CN108413865B - 基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法，通过将二次反射塔分为三个扇区，三个扇区分别设置三个公共固定标靶，在扇区中央下方的地面上打桩，然后在桩柱顶部安装可旋转靶标作为公共固定标靶，对于镜面型的被测表面必须贴上靶标才能进行测量，同一扇区的目标点测量，同一扇区所有孔径下测量完成后，需要将各孔径测点的坐标融合到同一个扇区局部坐标系，扇区的局部坐标系转移到世界坐标系下，通过曲面拟合，最后误差分析。本发明属于主动测量，对于环境要求较低，可以实现大尺寸物体测量，可以一个测量物体分多孔径进行测量，从而可以保证被测物表面各点都可实现最佳测量。

Description

基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法， 属于反射镜面型检测技术领域。

背景技术

太阳能光热发电技术避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，大大降低太阳能发电的成本。二次反射塔式太阳能光热发电是通过地面上一定数量的定日镜阵列，将 太阳光反射到安置于塔顶端的二次反射镜上，再将太阳光聚焦到地面上的吸热 器中，将融盐介质加热并驱动发电机组发电，从而将吸收的太阳能转化为电能。 其中的塔式二次反射镜是由若干次结构镜面组装而成，所以二次反射镜安装的 面型精度是决定反射效率和发电效率的重要因素，如果安装精度没有达到要求， 会导致二次反射的太阳光不能准确的照射到吸热器中，不能将第一次反射的太 阳光高效地利用，从而发电效率大大降低。所以需要对二次反射镜的面型精度 进行精确测量。

传统的测量方法有双目视觉测量法、多目测量法、三坐标测量仪测量和三维扫 描仪扫描等方法。

双目视觉测量是根据激光三角法测量原理，用两台摄像机从不同的角度对物体进行拍摄，通过提取图像上线激光在物体表面投影的中心像素点、像素点的立 体匹配，得出测量点在两幅图像平面上的像素坐标对，再利用成像公式计算出 被测点的空间坐标。

多目测量法通过多台取景器和全站仪配合，用多台取景器拍摄被测点测出被测点在图像中的坐标和取景器的旋转角俯仰角，用全站仪测出取景器的高度信息 确定出取景器的三维坐标信息，从而联立确定出被测点的三维坐标信息。

三坐标测量仪属于接触式测量，将工件放置在工作台上，通过三个相互垂直方 向上的导向机构将测头手动或机动地移动到被测点上，然后锁存三个方向上的 光栅尺的光栅数据，测量出工件上被测点的实际三维位置从而得到三维坐标信 息。

拍照式三维扫描仪是一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的 复合三维非接触式测量设备，由一台光栅投影设备和两个工业CCD相机组成， 测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的 两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配 技术、三角形测量原理,解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。

双目视觉测量法属于被动测量，没有主动光，所以在环境较暗的时候不能够实 现准确测量，而且只适用于近距离测量，远距离时精度较低。

多目测量法也属于被动测量，而且需要配合全站仪使用，过程复杂繁琐，测量 速度慢处理效率较低。

三坐标测量仪只能适用于小尺寸的测量，被测物需要放置在工作台上，所以大 尺寸物体不能够实现测量。

三维扫描仪对测量距离要求比较严格，一般只能在1-3米的范围内进行测量， 而且一次扫描的范围较小，需要进行多幅拼接，对于大尺寸物体的测量效率较 低，而且测量精度也会降低。

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，提供一种基于三 维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法，用于进行远距离大尺寸面型 的非接触高精度高效率测量。

本发明所采用的技术方案是：一种基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法，包括如下步骤：

(1)、将二次反射塔分为三个扇区，分别记为S₁、S₂和S₃，每个扇区按照相同的 方法进行测量；将一个扇区分为多个孔径P₁、P₂、P₃、…、P_n进行测量，测量前 需要为三个扇区分别设置三个公共固定点，在其中一个S₁扇区中，A、B、C三个 点表示三个公共基点；

(2)、在扇区中央下方的地面上打桩，然后在桩柱顶部安装可旋转靶标作为公 共固定标靶，无论靶标怎么旋转其在空间的位置不变，即在世界坐标系下的坐 标不变；通过调整公共固定标靶的旋转角度，来保证在该扇区各个孔径下对公 共固定标靶都具有最佳的测量角度；

(3)、测量前需要在待测面贴上靶点，由于二次反射镜表面属于镜面，三维测 量仪测量时发射的激光在其表面不能形成漫反射，所以无法接收到反射回来的 激光信息，所以对于镜面型的被测表面必须贴上靶标才能进行测量；

(4)、使用单点三维测量仪测量时，不同孔径的测量要通过移动站位更换测量 位置实现，使得在每一个站位对该孔径下所有测点都有一个合适的测量角度和 测量距离；在同一个孔径下测量时都要先按照相同的顺序测量公共基点，再测 量该孔径下的目标测点，并且对不同目标点测量时只能够变化测量角度，测量 站位的位置和高度不能变化；

以第一个扇区第一个孔径为例，测量时的前3个测点为按照一定顺序测量的该 扇区的3个公共固定点A、B和C的坐标 和并根据A、B、C三点的相对位置 关系建立三维笛卡尔坐标系，之后各个目标测点的测量数据都是此坐标系下的 坐标值 所以理论上在同一扇 区不同孔径下，按相同顺序测量公共固定点的数据是相同的，根据这三点建立 的坐标系也是相同的，在实际测量中，应该尽量避免人为误差，使得同一扇区 不同孔径的坐标系尽量重合；

(5)、在同一扇区所有孔径下测量完成后，需要将各孔径测点的坐标融合到同 一个扇区局部坐标系(由该扇区公共基点确定)下；以第一个扇区为例，首先 取该扇区所有n个孔径下的前三点坐标 并对其取平均值:

则，该扇区所有孔径前三点坐标的平均值和每个孔径除去前三点后所有测点的坐标即为各孔径的局部坐标系融合到同一个扇区的局部坐标系下的坐标；

(6)、一个扇区测量完成后，通过该扇区A、B、C三个公共基点在世界坐标系 下的坐标值，用布尔莎七参数坐标转换模型将扇区的局部坐标系转移到世界坐 标系下；

(7)、将三个扇区所有测点坐标进行曲面拟合；

(8)、得到拟合面型之后，和二次塔设计的标准面型进行对比分析，计算出焦 距偏差和拟合面型上特征点到标准面型的距离以及平均距离，以此评价二次塔 反射镜的安装精度。

在本发明中：所述步骤(2)中的各个桩柱高度(即公共固定标靶的高度)不能 相同，要高低错开，而且桩柱轴线不能在同一平面上，要成三角状分布，最后 通过工程测量提供出三个公共固定标靶在世界坐标系下的东北高坐标。

在本发明中：：所述步骤(3)中，为了不在二次反射面上留下污迹，贴靶点时 要先贴上无痕胶布再在无痕胶布上贴靶标。

在本发明中：所述步骤(6)中任意一个点i在两个不同坐标系中都有如下的对 应关系：

式(1)中，为点i在世界坐标系O_W-x_Wy_Wz_W中的坐标，为点i在 局部坐标系O_P-x_Py_Pz_P中的坐标；为完成两个坐标系间的转化，需要求出 Δx₀，Δy₀，Δz₀，ε_x，ε_y，ε_z，m；将和 (i＝1,2,3，…)代入式(1)，写成如下式(2)形式：

要求出这七个参数，需要同时知道A、B、C三个公共基点在两个坐标系下的坐 标值，代入式(2)中利用最小二乘法求出这七个参数；求出七参数之后，将七 参数代入式(2)中，将扇区局部坐标系下目标测点的坐标

转化成世界坐标系下的坐标

将其他两个扇区按照同样方法进行转换，转换完成 后三个扇区所有的测点坐标就都是在同一世界坐标系下的坐标。

在本发明中：所述步骤(7)中先按照二次曲面方程进行拟合计算，二次曲面方 程为：

a₀+a₁x+a₂y+a₃z+a₄xy+a₅yz+a₆xz+a₇x²+a₈y²+a₉z²＝0 (3)

式(3)中(x,y,z)为二次曲面上点的坐标，a₀,a₁…,a₉为待求解的二次曲面参数；式(3)可以写成矩阵形式：

a₀+[a₁ a₂ a₃]X+X^TDX＝0 (4)

式(4)中，

X＝[x y z]^T

式(3)中a₀可认为是常数，可取x坐标、y坐标、z坐标的最大值和最小值之差 的乘积；a₀,a₁…,a₉为待定参数；通过已知的即已测出的目标点的三维坐标就可利 用间接平差法，根据最小二乘法原理求出(3)中所有待定参数，得到二次反射 塔面型的拟合方程。

本发明的有益效果：

1.本发明属于主动测量，对于环境要求较低；

2.本发明测量设备简单，只需要使用一台三维测量仪即可完成测量，成本低而 且便于维护；

3.不需要使用全站仪，降低了测量难度，简化了测量过程，提高了工作效率；

4.可以实现远距离非接触测量，单孔径测量范围可以达到1-30米；

5.可以实现大尺寸物体测量，可以将一个测量物体分多孔径进行测量，从而可 以保证被测物表面各点都可实现最佳测量。

附图说明

图1是本发明的检测系统示意图；

图2是本发明中二次反射塔的分区示意图；

图3是本发明中扇区中央下方的地面上打桩示意图；

图4是本发明中靶标设计示意图；

图5是本发明中公共固定标靶的结构示意图；

图6是本发明的流程示意图。

图中：1、塔式二次反射镜；2、单点三维测量仪；3、三脚架；4、计算机；5、 桩柱；6、公共固定标靶；7、底座；8、旋转靶。

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1-5所示，一种基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法， 包括单点三维测量仪2、三脚架3、计算机4、桩柱5和公共固定标靶6实现对 塔式二次反射镜1的面型检测，其中三脚架3上设有单点三维测量仪2；桩柱5 上设有公共固定标靶6，所述的公共固定标靶6包括底座7和旋转靶8，将底座 7安装到桩柱5顶部，将旋转靶8插入底座7中，靶标贴到旋转靶8上之后过 旋转靶8转轴和底座7的中心轴线。

如图6所示，具体包括如下步骤：

(1)如图2所示，二次反射塔分为三个扇区S₁、S₂和S₃，每个扇区按照相 同的方法进行测量。因为单个扇区面积过大，同一个测量位置不能测到所有的 目标测点，所以将一个扇区分为多个孔径P₁、P₂、P₃、…、P_n进行测量(每一个 圆表示一个孔径)。测量前需要为三个扇区分别设置三个公共固定点，在其中 一个S₁扇区中，A、B、C三个点表示三个公共基点。

(2)如图3所示，具体的可以在扇区中央下方的地面上打桩柱5，然后在 桩柱5顶部安装可旋转靶标作为公共固定标靶6，无论靶标怎么旋转其在空间的 位置不变，即在世界坐标系下的坐标不变。通过调整公共固定标靶6的旋转角 度，来保证在该扇区各个孔径下对公共固定点都具有最佳的测量角度。需要注 意各个桩柱高度(即公共固定点的高度)不能相同要高低错开，而且桩柱轴线 不能在同一平面上，要成三角状分布，最后通过工程测量提供出三个公共固定 点在世界坐标系下的的东北高坐标。

(3)测量前需要在待测面贴上靶点，因为二次反射镜表面属于镜面，三维 测量仪测量时发射的激光在其表面不能形成漫反射，所以无法接收到反射回来 的激光信息，所以对于镜面型的被测表面必须贴上靶标才能进行测量。设计靶 标如图4所示，为了不在二次反射面上留下污迹，所以贴靶点时要先贴上无痕 胶布再在无痕胶布上贴靶标。

(4)使用单点三维测量仪2测量时，不同孔径的测量要通过移动站位更换 测量位置实现，使得在每一个站位对该孔径下所有测点都有一个合适的测量角 度和测量距离。在同一个孔径下测量时都要先按照相同的顺序测量公共基点， 再测量该孔径下的目标测点，并且对不同目标点测量时只能够变化测量角度， 测量站位的位置和高度不能变化。以第一个扇区第一个孔径为例，测量时的前 3个测点为按照一定顺序测量的该扇区的3个公共固定点A、B和C的坐标 和并 根据A、B、C三点的相对位置关系建立三维笛卡尔坐标系，之后各个目标测点 的测量数据都是此坐标系下的坐标值 所以理论上在同一扇区不同孔径下，按相同顺序测量公 共固定点的数据是相同的，根据这三点建立的坐标系也是相同的，在实际测量 中，应该尽量避免人为误差，使得同一扇区不同孔径的坐标系尽量重合。

(5)在同一扇区所有孔径下测量完成后，需要将各孔径测点的坐标融合到 同一个扇区局部坐标系(由该扇区公共基点确定)下。以第一个扇区为例，首 先取该扇区所有n个孔径下的前三点坐标 并对其取平均值:

则，该扇区所有孔径前三点坐标的平均值和每个孔径除去前三点后所有测点的坐标即为各孔径的局部坐标系融合到同一个扇区的局部坐标系下的坐标。

(6)一个扇区测量完成后，通过该扇区A、B、C三个公共基点在世界坐标 系下的坐标值，用布尔莎七参数坐标转换模型将扇区的局部坐标系转移到世界 坐标系下。

任意一个点i在两个不同坐标系中都有如下的对应关系：

式(1)中，为点i在世界坐标系O_W-x_Wy_Wz_W中的坐标，为点i在 局部坐标系O_P-x_Py_Pz_P中的坐标；为完成两个坐标系间的转化，需要求出 Δx₀，Δy₀，Δz₀，ε_x，ε_y，ε_z，m；将和 (i＝1,2,3，…)代入式(1)，写成如下式(2)形式：

要求出这七个参数，需要同时知道A、B、C三个公共基点在两个坐标系下的坐 标值，代入式(2)中利用最小二乘法求出这七个参数；求出七参数之后，将七 参数代入式(2)中，将扇区局部坐标系下目标测点的坐标

转化成世界坐标系下的坐标

将其他两个扇区按照同样方法进行转换，转换完成 后三个扇区所有的测点坐标就都是在同一世界坐标系下的坐标。

(7)将三个扇区所有测点坐标进行曲面拟合。先按照一般的二次曲面方程 进行拟合计算，一般的二次曲面方程为：

a₀+a₁x+a₂y+a₃z+a₄xy+a₅yz+a₆xz+a₇x²+a₈y²+a₉z²＝0 (3)

式(3)中(x,y,z)为二次曲面上点的坐标，a₀,a₁…,a₉为待求解的二次曲面参数。式(3)可以写成矩阵形式：

a₀+[a₁ a₂ a₃]X+X^TDX＝0 (4)

式(4)中，

X＝[x y z]^T

式(3)中a₀可认为是常数，可取x坐标、y坐标、z坐标的最大值和最小值 之差的乘积；a₀,a₁...,a₉为待定参数。通过已知的即已测出的目标点的三维坐标就 可利用间接平差法，根据最小二乘法原理求出(3)中所有待定参数，得到二次 反射塔面型的拟合方程。

(8)得到拟合面型之后，和二次塔设计的标准面型进行对比分析，计算出焦距 偏差和拟合面型上特征点到标准面型的距离以及平均距离，以此评价二次塔反 射镜的安装精度。

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 (5)

1.一种基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、将二次反射塔分为三个扇区，分别记为S₁、S₂和S₃，每个扇区按照相同的方法进行测量；将一个扇区分为多个孔径P₁、P₂、P₃、…、P_n进行测量，测量前需要为三个扇区分别设置三个公共基点，在其中一个S₁扇区中，A、B、C三个点表示三个公共基点；

(2)、在扇区中央下方的地面上打桩，然后在桩柱顶部安装可旋转靶标作为公共固定标靶，无论靶标怎么旋转其在空间的位置不变，即在世界坐标系下的坐标不变；通过调整公共固定标靶的旋转角度，来保证在该扇区各个孔径下对公共固定标靶都具有最佳的测量角度；

(3)、测量前需要在待测面贴上靶点，由于二次反射镜表面属于镜面，三维测量仪测量时发射的激光在其表面不能形成漫反射，所以无法接收到反射回来的激光信息，所以对于镜面型的被测表面必须贴上靶标才能进行测量；

(4)、使用单点三维测量仪测量时，不同孔径的测量要通过移动站位更换测量位置实现，使得在每一个站位对该孔径下所有测点都有一个合适的测量角度和测量距离；在同一个孔径下测量时都要先按照相同的顺序测量公共基点，再测量该孔径下的目标测点，并且对不同目标点测量时只能够变化测量角度，测量站位的位置和高度不能变化；

以第一个扇区第一个孔径为例，测量时的前3个测点为按照一定顺序测量的该扇区的3个公共基点A、B和C的坐标 和并根据A、B、C三点的相对位置关系建立三维笛卡尔坐标系，之后各个目标测点的测量数据都是此坐标系下的坐标值 所以理论上在同一扇区不同孔径下，按相同顺序测量公共基点的数据是相同的，根据这三点建立的坐标系也是相同的，在实际测量中，应该尽量避免人为误差，使得同一扇区不同孔径的坐标系尽量重合；

(5)、在同一扇区所有孔径下测量完成后，需要将各孔径测点的坐标融合到同一个扇区局部坐标系下，所述的扇区局部坐标系由该扇区公共基点确定；以第一个扇区为例，首先取该扇区所有n个孔径下的前三点坐标 并对其取平均值:

则该扇区所有孔径前三点坐标的平均值和每个孔径除去前三点后所有测点的坐标即为各孔径的局部坐标系融合到同一个扇区的局部坐标系下的坐标；

(6)、一个扇区测量完成后，通过该扇区A、B、C三个公共基点在世界坐标系下的坐标值，用布尔莎七参数坐标转换模型将扇区的局部坐标系转移到世界坐标系下；

(7)、将三个扇区所有测点坐标进行曲面拟合；

(8)、得到拟合面型之后，和二次塔设计的标准面型进行对比分析，计算出焦距偏差和拟合面型上特征点到标准面型的距离以及平均距离，以此评价二次塔反射镜的安装精度。

2.根据权利要求1所述的基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中的公共固定标靶的高度不能相同，要高低错开，而且桩柱轴线不能在同一平面上，要成三角状分布，最后通过工程测量提供出三个公共固定标靶在世界坐标系下的东北高坐标。

3.根据权利要求1所述的基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法，其特征在于：所述步骤(3)中，为了不在二次反射面上留下污迹，贴靶点时要先贴上无痕胶布再在无痕胶布上贴靶标。

4.根据权利要求1所述的基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法，其特征在于：所述步骤(6)中任意一个点i在两个不同坐标系中都有如下的对应关系：

式(1)中，为点i在世界坐标系O_W-x_Wy_Wz_W中的坐标，为点i在局部坐标系O_P-x_Py_Pz_P中的坐标；为完成两个坐标系间的转化，需要求出Δx₀，Δy₀，Δz₀，ε_x，ε_y，ε_z，m；将和代入式(1)，写成如下式(2)形式：

要求出这七个参数，需要同时知道A、B、C三个公共基点在两个坐标系下的坐标值，代入式(2)中利用最小二乘法求出这七个参数；求出七参数之后，将七参数代入式(2)中，将扇区局部坐标系下目标测点的坐标其中i＝1,2,3，…，转化成世界坐标系下的坐标其中i＝1,2,3，…；将其他两个扇区按照同样方法进行转换，转换完成后三个扇区所有的测点坐标就都是在同一世界坐标系下的坐标。

5.根据权利要求1所述的基于三维测量和坐标系转换的二次反射镜面型检测方法，其特征在于：所述步骤(7)中先按照二次曲面方程进行拟合计算，二次曲面方程为：

a₀+a₁x+a₂y+a₃z+a₄xy+a₅yz+a₆xz+a₇x²+a₈y²+a₉z²＝0 (3)

式(3)中(x,y,z)为二次曲面上点的坐标，a₀,a₁…,a₉为待求解的二次曲面参数；式(3)可以写成矩阵形式：

a₀+[a₁ a₂ a₃]X+X^TDX＝0 (4)

式(4)中，

X＝[x y z]^T

式(3)中a₀可认为是常数，可取x坐标、y坐标、z坐标的最大值和最小值之差的乘积；a₀,a₁…,a₉为待定参数；通过已知的即已测出的目标点的三维坐标就可利用间接平差法，根据最小二乘法原理求出(3)中所有待定参数，得到二次反射塔面型的拟合方程。