CN109781001A - 一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量系统及方法，针对大尺寸空间的静态测量任务，利用空间格雷码投影的前方交会测量系统实现架构与测量原理，仅需利用数台投影仪在空间布站，通过数台投影仪对测量空间分时进行格雷码投影，经过简单的分时编码控制实现投影，光电传感器接受时序投影码并解码，即可借助光电传感器基于前方交汇原理实现空间坐标的测量，由此得到光电传感器在各个投影仪坐标系的等效射线，进而基于前方交会原理完成光电传感器坐标解算。该测量系统工作原理简单，方法执行稳定；系统硬件架构简单，控制系统简单，成本低；由于自身不涉及运动机构，误差源较少，易于维持比较稳定的测量精度。

Description

一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量系统及方法

技术领域

本发明属于大尺寸空间测量领域，涉及一种大尺寸测量技术的实现，具体为一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量系统及方法。

背景技术

测量范围超过1m×1m×1m的任务，一般归为大尺寸空间测量。在大型装备的制造、装配与检测过程中有着迫切需求，如飞机壁板的对接装配、火箭筒段的对接装配、卫星天线的调整、船舶的零部件定位，以及大型建筑物的特征点测量与测绘等，都需要具有大尺度空间测量能力的仪器支持，如经纬仪、全站仪、激光跟踪仪、室内GPS、数字摄影测量、测量臂等。

这些测量设备，在成本与实时方面都存在一定的优点与限制：经纬仪多用于大型场景测绘，但是测量为单点式，测量效率较低；全站仪价格昂贵，测量精度高，但也为单点式测量，效率较低；激光经纬仪测量精度高，测量效率高，但是价格昂贵，对使用环境敏感；室内GPS测量精度在亚毫米，可支持并行测量，但是系统配置价格较为昂贵；数字摄影测量也应用广泛，但是需要布设反光标志等，实施较为繁琐。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量系统及方法，成本低廉、实时方便、工作稳定、测量精度能力适中的测量系统，能够满足一定尺度空间内的测量任务。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量方法，包括如下步骤，

步骤1，控制设置在测量场景周边或其中的至少2台投影仪，对位于有效测量空间内的待测目标物体进行如下循环的投影步骤；

步骤1.1，控制所有投影仪作如下同步投影操作：投影全黑编码持续时间T0，然后投影全白编码持续时间T0，投影全黑编码持续时间T0，然后投影全白编码持续时间T0；

步骤1.2，依次控制投影仪分别进行如下的投影操作，投影沿X方向的平面格雷码，每位格雷码对应图像持续时间Tc，然后投影沿Y方向的平面格雷码，每位格雷码对应图像持续时间Tc；

步骤1.3，待所有的n台投影仪都完成投影后，返回步骤1.1；

步骤2，通过设置在待测目标物体上的光电传感器，对待测目标物体上的空间坐标进行标定，并循环执行如下步骤；

步骤2.1，光电传感器在投影仪的投影编码光作用下，对于黑白投影图案产生能够区分的编码信号；光电传感器根据香农采样原理对这些能够区分的信号按照设定的频率进行采集并存储，并记录发生的时序信号；

步骤2.2，光电传感器对采集到的时序信号进行识别：当检测到两个T0宽度的编码信号时，认为是一个同步基准，即为全部投影仪时序对齐；然后光电传感器按投影仪按位置接受2n个M位的格雷码；

步骤2.3，输出得到的2n个M位的格雷码，然后返回步骤2.1；

步骤3，对输出的2n个M位的格雷码进行计算得到对应光电传感器的空间坐标，从而完成对待测目标物体标定点的测量，待全部标定点完成测量后实现对待测目标物体的测量。

优选的，步骤3的具体步骤如下，

步骤3.1，接受每一光电传感器发送的2n个M位的格雷码；

步骤3.2，对每一光电传感器的2n个格雷码进行错误码的剔除，仅保留正确编码；

步骤3.3，将每一光电传感器的2n个M位的格雷码，解算出对应的离散像素坐标；

步骤3.4，将像素坐标转换为投影仪坐标系内的射线方程；

步骤3.5，将有效格雷码对应的投影仪器的射线方程联立，通过最小二乘求解方程组，得到该光电传感器的空间坐标；

步骤3.6，返回步骤3.1，对于每一光电传感器执行步骤3.1到3.5，从而完成对待测目标物体标定点的测量，待全部标定点完成测量后实现对待测目标物体的测量。

进一步，步骤3.4，光电传感器经过采集解码，得到其相对第i台投影仪像平面的坐标(X_i,Y_i)，由此可得该投影仪坐标系中的射线方程：

其中，f为焦距，DXi和DYi为第i台投影仪投影图案的长度和宽度，M为格雷码位数。

进一步，步骤3.5，对于光电传感器而言，其位于这n台投影仪对应射线的交点处，将所有射线方程经过投影仪相对全局坐标系的位姿变换矩阵(Ri,Ti)变换后，可得如下方程组：

通过最小二乘求解出光电传感器的空间坐标，由此得到所有光电传感器的空间坐标后，实现空间位姿的测量。

优选的，步骤1中，时间间隔T0时间小于时间间隔Tc，光电传感器能识别出时间间隔T0和时间间隔Tc。

优选的，步骤2中，格雷码的位数M的最大取值Mmax由如下关系确定，2^Mmax为投影仪的分辨率。

优选的，步骤2.2，光电传感器进行格雷码的按投影仪按位置接受2n个M位的格雷码的具体步骤如下，

每Tc个时刻的信号构成一个格雷码，依次为第1台投影仪沿X方向的格雷码，第一台投影仪沿Y方向的格雷码，第2台投影仪沿X方向的格雷码，…，第n台投影仪沿X方向的格雷码，第n台投影仪沿Y方向的格雷码，如此接受2n个M位的格雷码。

一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量系统，包括，

在测量场景周边或其中紧固安装的不少于2台投影仪；每一投影仪的视景空间都能够覆盖待测目标物体；多台投影仪同时覆盖到的空间形成有效测量空间；

设置在待测目标物体上的光电传感器；用于对待测目标物体上的空间坐标进行标定；

用于控制所有投影仪完成格雷码投影的系统运行控制系统；所述的系统运行控制系统用于执行上述任意一项方法所述的步骤1的控制；

用于接受光电传感器信号进行其坐标计算的坐标计算算法载体；所述的坐标计算算法载体用于执行上述任意一项方法所述的步骤3的计算。

进一步，所述的光电传感器包括依次连接的能够感受明暗的光电传感元器件，脉冲信号采集系统，运行格雷码信号解码算法的解码器和有线/无线通讯系统；光电传感元器件由于接受格雷码信号，有线/无线通讯系统用于与坐标计算载体交互。

再进一步，其特征在于，坐标计算载体采用服务器或手持式计算设备。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明基于格雷码的投影式大尺寸空间测量系统及方法，针对大尺寸空间的静态测量任务，利用空间格雷码投影的前方交会测量系统实现架构与测量原理，仅需利用数台投影仪在空间布站，通过数台投影仪对测量空间分时进行格雷码投影，经过简单的分时编码控制实现投影，光电传感器接受时序投影码并解码，即可借助光电传感器基于前方交汇原理实现空间坐标的测量，由此得到光电传感器在各个投影仪坐标系的等效射线，进而基于前方交会原理完成光电传感器坐标解算。该测量系统工作原理简单，方法执行稳定；系统硬件架构简单，控制系统简单，成本低；由于自身不涉及运动机构，误差源较少，易于维持比较稳定的测量精度。

附图说明

图1为本发明实例中所述系统的架构图。

图2为本发明实例中所述系统的工作原理图。

图3为本发明实例中所述沿X和Y方向的4位投影格雷码示例。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量系统及方法，基于空间格雷码投影的前方交会，对能够对大尺寸进行测量；对于大型装备的制造以及智能制造场景的感知与信息采集具有重要意义。

本发明一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量系统的实现架构与测量原理，分别图1和图2所示，其中，系统的配置与运行流程及测量原理实现包括如下：

1系统配置：

如图1所示，整个测量系统由若干台投影仪、光电传感器、系统运行控制系统和坐标计算算法载体4部分构成。

a)投影仪：在测量场景周边或其中，紧固安装不少于2台投影仪，令每一投影仪的视景空间都能够覆盖待测目标物体。多台投影仪同时覆盖到的空间为有效测量空间，这由前方交会测量原理决定。

b)光电传感器：光电传感器包含(i)能够感受明暗的(光电)传感元器件，(ii)脉冲信号采集系统，(iii)运行格雷码信号解码算法的解码器，和(iv)有线/无线通讯系统。光电传感器端由硬件电路与嵌入式系统具体灵活构建。

c)系统运行控制系统：系统运行控制系统控制所有的投影仪完成格雷码的投影工作，具体包括(i)每一投影仪沿X和Y方向的具体格雷码深度编码，(ii)所有投影仪格雷码的投影时序控制，(iii)所有投影仪的同步脉冲投影控制。

d)坐标计算算法载体：坐标计算在服务器或手持式计算设备上实现，包括(i)光电传感器信号的接受模块，和(ii)基于前方交会的光电传感器坐标最小二乘计算模块。

2系统运行流程：

在测量系统的投影仪、控制系统、光电传感器与坐标计算算法载体开启后，系统完成初始化。整个系统的工作由投影仪及其控制系统和光电传感器与坐标计算两个相对独立的部分同时运转。

2.1投影仪及其控制系统循环执行如下流程：

步骤1.投影控制系统令所有投影仪作如下同步投影操作：投影全黑编码持续时间T0，然后投影全白编码持续时间T0，投影全黑编码持续时间T0，然后投影全白编码持续时间T0；

步骤2.投影控制系统令第1台投影仪投影沿X方向的平面格雷码，每位格雷码对应图像持续时间Tc，然后令第1台投影仪投影沿Y方向的平面格雷码，每位格雷码对应图像持续时间Tc；

步骤3.投影控制系统令第2台投影仪投影沿X方向的平面格雷码，每位格雷码对应图像持续时间Tc，然后令第2台投影仪投影沿Y方向的平面格雷码，每位格雷码对应图像持续时间Tc；

步骤4.投影控制系统令第n台投影仪投影沿X方向的平面格雷码，每位格雷码对应图像持续时间Tc，然后令第n台投影仪投影沿Y方向的平面格雷码，每位格雷码对应图像持续时间Tc；

步骤5.待所有n台投影仪都完成投影后，返回步骤1，如此循环。

注意：这里T0时间小于Tc，确保光电传感器能识别出T0和Tc时间间隔，建议T0等于1/4Tc。

2.2光电传感器循环执行如下流程：

步骤1.光电传感器在投影仪的投影编码光作用下，对于黑白投影图案产生可区分的信号，如高低脉冲。光电传感器按照一定的频率(遵循香农采样原理)对这些信号进行采集并存储；

步骤2.光电传感器对采集到的时序信号进行识别：当检测到两个T0宽度的高低脉冲时，认为是一个同步基准，即为全部投影仪时序对齐；然后进行格雷码的按位置按投影仪接受——每Tc个时刻的信号构成一个格雷码，依次为第1台投影仪沿X方向的格雷码，第一台投影仪沿Y方向的格雷码，第2台投影仪沿X方向的格雷码,…,第n台投影仪沿Y方向的格雷码，如此，共得到2n个M位的格雷码；

步骤3.将这2n个M位的格雷码，发送到服务器的计算模块，然后返回步骤1如此持续循环；

2.3计算模块循环执行如下操作：

步骤1.接受每一光电传感器发送的2n个M位的格雷码；

步骤2.对每一光电传感器的2n个格雷码进行错误码的剔除，仅保留正确编码；

步骤3.将每一光电传感器的2n个M位的格雷码，解算出对应的离散像素坐标；

步骤4.将像素坐标转换为投影仪坐标系内的射线方程；

步骤5.将有效格雷码对应的投影仪器的射线方程联立，通过最小二乘求解方程组，得到该光电传感器的空间坐标。

步骤6.返回步骤1，对于每一光电传感器如此循环。

3系统测量原理：

为更加清晰的表明本测量系统的工作原理，对该系统的测量模型与使用性能与应用限制等进行描述。

(1)这里每一投影仪可以看作一台相机，即可构建对应的像空间坐标系O-XYZ；所有投影仪的像空间坐标系在测量空间坐标系，即全局坐标系的位姿矩阵R,T是已知的，通过标定获得，这里参照双目视觉的模型理解即可。

(2)按照投影仪的分辨率，设计格雷码的位数。如分辨率为1024，则格雷码的位数不超过10位，因为2¹⁰＝1024。这里格雷码的位数按照目标的精度设置即可，位数M越长测量精度越高。

(3)投影仪依照格雷码的位数，依次对测量空间进行投影并保持Tc时间，确保光电传感器能够稳定的获取这M个二进制编码。

(4)每一投影仪分别沿X方向和Y方向进行格雷码的编码，这时因为格雷码是一个一维度的编码，沿两个方向即可唯一的确定投影的像素点信息，确保光电传感器坐标的唯一性。如光电传感器在沿X投影过程中接受到的编码为000010，在沿Y投影过程中接受到的编码为000110，即可知光电传感器在当前投影仪坐标系图形平面的坐标为<000010,000110>，即为(2,7)。

(5)每一投影仪的投影编码都分开执行，确保了光电传感器每一时候仅接受唯一的格雷码，不会产生混淆。然后，通过黑白编码投影进行全部投影仪编码的对齐，确保了光电传感器能够对准每一投影仪。(2)到(5)的执行流程要求，每一光电传感器测量的时间为2M×n×Tc+4×T0。

(6)光电传感器端经过采集解码，可以得到其相对第i台投影仪像平面的坐标(X_i,Y_i)，由此可得该投影仪坐标系中的射线方程：

其中，f为焦距，DXi和DYi为第i台投影仪投影图案的长度和宽度，M为格雷码位数。

对于光电传感器而言，其位于这n台投影仪对应射线的交点处，将所有射线方程经过投影仪相对全局坐标系的位姿变换矩阵(Ri,Ti)变换后，可得如下方程组：

如此，可以通过最小二乘求解出光电传感器的空间坐标，由此实现空间位姿的测量。

Claims (10)

1.一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，控制设置在测量场景周边或其中的至少2台投影仪，对位于有效测量空间内的待测目标物体进行如下循环的投影步骤；

步骤1.1，控制所有投影仪作如下同步投影操作：投影全黑编码持续时间T0，然后投影全白编码持续时间T0，投影全黑编码持续时间T0，然后投影全白编码持续时间T0；

步骤1.2，依次控制投影仪分别进行如下的投影操作，投影沿X方向的平面格雷码，每位格雷码对应图像持续时间Tc，然后投影沿Y方向的平面格雷码，每位格雷码对应图像持续时间Tc；

步骤1.3，待所有的n台投影仪都完成投影后，返回步骤1.1；

步骤2，通过设置在待测目标物体上的光电传感器，对待测目标物体上的空间坐标进行标定，并循环执行如下步骤；

步骤2.1，光电传感器在投影仪的投影编码光作用下，对于黑白投影图案产生能够区分的编码信号；光电传感器根据香农采样原理对这些能够区分的信号按照设定的频率进行采集并存储，并记录发生的时序信号；

步骤2.2，光电传感器对采集到的时序信号进行识别：当检测到两个T0宽度的编码信号时，认为是一个同步基准，即为全部投影仪时序对齐；然后光电传感器按投影仪按位置接受2n个M位的格雷码；

步骤2.3，输出得到的2n个M位的格雷码，然后返回步骤2.1；

步骤3，对输出的2n个M位的格雷码进行计算得到对应光电传感器的空间坐标，从而完成对待测目标物体标定点的测量，待全部标定点完成测量后实现对待测目标物体的测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量方法，其特征在于，步骤3的具体步骤如下，

步骤3.1，接受每一光电传感器发送的2n个M位的格雷码；

步骤3.2，对每一光电传感器的2n个格雷码进行错误码的剔除，仅保留正确编码；

步骤3.3，将每一光电传感器的2n个M位的格雷码，解算出对应的离散像素坐标；

步骤3.4，将像素坐标转换为投影仪坐标系内的射线方程；

步骤3.5，将有效格雷码对应的投影仪器的射线方程联立，通过最小二乘求解方程组，得到该光电传感器的空间坐标；

步骤3.6，返回步骤3.1，对于每一光电传感器执行步骤3.1到3.5，从而完成对待测目标物体标定点的测量，待全部标定点完成测量后实现对待测目标物体的测量。

3.根据权利要求2所述的一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量方法，其特征在于，步骤3.4，光电传感器经过采集解码，得到其相对第i台投影仪像平面的坐标(X_i,Y_i)，由此可得该投影仪坐标系中的射线方程：

其中，f为焦距，DXi和DYi为第i台投影仪投影图案的长度和宽度，M为格雷码位数。

4.根据权利要求3所述的一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量方法，其特征在于，步骤3.5，对于光电传感器而言，其位于这n台投影仪对应射线的交点处，将所有射线方程经过投影仪相对全局坐标系的位姿变换矩阵(Ri,Ti)变换后，可得如下方程组：

通过最小二乘求解出光电传感器的空间坐标，由此得到所有光电传感器的空间坐标后，实现空间位姿的测量。

5.根据权利要求1所述的一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量方法，其特征在于，步骤1中，时间间隔T0时间小于时间间隔Tc，光电传感器能识别出时间间隔T0和时间间隔Tc。

6.根据权利要求1所述的一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量方法，其特征在于，步骤2中，格雷码的位数M的最大取值Mmax由如下关系确定，2^Mmax为投影仪的分辨率。

7.根据权利要求1所述的一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量方法，其特征在于，步骤2.2，光电传感器进行格雷码的按投影仪按位置接受2n个M位的格雷码的具体步骤如下，

每Tc个时刻的信号构成一个格雷码，依次为第1台投影仪沿X方向的格雷码，第一台投影仪沿Y方向的格雷码，第2台投影仪沿X方向的格雷码，…，第n台投影仪沿X方向的格雷码，第n台投影仪沿Y方向的格雷码，如此接受2n个M位的格雷码。

8.一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量系统，其特征在于，包括，

在测量场景周边或其中紧固安装的不少于2台投影仪；每一投影仪的视景空间都能够覆盖待测目标物体；多台投影仪同时覆盖到的空间形成有效测量空间；

设置在待测目标物体上的光电传感器；用于对待测目标物体上的空间坐标进行标定；

用于控制所有投影仪完成格雷码投影的系统运行控制系统；所述的系统运行控制系统用于执行权利要求1-7中任意一项方法所述的步骤1的控制；

用于接受光电传感器信号进行其坐标计算的坐标计算算法载体；所述的坐标计算算法载体用于执行权利要求1-7中任意一项方法所述的步骤3的计算。

9.根据权利要求8所述的一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量系统，其特征在于，所述的光电传感器包括依次连接的能够感受明暗的光电传感元器件，脉冲信号采集系统，运行格雷码信号解码算法的解码器和有线/无线通讯系统；光电传感元器件由于接受格雷码信号，有线/无线通讯系统用于与坐标计算载体交互。

10.根据权利要求8所述的一种基于格雷码的投影式大尺寸空间测量系统，其特征在于，坐标计算载体采用服务器或手持式计算设备。