CN108007424B - 一种多视角二次反射镜姿态检测系统及其检测方法 - Google Patents

一种多视角二次反射镜姿态检测系统及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多视角二次反射镜姿态检测系统及其检测方法，其系统包括至少三个图像采集系统、标志物和处理系统组成，所述的图像采集系统分布在待测二次反射镜覆盖区域中，其镜头的光轴指向上焦点，所述的标志物出射的光线经过二次反射镜的反射后分别入射被图像采集系统，且所述标志物的中心处于上焦点与下焦点即吸热器中心的连线上，且与大地水平面平行。本发明是基于图像采集系统对待测目标进行检测，对被测物体表面的反射率特性不敏感，可适用于表面具有高反射率特性的二次反射镜；本发明通过至少3个图像采集系统对二次反射镜进行检测，基于简单的测量步骤即可实现对二次反射镜整体空间姿态的描述，系统结构简单，检测效率高。

Description

一种多视角二次反射镜姿态检测系统及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种多视角二次反射镜姿态检测系统及其检测方法，属于二次反射镜姿态检测技术领域。
背景技术
二次反射技术是一种的新型的塔式太阳能热发电技术，不同于传统的塔式太阳能热发电技术将吸热器直接安装在塔上，该技术是将吸热器安装在塔的底部，而在塔上安装二次反射镜。二次反射镜会将定日镜的一次反射光束反射到吸热器区域实现二次汇聚，以获得更高能量密度的太阳能用于发电。在实际的安装过程中，二次反射镜空间姿态与位置的偏差会造成二次反射光斑偏移吸热器中央集热区域，影响吸热器的集热能力，最终造成太阳能电站效率低下。
二次反射镜具有安装位置高、空间跨度大、表面反射率高三个主要特点。安装位置和空间跨度是与定日镜场的布置范围相匹配，为了覆盖更多的定日镜，以获得更多的太阳能；表面反射率高是为了将更多的能量反射至吸热器区域，同时保证二次反射镜的温度不会过高。常规的空间测量方法主要包括飞时测量法和三角测量法。飞时测量法的主要实现方式是利用激光脉冲，即通过计算脉冲的发出时间和接收时间之间的差值计算测量装置与待测目标间的距离，再结合高精度的云台获得相应的角度信息，实现测量点或局部区域的空间姿态信息。该方式虽然是比较成熟的技术，但是不适用于表面具有高反射率特性的物体，因为激光脉冲易在物体表面发生镜面反射，使得测量装置无法收到回波信号导致测量失败。三角测量法是基于三角测量法，主要是通过双目测量来实现，即通过两个主光轴平行且间隔一定距离的图像采集系统获得同时获得待测目标的图像，再通过特征点匹配计算目标区域的空间位置信息。虽然该方法可以检测高反射镜面，但受限于镜头焦距和图像传感器像元大小，检测远距离目标时精度较低。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前技术不能满足现有的需要，提供一种多视角二次反射镜姿态检测系统及其检测方法，以解决上述技术问题。
本发明所采用的技术方案是：一种多视角二次反射镜姿态检测系统，其特征在于：包括至少三个图像采集系统、标志物和处理系统组成，所述的图像采集系统分布在待测二次反射镜覆盖区域中，其镜头的光轴指向二次反射镜构成的旋转曲面的上焦点，所述的标志物出射的光线经过二次反射镜的反射后分别入射被图像采集系统，且所述标志物的中心处于上焦点与下焦点即吸热器中心的连线上，且与大地水平面平行。
在本发明中：所述的图像采集系统分布在待测二次反射镜覆盖区域中，所述的二次反射镜覆盖区域通过经线和纬线进行划分，每个图像采集系统都独立地分布该区域内，且满足：(a)同一经度对应的一个局部扇区内只能放置一个图像采集系统；(b)同一纬度上的图像采集系统按照二次反射镜面形等角度间隔或等距离间隔排布；(c)图像采集系统的光轴对准二次反射镜上焦点。
一种多视角二次反射镜姿态检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、在定日镜场所处的水平面上通过测绘测量建立以二次反射镜上焦点在水平面上的投影为原点的镜场坐标系，X轴和Y轴为镜场坐标系坐标轴，然后以镜场坐标系原点为中心按经线和纬线的方式划分定日镜镜场；
（2）、在吸热器区域放置标志物，标志物的中心处于上焦点与下焦点即吸热器中心的连线上；
（3）、根据经纬度信息及二次反射镜的面形尺寸信息，布置至少3个图像采集系统，每个图像采集系统的中心坐标通过测绘工具（如全站仪等）测量获得；
（4）、调节图像采集系统，使图像采集系统分别对准二次反射镜的上焦点；
（5）、图像采集系统分别采集视场中的图像，图像采集系统的视场中心应该直接对应标志物的中心，而当二次反射镜发生旋转或偏移后，图像采集系统的视场中心会发生偏移，即标志物的像在图像坐标系中发生了偏移；
（6）、通过单个图像采集系统的图像中标志物像与图像中心的相对位置关系可知，当标志物的像发生左右偏移时，二次反射镜可能绕与该图像采集系统所在经线平行且过二次反射镜上焦点的轴转动
Figure 277646DEST_PATH_IMAGE002
，或沿与纬线切线方向平行且过二次反射镜上焦点的轴位移
Figure 884207DEST_PATH_IMAGE004
；如标志物像发生上下偏移时，二次反射镜可能绕与该图像采集系统所在的纬线切线方向平行且过二次反射镜上焦点的轴转动
Figure 533363DEST_PATH_IMAGE006
，或者沿与经线方向平行且过二次反射镜上焦点的轴位移
Figure 818851DEST_PATH_IMAGE008
，i表示该图像采集系统的编号；
（7）、单个图像采集系统无法判断二次反射镜是发生旋转或者位移，一个待测区域至少需要三个图像采集系统，由处理系统计算各个图像采集系统中标志物像的偏差信息，如二次反射镜存在旋转，则满足如下方程：
Figure 493546DEST_PATH_IMAGE010
或
Figure 672724DEST_PATH_IMAGE012
式中
Figure 40251DEST_PATH_IMAGE014
表示绕X轴的转角，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示绕Y轴的转角，n表示图像采集系统1个数，(xi,yi)表示每个图像采集系统1中心的镜场坐标系坐标；
如二次反射镜存在位移，则满足如下方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
或
Figure DEST_PATH_IMAGE020
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示沿X轴方向的位移，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
表示沿Y轴方向的位移,n表示图像采集系统的个数，(xi,yi)表示每个图像采集系统中心的镜场坐标系坐标。
本发明的有益效果：
1. 本发明的检测系统设计简单、合理，是基于图像采集系统对待测目标进行检测，对被测物体表面的反射率特性不敏感，可适用于表面具有高反射率特性的二次反射镜；
2. 通过至少3个图像采集系统对二次反射镜进行检测，基于简单的测量步骤即可实现对二次反射镜整体空间姿态的描述，系统结构简单，检测效率高；
3. 图像采集系统是相互独立的，每个图像采集系统是分别瞄准各自的二次反射镜的目标区域，而且单个图像采集系统的测量精度是由自身属性决定的，不会相互干扰，系统稳定性好；
4. 根据二次反射镜覆盖的区域分布图像采集系统，针对不同的距离选择相应的镜头焦距和图像传感器像元尺寸，保证测量精度满足检测需求；
5. 图像采集系统可以根据被测目标的空间跨度和空间位置进行调节设定，通过合理地分布多个图像采集系统及有效地信息数据融合，可以实现二次反射镜的全局空间信息检测。
附图说明
图1是本发明的系统示意图；
图2是本发明的图像采集系统分布示意图；
图3是本发明中二次反射镜偏差示意图；
图4是本发明中标志物像偏差示意图。
图中：1、图像采集系统；2、标志物；3、处理系统；4、上焦点；5、二次反射镜；6、吸热器区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种多视角二次反射镜姿态检测系统，包括至少三个图像采集系统1、标志物2和处理系统3组成，所述的图像采集系统1分布在待测二次反射镜5覆盖区域中，其镜头的光轴指向二次反射镜构成的旋转曲面的上焦点4，所述的标志物2出射的光线经过二次反射镜5的反射后分别入射被图像采集系统1，且所述标志物2的中心处于上焦点4与下焦点即吸热器中心的连线上，且与大地水平面平行。所述的图像采集系统1分布在待测二次反射镜5覆盖区域中。
如图2所示，在定日镜场所处的水平面上通过测绘测量建立以二次反射镜中心在水平面上的投影为原点的镜场坐标系，X轴和Y轴为镜场坐标系坐标轴，然后以镜场坐标系原点为中心按经线和纬线的方式划分定日镜镜场。图像采集系统1按需求进行分布，为了最有效地使用图像采集系统1，同一经度对应的一个局部扇区内只能放置一个图像采集系统1，而同一纬度上分布的图像采集系统1按照二次反射镜面形等角度间隔或等距离间隔排布，图像采集系统1的光轴指向二次反射镜5构成的旋转曲面的上焦点4。
一种多视角二次反射镜姿态检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、在定日镜场所处的水平面上通过测绘测量建立以二次反射镜上焦点在水平面上的投影为原点的镜场坐标系，X轴和Y轴为镜场坐标系坐标轴，然后以镜场坐标系原点为中心按经线和纬线的方式划分定日镜镜场；
（2）、在吸热器区域6放置标志物2，标志物2的中心处于上焦点4与下焦点即吸热器中心的连线上；
（3）、根据经纬度信息及二次反射镜5的面形尺寸信息，布置至少3个图像采集系统1，每个图像采集系统1的中心坐标通过测绘工具（如全站仪等）测量获得；
（4）、调节图像采集系统1，使图像采集系统1分别对准二次反射镜5的上焦点4；
（5）、图像采集系统1分别采集视场中的图像，图像采集系统1的视场中心应该直接对应标志物2的中心，而当二次反射镜5发生旋转或偏移后，图像采集系统1的视场中心会发生偏移，即标志物2的像在图像坐标系中发生了偏移；
（6）、如图4 (a)所示，通过单个图像采集系统1的图像中标志物像与图像中心的相对位置关系可知，当标志物2的像发生左右偏移时，二次反射镜5可能绕与该图像采集系统1所在经线平行且过二次反射镜上焦点4的轴转动
Figure 62303DEST_PATH_IMAGE002
，或沿与纬线切线方向平行且过二次反射镜上焦点4的轴位移
Figure 462060DEST_PATH_IMAGE004
；如标志物2像发生上下偏移时，二次反射镜5可能绕与该图像采集系统1所在的纬线切线方向平行且过二次反射镜上焦点4的轴转动
Figure 761323DEST_PATH_IMAGE006
，或者沿与经线方向平行且过二次反射镜上焦点4的轴位移
Figure 34173DEST_PATH_IMAGE008
，i表示该图像采集系统1的编号；
（7）、单个图像采集系统1无法判断二次反射镜是发生旋转或者位移，一个待测区域至少需要三个图像采集系统1，由处理系统3计算各个图像采集系统1中标志物2像的偏差信息，如二次反射镜5存在旋转，则满足如下方程：
Figure 961764DEST_PATH_IMAGE010
或
Figure 571737DEST_PATH_IMAGE012
式中
Figure 7397DEST_PATH_IMAGE014
表示绕X轴的转角，
Figure 434836DEST_PATH_IMAGE016
表示绕Y轴的转角，n表示图像采集系统1个数，(xi,yi)表示每个图像采集系统1中心的镜场坐标系坐标；
如二次反射镜5存在位移，则满足如下方程：
Figure 323158DEST_PATH_IMAGE018
或
Figure 736822DEST_PATH_IMAGE020
式中
Figure 276256DEST_PATH_IMAGE022
表示沿X轴方向的位移，
Figure 625329DEST_PATH_IMAGE024
表示沿Y轴方向的位移,n表示图像采集系统1的个数，(xi,yi)表示每个图像采集系统1中心的镜场坐标系坐标。
以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本发明并不限于以上描述。对于本领域的技术人员而言，任何对本技术方案的同等修改和替代都是在本发明的范围之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种多视角二次反射镜姿态检测系统，其特征在于：包括至少三个图像采集系统、标志物和处理系统组成，所述的图像采集系统分布在待测二次反射镜覆盖区域中，其镜头的光轴指向二次反射镜构成的旋转曲面的上焦点，所述的标志物出射的光线经过二次反射镜的反射后分别入射至图像采集系统，且所述标志物的中心处于上焦点与下焦点即吸热器中心的连线上，且与大地水平面平行。
2.根据权利要求1所述的一种多视角二次反射镜姿态检测系统，其特征在于：所述的图像采集系统分布在待测二次反射镜覆盖区域中，所述的二次反射镜覆盖区域通过经线和纬线进行划分，每个图像采集系统都独立地分布该区域内，且满足：(a)同一经度对应的一个局部扇区内只能放置一个图像采集系统；(b)同一纬度上的图像采集系统按照二次反射镜面形等角度间隔或等距离间隔排布；(c)图像采集系统的光轴对准二次反射镜上焦点。
3.一种多视角二次反射镜姿态检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、在二次反射镜场所处的水平面上通过测绘测量建立以二次反射镜上焦点在水平面上的投影为原点的镜场坐标系，X轴和Y轴为镜场坐标系坐标轴，然后以镜场坐标系原点为中心按经线和纬线的方式划分二次反射镜镜场；
（2）、在吸热器区域放置标志物，标志物的中心处于上焦点与下焦点即吸热器中心的连线上；
（3）、根据经纬度信息及二次反射镜的面形尺寸信息，布置至少3个图像采集系统，每个图像采集系统的中心坐标通过测绘工具测量获得；
（4）、调节图像采集系统，使图像采集系统分别对准二次反射镜的上焦点；
（5）、图像采集系统分别采集视场中的图像，图像采集系统的视场中心应该直接对应标志物的中心，而当二次反射镜发生旋转或偏移后，图像采集系统的视场中心会发生偏移，即标志物的像在图像坐标系中发生了偏移；
（6）、通过单个图像采集系统的图像中标志物像与图像中心的相对位置关系可知，当标志物的像发生左右偏移时，二次反射镜绕与该图像采集系统所在经线平行且过二次反射镜上焦点的轴转动
Figure 874157DEST_PATH_IMAGE002
，或沿与纬线切线方向平行且过二次反射镜上焦点的轴位移
Figure 56877DEST_PATH_IMAGE004
；如标志物像发生上下偏移时，二次反射镜绕与该图像采集系统所在的纬线切线方向平行且过二次反射镜上焦点的轴转动
Figure 102193DEST_PATH_IMAGE006
，或者沿与经线方向平行且过二次反射镜上焦点的轴位移
Figure 28561DEST_PATH_IMAGE008
，i表示该图像采集系统的编号；
（7）、单个图像采集系统无法判断二次反射镜是发生旋转或者位移，一个待测区域至少需要三个图像采集系统，由处理系统计算各个图像采集系统中标志物像的偏差信息，如二次反射镜存在旋转，则满足如下方程：
Figure 108512DEST_PATH_IMAGE010
或
Figure 196554DEST_PATH_IMAGE012
式中
Figure 729167DEST_PATH_IMAGE014
表示绕X轴的转角，
Figure 193646DEST_PATH_IMAGE016
表示绕Y轴的转角，n表示图像采集系统( 1) 个数，(xi,yi)表示每个图像采集系统( 1) 中心的镜场坐标系坐标；
如二次反射镜存在位移，则满足如下方程：
Figure 128104DEST_PATH_IMAGE018
或
Figure 387047DEST_PATH_IMAGE020
式中
Figure 406956DEST_PATH_IMAGE022
表示沿X轴方向的位移，
Figure 409547DEST_PATH_IMAGE024
表示沿Y轴方向的位移,n表示图像采集系统的个数，(xi,yi)表示每个图像采集系统中心的镜场坐标系坐标。
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