CN109341525A - 一种基于二维激光扫描仪的“v”型靶标及坐标测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维激光扫描仪的“V”型靶标及坐标测量方法，包括二维激光扫描仪、“V”型靶标、连接件、夹具、三脚架等。将二维激光扫描仪通过连接件与三脚架连接；将二维激光扫描仪通过以太网线或USB连接线与上位机连接；设计“V”型靶标并将“V”型靶标通过夹具、连接件与三脚架连接。通过二维激光扫描仪对测量范围内空间点进行测量，使用算法对空间点进行筛选，对“V”型靶标进行识别，利用“V”型靶标的形状特征，得到指定测量点的二维坐标。本发明具有测量场易于搭建、成本相对低廉、具有较大的测量范围、相对较高的测量精度等特点。可以在工业测量等领域得到应用。

Description

一种基于二维激光扫描仪的“V”型靶标及坐标测量方法

技术领域

本发明涉及二维激光扫描仪，特别涉及一种基于二维激光扫描仪的“V”型靶标及二维激光扫描仪配合“V”型靶标的坐标测量方法。

背景技术

工业测量是在工业生产和科研的各个环节中，为产品的设计、模拟、测量、放样、仿制、仿真、产品质量控制、产品运动状态等提供测量技术支撑的一门学科。激光以其良好的定向性和能量集中性，在工业测量领域有重要的应用。

能够进行坐标测量的仪器有激光跟踪仪等，其精度较高同时成本也很高。激光扫描仪依靠高精度的定速旋转转镜实现对测量窗口范围内的环境进行扫描，常用在导航、环境形貌测绘和工业产品在线检测等领域。同时根据激光扫描仪的测量原理，激光扫描仪完全能够胜任坐标测量的工作，特别是涉及平面内的坐标测量时，二维激光扫描仪能在保证一定精度的前提下，将成本控制在数万元甚至更低的级别。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中应用二维激光扫描仪进行平面内的多点坐标测量的不足，提供一种基于二维激光扫描仪的“V”型靶标及坐标测量方法，本发明采用二维激光扫描仪配合自主设计的“V”型靶标和坐标测量方法，通过装置与方法的结合及算法，实现对平面内特定点坐标的测量。

本发明所采用的技术方案是：一种基于二维激光扫描仪的“V”型靶标，包括靶标板、简易测角装置、气泡调平装置、连接件、靶标三脚架、铅垂线；

所述靶标板包括两块有机玻璃底板和反光贴纸，两块所述有机玻璃底板沿短边拼接，所述反光贴纸覆盖粘贴在所述有机玻璃的表面并将两块所述有机玻璃底板连接起来，形成“V”型靶标板；

所述简易测角装置用于对所述靶标板的张角进行测量；

所述气泡调平装置平面与所述靶标板平面垂直，用于将所述靶标板调成水平，使所述两块有机玻璃底板的拼接线与水平面垂直；

所述连接件用于将所述靶标板与所述靶标三脚架相连接；

所述靶标三脚架用于调整所述靶标板的高度，以适用于不同的测量环境；

所述铅垂线用于标记测量点。

进一步的，所述反光贴纸粘贴在所述靶标板的内侧或外侧，以构成两种不同的“V”型靶标。

进一步的，所述连接件包括干板架、快装板、转接螺丝；所述干板架用于夹持所述靶标板；所述快装板内开设有长条槽，所述干板架通过转接螺丝连接在所述长条槽内，并能在所述长条槽内移动，以调整所述靶标板的角度；所述快装板安装在所述靶标三脚架上。

本发明所采用的另一技术方案是：一种上述基于二维激光扫描仪的“V”型靶的坐标测量方法，包括以下步骤：

步骤一、装置连接与测量场搭建，其中，所述的测量场搭建包括：设置二维激光扫描仪位置，调平靶标和二维激光扫描仪，在待测点的位置设置靶标，调整靶标与二维激光扫描仪测量平面高度一致；

步骤二、二维激光扫描仪的软件连接与初始化；

步骤三、二维激光扫描仪数据帧处理：提取二维激光扫描仪回传的数据帧中的所需信息，并将所需信息转成十进制数据，再根据所需信息中的每一个距离数据对应的角度，得到每一个测量点相对于二维激光扫描仪测量原点的二维坐标，并将二维坐标与所需信息中的反射率数据按序号建立一一对应关系；

步骤四、“V”型靶标识别：在二维激光扫描仪获得的各个靶标板的反射率数据中，剔除反射率不足99.6％的点；设定相邻两点的间距阈值，将保留的反射率大于等于99.6％的点根据相邻两点的间距进行分组；通过3σ准则剔除每组内的异常点，通过由靶标到二维激光扫描仪的距离、靶标正面宽度确定的靶标分组合理点数范围剔除异常分组；此时，剩余的点组都为“V”型靶标点组且每一组都是一个“V”型靶标；每组内第一个点和最后一个点的连线称为端点连线，计算每组内端点连线方程，在组内寻找到端点连线距离最大的点，距离最大的点即为最接近“V”型尖端的测量点；计算测量点到二维激光扫描仪原点的距离和端点连线到二维激光扫描仪原点的距离，若测量点到二维激光扫描仪原点的距离大于端点连线到二维激光扫描仪原点的距离，则反光贴纸粘贴在靶标板内侧，反之则粘贴在靶标板外侧；

步骤五、“V”型靶标特征点坐标获取：以步骤四中得到的最接近“V”型尖端的测量点为分界，分别将组内测量点两侧的点拟合为两条直线，两条直线的交点即为真正的靶标尖端，两条直线的交点坐标即为“V”型靶标特征点坐标。

其中，步骤三中，所需信息包括数据个数、数据比例因子、距离数据和反射率数据。

本发明的有益效果是：

本发明提出的一种基于二维激光扫描仪的“V”型靶标及坐标测量方法，具有测量场易于搭建、成本相对低廉、具有较大的测量范围、相对较高的测量精度、能够同时捕捉多个待测点等优点。其中，二维激光扫描仪的价格在大尺寸测量设备，特别是具有50m+的测距能力的设备中属于比较低的，同时具有十毫米级的测量精度；配合包括张角不同以及反光贴纸粘贴面不同而构成的不同的“V”型靶标，激光扫描仪能够做到同时识别多个靶标并得到多个待测点的坐标，此时如果有足够高的如25HZ的测量频率，可以实现动态测量多点二维坐标的功能，可以在工业测量等领域得到应用。

附图说明

图1：本发明基于二维激光扫描仪的“V”型靶标的结构示意图；

图2：SICK LMS511-20100测量角示意图；

图3：SICK LMS511-20100与扫描仪三脚架的连接示意图；

图4：本发明二维坐标测量方法流程框图；

图5：“V”型靶标识别算法示意图；

图6：测量软件界面示意图；

图7：利用系统对标准尺测量结果示意图。

附图标注：1-气泡调平装置，2-有机玻璃底板，3-反光贴纸，4-干板架，5-快装板，6-靶标三脚架，7-铅垂线，8-电源线，9-以太网线，10-二维激光扫描仪，11-上位机，12-扫描仪三脚架。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明采用二维激光扫描仪配合自主设计的“V”型靶标和坐标测量方法，通过装置与方法的结合及算法，实现对平面内特定点坐标的测量。

如图1所示，一种基于二维激光扫描仪的“V”型靶标，包括靶标板、简易测角装置、气泡调平装置1、连接件、靶标三脚架6、铅垂线7。

所述靶标板包括两块有机玻璃底板2和反光贴纸3。所述有机玻璃底板2具有重量适当，不易变形等特点。选用两块300mm×200mm×5mm的有机玻璃，沿200mm的一边拼接，使用所述反光贴纸3将有机玻璃底板2表面粘贴覆盖，并依靠所述反光贴纸3的粘性将两块所述有机玻璃底板2连接起来，构成“V”型靶标板，“V”型靶标板张角可变。所述反光贴纸3具有直角三棱锥的微观结构，该结构可以将任意方向入射的光线沿原方向反射，因而理论上其具有100％的反射率。所述反光贴纸3粘贴在有机玻璃底板2上，一方面可以起到连接作用，另一方面使得靶标板具有不同于环境中漫反射表面的反射率。将所述反光贴纸3覆盖“V”型靶标板内侧和外侧可以构成两种不同的“V”型靶标。

所述简易测角装置用于对所述靶标板的张角进行测量，测角的精度要求取决于测量工作对靶标板多样性的要求，除贴纸粘贴在“V”型靶标板内侧或外侧可以构成不同靶标外，“V”型靶标板张角不同也可以构成不同的靶标。如测量系统只需4种或更少的靶标，则将简易的量角器固定在靶标板连接处即可；如需要更多种的靶标板，要使用精度更高的测角装置。

所述气泡调平装置1平面与所述靶标板平面垂直，用于将所述靶标板调成水平，使所述两块有机玻璃底板2的拼接线与水平面垂直。

所述连接件用于将所述靶标板与所述靶标三脚架6相连接。所述连接件包括干板架4、快装板5和必要的转接螺丝。所述干板架4能够将所述靶标板紧紧夹持，增加稳定性；所述快装板5内开设有长条槽，所述干板架4通过转接螺丝连接在所述长条槽内，并能在所述长条槽内移动，以调整所述靶标板的角度，选用的所述快装板5长度应大于200mm，使得所述靶标板能够有更大的角度调节范围；由于干板架4多配有公制内螺孔，快装板5多配有英制外螺纹螺丝，转接螺丝常选用英制内螺纹配合公制外螺纹。最后使用连接件将靶标板与靶标三脚架6相连接，靶标三脚架6的作用在于可以调整靶标板的高度，以适用于不同的测量环境。

所述铅垂线7用于标记测量点。

基于上述一种基于二维激光扫描仪的“V”型靶标的二维坐标测量方法，除具有理论50m的测距能力，测量频率可通过本发明方法调整，成本相对低廉等特征外，还有能够配合“V”型靶标以及方法动态测量平面内特定多点坐标的特点，具体包括以下步骤：

步骤一、装置连接与测量场搭建。

装置连接包括二维激光扫描仪10与上位机11的通信连接，以及上位机11与二维激光扫描仪10的供电等。其中通信连接通常有以太网线9连接和USB连接等方式，二维激光扫描仪10可使用锂电池移动供电或通过电源线8连接电源。

测量场搭建，根据使用的二维激光扫描仪10有效测量角度范围不同，来设置二维激光扫描仪10位置：若使用190°测角的扫描仪，可将扫描仪放置在所有待测点的一侧；若使用270°测角甚至更大测角的扫描仪，可将扫描仪放置在待测点中央，可以充分利用扫描仪的测量范围，有利于提高最终测量的精度。根据所在测量环境是否有坡度配合气泡调平装置1和二维激光扫描仪10自带的调平装置对靶标以及二维激光扫描仪10进行调平，将各个靶标以铅垂点为标志放置到待测点的位置，调整靶标三脚架6和扫描仪三脚架12高度使得所有靶标与二维激光扫描仪10测量平面高度一致保证所有靶标都能够被测量到。

步骤二、二维激光扫描仪10的软件连接与初始化。根据使用二维激光扫描仪10型号的不同，选用合适的编译环境与二维激光扫描仪10建立连接，其中使用以太网线9连接时常试用TCPIP协议，通过简单的网络编程代码即可实现PC与二维激光扫描仪10的连接。然后向二维激光扫描仪10发送指令完成二维激光扫描仪10的初始化。初始化一般包括选择登录的权限账户、设置二维激光扫描仪10的角度分辨率、扫描频率、设置二维激光扫描仪10启动等。

步骤三、二维激光扫描仪10数据帧处理。发送测量命令给二维激光扫描仪10后，二维激光扫描仪10会回传一帧数据，将数据帧中的重要信息如数据个数、数据比例因子、距离数据和反射率数据等提取出来。这些数据通常是十六进制的，因而需要作必要的十六进制转十进制处理。再根据每一个距离数据对应的角度，得到每一个测量点相对于二维激光扫描仪10测量原点的二维坐标，并将二维坐标与反射率数据按序号建立一一对应关系。

步骤四、“V”型靶标识别。由于靶标上粘有反光贴纸3，被二维激光扫描仪10接收的反射率达到99.6％，因而首先将获得的数据中反射率不足99.6％的点剔除；选择合适的相邻两点的间距阈值，将保留的反射率大于等于99.6％的点根据相邻两点的间距进行分组，具体做法为将间距较小的点分在同一组；通过3σ准则剔除每组内的异常点，通过由靶标到二维激光扫描仪10的距离、靶标正面宽度确定的靶标分组合理点数范围剔除异常分组；此时剩余的点组都为“V”型靶标点组且每一组都是一个“V”型靶标；每组内第一个点和最后一个点的连线称为端点连线，计算每组内端点连线方程，在组内寻找到端点连线距离最大的点，距离最大的点即为最接近“V”型尖端的测量点；计算测量点到二维激光扫描仪10原点的距离和端点连线到二维激光扫描仪10原点的距离，若测量点到二维激光扫描仪10原点的距离大于端点连线到二维激光扫描仪10原点的距离，则反光贴纸3粘贴在靶标板内侧，反之则粘贴在靶标板外侧。

步骤五、“V”型靶标特征点坐标获取。以步骤四中得到的最接近尖端的点为分界，分别将组内测量点两侧的点拟合为两条直线，两条直线的交点即为真正的靶标尖端，两条直线的交点是地面待测点通过铅垂线7向测量平面的延伸，两条直线的交点坐标即为“V”型靶标特征点坐标。

实施例一

本实施例中，所述二维激光扫描仪10采用型号为SICK LMS511-20100的扫描仪，并将特定点选为标称长度为1000.88mm的标准尺两端。二维坐标测量方法为：

步骤一：装置连接与测量场搭建。将LMS511-20100通过连接件与云台和扫描仪三脚架12连接(如图3)，通过电源接口对其供电，根据环境选择固定电源或者移动电源。通过以太网线9将LMS511连接至上位机11。将两块分别在正反两面贴有反光贴纸3的“V”型靶标板通过连接件连接至靶标三脚架6(如图1)，通过简易调平装置调平，张角设置在120°左右固定。将两个靶标的铅垂指示点分别设置在标准尺的两端。

步骤二：二维激光扫描仪10的软件连接与初始化。通过TCPIP协议使上位机11与激光二维激光扫描仪10建立连接，向二维激光扫描仪10发送登录命令(02 73 4D 4E 20 5365 74 41 63 63 65 73 73 4D 6F 64 65 20 30 33 20 46 34 37 32 34 37 34 34 03)，存储参数命令(02 73 4D 4E 20 6D 45 45 77 72 69 74 65 61 6C 6C 03)，运行命令(0273 4D 4E 20 52 75 6E 03)。这里可通过发送命令来修改诸如角度分辨率等参数，本实例设置为扫描频率25HZ，角度分辨率0.1667°。具体命令要依照LMS511的使用手册。在设置好所有的基本参数、发送运行命令后，初始化完成。

步骤三：二维激光扫描仪10数据帧处理。向二维激光扫描仪10发送单次测量命令(02 73 52 4E 20 4C 4D 44 73 63 61 6E 64 61 74 61 03)，接收二维激光扫描仪10回传的数据，即为一数据帧，数据帧内包含大量的信息，包括测量模式，版本号，设备状态等。将其中有用的信息包括比例因子，数据个数，距离数据和反射率数据提取出来。把距离数据通过十六进制转十进制函数转化为十进制的距离值，并根据每一个数据的序号得到其对应的角度，并依据距离值和角度值得出该测量点的二维坐标。LMS511的测量范围为-5°～185°，选用的角度分辨率为0.1667°，则应共有1141个距离数据值，其中第101号距离数据对应的角度应为-5+0.1667×(101-1)＝11.67°，若101号距离数据值为1000，则该测量点坐标为(1000×cos11.67°，1000×sin11.67°)，即(979.3288,202.2745)，将整个测量范围内的1141个测量数据都做此处理。反射率数据的处理方式是转化为十进制后除以255，这样会得到1141个介于0和1之间的数，即为每个测量点的反射率，将其与上面得到的坐标一一对应。

步骤四：“V”型靶标识别。将步骤三中得到的所有测量点中反射率不足99.6％的剔除，剩余点中绝大多数都是靶标点。由于该实例中激光扫描仪距离待测标准尺5m左右，选择500mm作为阈值，将相邻两测量点距离小于500mm的点分在一组，这样每一组都是“疑似”靶标，组内点的间距应服从正态分布，则根据3σ准则可将组内的异常点剔除掉；再根据所选用的靶标张角120°可知靶标正面展宽约520mm，5m的测量距离和0.1667°的角度分辨率，每个靶标上的点个数应约为5000×0.1667×π/180≈36个，则在5m左右的距离上，当组内点数不足25或超过45时，认为不是靶标分组，可以将整组都剔除。同理可在其他的距离上设定这样的范围，将不是靶标的点组剔除。接下来只需找到靶标点组内距离两端点连线距离最远的点，即为“V”字分界点，再判断端点连线(d2)和分界点(d1)哪个离二维激光扫描仪10更近，即可判断靶标尖端的朝向，靶标识别完成(如图5)。

步骤五：特征点提取。以步骤四中得到的两个分界点为界线，将每个靶标分为两部分，分别将两部分拟合为直线方程，并求取两条直线的交点，求得的交点是“V”型靶标的尖端点，也是用来标记待测标准尺两个端点的指示点。在本实例中，配合编写的简易用户界面软件(如图6)，测得两个端点的坐标分别为(-1388.829,4251.261)，(-586.350,3647.692)。求得标准尺长度为1004.124mm(如图7)。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于二维激光扫描仪的“V”型靶标，其特征在于，包括靶标板、简易测角装置、气泡调平装置、连接件、靶标三脚架、铅垂线；

所述靶标板包括两块有机玻璃底板和反光贴纸，两块所述有机玻璃底板沿短边拼接，所述反光贴纸覆盖粘贴在所述有机玻璃的表面并将两块所述有机玻璃底板连接起来，形成“V”型靶标板；

所述简易测角装置用于对所述靶标板的张角进行测量；

所述气泡调平装置平面与所述靶标板平面垂直，用于将所述靶标板调成水平，使所述两块有机玻璃底板的拼接线与水平面垂直；

所述连接件用于将所述靶标板与所述靶标三脚架相连接；

所述靶标三脚架用于调整所述靶标板的高度，以适用于不同的测量环境；

所述铅垂线用于标记测量点。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维激光扫描仪的“V”型靶标，其特征在于，所述反光贴纸粘贴在所述靶标板的内侧或外侧，以构成两种不同的“V”型靶标。

3.根据权利要求1所述的一种基于二维激光扫描仪的“V”型靶标，其特征在于，所述连接件包括干板架、快装板、转接螺丝；所述干板架用于夹持所述靶标板；所述快装板内开设有长条槽，所述干板架通过转接螺丝连接在所述长条槽内，并能在所述长条槽内移动，以调整所述靶标板的角度；所述快装板安装在所述靶标三脚架上。

4.一种基于上述权利要求1至3任一项所述的基于二维激光扫描仪的“V”型靶标的坐标测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、装置连接与测量场搭建，其中，所述的测量场搭建包括：设置二维激光扫描仪位置，调平靶标和二维激光扫描仪，在待测点的位置设置靶标，调整靶标与二维激光扫描仪测量平面高度一致；

步骤二、二维激光扫描仪的软件连接与初始化；

步骤三、二维激光扫描仪数据帧处理：提取二维激光扫描仪回传的数据帧中的所需信息，并将所需信息转成十进制数据，再根据所需信息中的每一个距离数据对应的角度，得到每一个测量点相对于二维激光扫描仪测量原点的二维坐标，并将二维坐标与所需信息中的反射率数据按序号建立一一对应关系；

步骤四、“V”型靶标识别：在二维激光扫描仪获得的各个靶标板的反射率数据中，剔除反射率不足99.6％的点；设定相邻两点的间距阈值，将保留的反射率大于等于99.6％的点根据相邻两点的间距进行分组；通过3σ准则剔除每组内的异常点，通过由靶标到二维激光扫描仪的距离、靶标正面宽度确定的靶标分组合理点数范围剔除异常分组；此时，剩余的点组都为“V”型靶标点组且每一组都是一个“V”型靶标；每组内第一个点和最后一个点的连线称为端点连线，计算每组内端点连线方程，在组内寻找到端点连线距离最大的点，距离最大的点即为最接近“V”型尖端的测量点；计算测量点到二维激光扫描仪原点的距离和端点连线到二维激光扫描仪原点的距离，若测量点到二维激光扫描仪原点的距离大于端点连线到二维激光扫描仪原点的距离，则反光贴纸粘贴在靶标板内侧，反之则粘贴在靶标板外侧；

步骤五、“V”型靶标特征点坐标获取：以步骤四中得到的最接近“V”型尖端的测量点为分界，分别将组内测量点两侧的点拟合为两条直线，两条直线的交点即为真正的靶标尖端，两条直线的交点坐标即为“V”型靶标特征点坐标。

5.根据权利要求4所述的一种基于二维激光扫描仪的“V”型靶标的坐标测量方法，其特征在于，步骤三中，所需信息包括数据个数、数据比例因子、距离数据和反射率数据。