反射镜3与第三反射镜4之间的夹角呈90°；
2)CCD相机6位置确定：根据CCD相机6设定的放大倍数计算CCD相机6与含标记点抛物面1之间的距离，以后CCD相机6都按该距离固定；
3)CCD相机标定：将标定板放到含标记点抛物面1的位置，利用标定板标定CCD相机6的内参数和外参数，利用标定算法标定计算得到CCD相机6的内参数和外参数；实现CCD相机6标定；
4)测距定位：在实际测量中用激光测距仪32测量CCD相机6与含标记点抛物面1之间的距离还原相机CCD相机6的测量位置；
5)CCD相机6的调节：通过相机水平调节装置10准确调整CCD相机6在水平方向的位置，使得CCD相机6的光轴垂直含标记点抛物面1；
6)图像采集：利用CCD相机6和四反射系统拍摄得到含标记点抛物面1表面的散斑图；
7)计算：将拍摄得到的散斑图，利用三维数字图像相关计算软件进行三维数字图像相关计算，进行抛物面的三维重构。
所述内参数和外参数包括：焦距、光心、相对世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵。
本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 (10)

1.一种槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统，其特征在于，包括：四反射系统、水平导轨(13)、升降旋转平移装置、CCD相机(6)、可移动平台(7)、计算机(8)、第一控制器(11)、第二控制器(12)、升降装置(9)、角度仪(18)、相机水平调节装置(10)和激光测距仪(32)；
所述四反射系统通过升降旋转平移装置安装在水平导轨(13)上，所述相机水平调节装置(10)安装在升降装置(9)上，所述升降装置(9)、第一控制器(11)、第二控制器(12)和计算机(8)分别安装在可移动平台(7)上，所述角度仪(18)放置于CCD相机(6)上，CCD相机(6)放置于相机水平调节装置(10)上，所述激光测距仪(32)固定在升降装置(9)上；
所述第一控制器(11)、第二控制器(12)和角度仪(18)分别与计算机(8)连接，第一控制器(11)还与升降装置(9)连接，第二控制器(12)还与相机水平调节装置(10)连接；
所述升降旋转平移装置用于实现四反射系统的平移、旋转及升降；
所述相机水平调节装置(10)用于实现CCD相机(6)的水平位置调节；
所述激光测距仪(32)用于测量CCD相机(6)与含标记点抛物面(1)之间的距离。
2.如权利要求1所述的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统，其特征在于，所述四反射系统包括：第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、第三反射镜(4)和第四反射镜(5)；所述升降旋转平移装置包括：第一升降旋转平移装置(14)、第二升降旋转平移装置(15)、第三升降旋转平移装置(16)和第四升降旋转平移装置(17)。
3.如权利要求2所述的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统，其特征在于，所述第一反射镜(2)通过第四升降旋转平移装置(17)安装在水平导轨(13)上，第二反射镜(3)通过第三升降旋转平移装置(16)安装在水平导轨(13)上，第三反射镜(4)通过第二升降旋转平移装置(15)安装在水平导轨(13)上，第四反射镜(5)通过第一升降旋转平移装置(14)安装在水平导轨(13)上。
4.如权利要求2所述的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统，其特征在于，所述第一反射镜(1)和第四反射镜(5)对称设置，与水平方向的夹角均呈40°，第二反射镜(3)与第三反射镜(4)之间的夹角呈90°。
5.如权利要求1所述的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统，其特征在于，所述升降装置(9)包括：立柱(24)、滑块(25)、螺母套(26)、L型连接板(27)、梯形导轨(28)、螺杆(29)和电机(30)；立柱(24)分别与上固定板和下固定板固定连接，电机(30)安装在上固定板上，梯形导轨(28)安装于立柱(24)的右侧，滑块(25)活动安装于梯形导轨(28)上，螺杆(29)位于上固定板和下固定板中间，并与上固定板和下固定板固定连接，螺母套(26)套接在螺杆(29)上，螺母套(26)的侧面分别与滑块(25)和L型连接板(27)连接。
6.如权利要求5所述的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统，其特征在于，所述激光测距仪(32)固定在螺母套(26)上。
7.如权利要求5所述的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统，其特征在于，所述电机(30)与第一控制器(11)连接，计算机(8)控制第一控制器(11)，第一控制器(11)控制电机(30)工作，电机(30)带动螺杆(29)转动，滑块(25)在梯形导轨(28)的作用下随着螺杆(29)的转动上下移动，从而带动L型连接板(27)的上下升降，同时可将L型连接板(27)固定到设定的高度。
8.如权利要求1所述的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统，其特征在于，所述相机水平调节装置(10)包括第一驱动装置(19)、第二驱动装置(20)、第三驱动装置(21)、上连接板(22)和下连接板(23)，所述下连接板(23)安装在L型连接板(27)上，所述第一驱动装置(19)、第二驱动装置(20)和第三驱动装置(21)位于上连接板(22)和下连接板(23)中间，分别与上连接板(22)和下连接板(23)连接，并同时与第二控制器(12)连接，CCD相机(6)放置于上连接板(22)上。
9.如权利要求1所述的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统，其特征在于，所述可移动平台(7)包括：底板(31)和滚轮，滚轮安装在底板(31)的下方。
10.一种应用上述权利要求1-9任一权利要求所述的槽式太阳能抛物面面形的单相机实时测量系统的测量方法，包括以下步骤：
1)四反射系统的布置：通过第一升降旋转平移装置(14)、第二升降旋转平移装置(15)、第三升降旋转平移装置(16)和第四升降旋转平移装置(17)分别实现第四反射镜(5)、第三反射镜(4)、第二反射镜(3)和第一反射镜(2)的平移、旋转及升降；使得第一反射镜(2)和第四反射镜(5)对称设置，与水平方向的夹角均呈40°，第二反射镜(3)与第三反射镜(4)之间的夹角呈90°；
2)CCD相机(6)位置确定：根据CCD相机(6)设定的放大倍数计算CCD相机(6)与含标记点抛物面(1)之间的距离，以后CCD相机(6)都按该距离固定；
3)CCD相机标定：将标定板放到含标记点抛物面(1)的位置，利用标定板标定CCD相机(6)的内参数和外参数，利用标定算法标定计算得到CCD相机(6)的内参数和外参数；实现CCD相机(6)标定；
4)测距定位：在实际测量中用激光测距仪(32)测量CCD相机(6)与含标记点抛物面(1)之间的距离还原相机CCD相机(6)的测量位置；
5)CCD相机(6)的调节：通过相机水平调节装置(10)准确调整CCD相机(6)在水平方向的位置，使得CCD相机(6)的光轴垂直含标记点抛物面(1)；
6)图像采集：利用CCD相机(6)和四反射系统拍摄得到含标记点抛物面(1)表面的散斑图；
7)计算：将拍摄得到的散斑图，利用三维数字图像相关计算软件进行三维数字图像相关计算，进行抛物面的三维重构。
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