CN109900253A - 一种非接触式测量建模方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非接触式测量建模方法及系统，设置测站端和测量头，所述测量头包括安装在一起的激光测距仪、标志端通信设备和发光标志，发光标志上安装了多个发光单元，各发光单元之间的位置关系已知；所述测站包括相机、云台、测站端通信设备和控制与计算设备；相机安装在云台上，相机的中心点与云台的两个旋转轴的轴心重合；相机所采集到的图像传送到控制与计算设备，云台的旋转角度也传递到控制与计算设备；由控制与计算设备根据相机所采集到的图像中的发光标志上的发光单元成像位置等信息提取目标坐标。本发明用于难以接触到的目标的测量与建模。
Description
技术领域
本发明涉及测量与建模技术领域，特别是涉及难以接触到的目标的测量与建模。
背景技术
测量与建模过程中，常遇到目标难以接触(例如构造的内部洞穴或者高温等，或者接触可能造成污染或者破坏等)的情况。此时需要对目标进行非接触式测量和建模。如果在尽可能低成本的前提下实现高精度的非接触式测量和建模，是当前尚未有效解决的技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术缺陷，提出了一种非接触式测量与建模方法及系统。
本发明技术方案提供一种非接触式测量建模方法，设置测站端和测量头，
所述测量头包括安装在一起的激光测距仪5、标志端通信设备6和发光标志7，发光标志7上安装了多个发光单元，各发光单元之间的位置关系已知；激光测距仪5连接标志端通信设备6，测站端通信设备3和标志端通信设备6建立通信，将激光测距仪5的测距结果传输到控制与计算设备4；
所述测站包括相机1、云台2、测站端通信设备3和控制与计算设备4；相机1安装在云台2上，相机1的中心点与云台2的两个旋转轴的轴心重合；相机1所采集到的图像传送到控制与计算设备4，云台2的旋转角度也传递到控制与计算设备4；
由控制与计算设备4根据激光测距仪5的测距结果、云台2的旋转角度、相机1所采集到的图像中的发光标志7上的发光单元成像位置提取目标坐标。
而且，用于测量目标表面的全部坐标完成建模。
而且，测量时，发光标志7上的各发光单元在相机1的传感器上成像，控制与计算设备4获取图像，根据各发光单元之间的位置关系获取发光标志7的中心位置，并控制云台2旋转，使得发光标志7的成像一直处于相机1的传感器的中心位置。
4.根据权利要求3所述非接触式测量建模方法，其特征在于：测量实现方式如下，
在测量开始前，将测量头置于一个初始位置，以此位置的测量头坐标系作为物方空间坐标系，控制与计算设备4提取图像中的发光标志7上的发光单元成像位置，通过发光标志7上的三个以上发光单元相应成像点的坐标，解算出此时图像相应初始外方位元素，记录云台2的初始水平角度与俯仰角度；
测量过程中，控制与计算设备4实时提取图像中的发光标志7上的发光单元成像位置，通过发光标志7上的三个以上发光单元相应成像点的坐标，解算出此时图像相应实时外方位元素，记录云台2的实时水平角度与俯仰角度；激光测距仪5的测距结果传输到控制与计算设备4，
根据测距结果、初始外方位元素、初始水平角度与俯仰角度、实时外方位元素及实时水平角度与俯仰角度，计算得到目标在物方空间坐标系中的坐标。
而且，计算目标在物方空间坐标系中的坐标实现如下，
设初始外方位元素为其中Xs1,Ys1,Zs1为三个方向上的平移量，ω1,κ1为三个轴上的旋转角度；云台2的初始水平角度与俯仰角度为κpt1和ωpt1，
测量过程中，实时外方位元素为实时水平角度与俯仰角度为κptm和ωptm，激光测距仪5的测距结果为dm，则目标在测量头坐标系O-X’Y’Z’中的坐标是(dm,0,0)。比较实时外方位元素与初始外方位元素之间会存在差，其中坐标系平移引起的差分别为ΔXs,ΔYs,ΔZs，坐标系旋转引起的差为Δω,Δκ，
ΔXs＝Xs1-Xsm
ΔYs＝Ys1-Ysm
ΔZs＝Zs1-Zsm
Δω＝ω1-ωm+ωpt1-ωptm
Δκ＝κ1-κm+κpt1-κptm
引入参数a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3，令：
b1＝cosΔωsinΔκ
b2＝cosΔωcosΔκ
b3＝-sinΔω
则由下式计算出此时目标在物方空间坐标系中的坐标(X,Y,Z)：
本发明还提供一种非接触式测量建模系统，包括测站端和测量头，
所述测量头包括安装在一起的激光测距仪5、标志端通信设备6和发光标志7，发光标志7上安装了多个发光单元，各发光单元之间的位置关系已知；激光测距仪5连接标志端通信设备6，测站端通信设备3和标志端通信设备6建立通信，将激光测距仪5的测距结果传输到控制与计算设备4；
所述测站包括相机1、云台2、测站端通信设备3和控制与计算设备4；相机1安装在云台2上，相机1的中心点与云台2的两个旋转轴的轴心重合；相机1所采集到的图像传送到控制与计算设备4，云台2的旋转角度也传递到控制与计算设备4，由控制与计算设备4根据激光测距仪5的测距结果、云台2的旋转角度、相机1所采集到的图像中的发光标志7上的发光单元成像位置提取目标坐标。
而且，用于测量目标表面的全部坐标完成建模。
而且，测量时，发光标志7上的各发光单元在相机1的传感器上成像，控制与计算设备4获取图像，根据各发光单元之间的位置关系获取发光标志7的中心位置，并控制云台2旋转，使得发光标志7的成像一直处于相机1的传感器的中心位置。
9.根据权利要求8所述非接触式测量建模系统，其特征在于：测量实现方式如下，
在测量开始前，将测量头置于一个初始位置，以此位置的测量头坐标系作为物方空间坐标系，控制与计算设备4提取图像中的发光标志7上的发光单元成像位置，通过发光标志7上的三个以上发光单元相应成像点的坐标，解算出此时图像相应初始外方位元素，记录云台2的初始水平角度与俯仰角度；
测量过程中，控制与计算设备4实时提取图像中的发光标志7上的发光单元成像位置，通过发光标志7上的三个以上发光单元相应成像点的坐标，解算出此时图像相应实时外方位元素，记录云台2的实时水平角度与俯仰角度；激光测距仪5的测距结果传输到控制与计算设备4，
根据测距结果、初始外方位元素、初始水平角度与俯仰角度、实时外方位元素及实时水平角度与俯仰角度，计算得到目标在物方空间坐标系中的坐标。
而且，计算目标在物方空间坐标系中的坐标实现如下，
设初始外方位元素为其中Xs1,Ys1,Zs1为三个方向上的平移量，ω1,κ1为三个轴上的旋转角度；云台2的初始水平角度与俯仰角度为κpt1和ωpt1，
测量过程中，实时外方位元素为实时水平角度与俯仰角度为κptm和ωptm，激光测距仪5的测距结果为dm，则目标在测量头坐标系O-X’Y’Z’中的坐标是(dm,0,0)。比较实时外方位元素与初始外方位元素之间会存在差，其中坐标系平移引起的差分别为ΔXs,ΔYs,ΔZs，坐标系旋转引起的差为Δω,Δκ，
ΔXs＝Xs1-Xsm
ΔYs＝Ys1-Ysm
ΔZs＝Zs1-Zsm
Δκ＝κ1-κm+κpt1-κptm
引入参数a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3，令：
b1＝cosΔωsinΔκ
b2＝cosΔωcosΔκ
b3＝-sinΔω
则由下式计算出此时目标在物方空间坐标系中的坐标(X,Y,Z)：
本发明利用摄影测量姿态测定与测距测量技术，进行相互关系的坐标解算，以得到目标的坐标信息并进一步建模，以低成本提供对目标进行非接触式测量和建模的高精度技术方案。适合于在野外复杂环境、高温危险环境下使用，具有重要的市场价值。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的测量头结构以及坐标系示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，实施例中，系统包括相机1，云台2，测站端通信设备3，控制与计算设备4，激光测距仪5，标志端通信设备6和发光标志7。预先检定好相机的内方位元素和畸变系数。
激光测距仪5，标志端通信设备6和发光标志7安装在一起，组成测量头100，激光测距仪5的测量激光束对准需要测量的目标9，同时使发光标志7能够在相机1中成像。相机1，云台2，测站端通信设备3，控制与计算设备4组成测站200。
激光测距仪5连接标志端通信设备6，测站端通信设备3和标志端通信设备6建立通信，将激光测距仪5的测量结果传输到控制与计算设备4。
相机1、云台2、测站端通信设备3分别连接控制与计算设备4。相机1被安装在云台2上，相机的中心点要与云台的两个旋转轴的轴心重合，保证云台旋转的时候，只会引起像空间坐标系的旋转，而不会导致坐标系的平移和缩放。相机1所采集到的图像传送到控制与计算设备4，云台2的旋转角度也传递到控制与计算设备4，同时，控制与计算设备4可以控制云台2的旋转。
为了简便提取外方位元素，本发明在测量头100的发光标志7上安装了多个发光单元，为了省电、安全、耐用等考虑，发光单元优选使用LED发光二极管。参见图2，发光标志7上安装了多个LED发光二极管8(至少3个)，LED之间的位置关系已知。
测量过程中，发光标志7上的LED在相机1的传感器上成像，控制与计算设备4获取图像，可使用现有的图像分析技术，根据LED发光二极管的位置关系获取发光标志7的中心位置，并控制云台2旋转，使得发光标志7的成像一直处于相机1的传感器的中心位置。这样做的目的是扩大测量范围，并减少测量误差。
设系统中像空间坐标系为S-XYZ，测量头坐标系O-X’Y’Z’，X’轴方向为激光测距仪5的光束方向，原点为激光测距仪5的零距离处，像平面坐标系为o-xy，则在测量过程中，由于测量头100被操作人员手持，对被测目标进行测量过程中会发生移动、转动，相机也有可能转动，因此，像空间坐标系S-XYZ和测量头坐标系O-X’Y’Z’之间的关系会发生变化。为此，本发明提出测试实现过程如下：
测量开始前，先初始化系统。将测量头100置于一个初始位置，该位置应与测站200之间无遮挡物，保证测量头100上的发光标志7能够在测站200上的相机上完整成像，以此位置的测量头坐标系作为物方空间坐标系。当图像传送到控制与计算设备4，控制与计算设备4提取图像中的发光标志7上的LED成像位置，由摄影测量的基本原理，通过发光标志上的三个以上的LED成像点的坐标，采用空间后方交会，可以解算出此时图像的6个初始外方位元素其中Xs1,Ys1,Zs1为三个方向上的平移量，ω1,κ1为三个轴上的旋转角度。控制与计算设备4此时获取云台2的水平角度与俯仰角度κpt1和ωpt1，并连同计算得到的外方位元素记录下来，此时初始化完成，给出初始化完成的指示，可以开始测量了。
测量过程中，注意测量头100和测站200之间要通视，为了快速取得目标的多个不同位置的坐标，可将测量头100的激光测距仪5的测量激光束对准被测目标进行高速测距操作，测得测量头100到目标上正在被测量的点的距离为dm，而测站200的控制与计算设备4连续分析测量头100上的发光标志7在相机1上的成像，设此时为时刻m，实时计算当时的外方位元素其中Xsm,Ysm,Zsm为三个方向上的平移量，ωm,κm为三个轴上的旋转角度。测量头100上的标志端通信设备6将测距结果dm通过测站端通信设备3传输到控制与计算设备4，控制与计算设备4将该测距结果dm与当时计算得到的外方位元素和此时获取的云台2的水平角度与俯仰角度κptm和ωptm组成一组测量数据，由于测量头坐标系O-X’Y’Z’，X’轴方向为激光测距仪5的光束方向，原点为激光测距仪5的零距离处，因此目标在测量头坐标系O-X’Y’Z’中的坐标是(dm,0,0)。而由于在测量过程中，测量头100和相机1都有可能发生转动，而测量头还可能发生了平移，因此在任意时刻，外方位元素与初始的外方位元素之间会存在差，其中坐标系平移引起的差分别为ΔXs,ΔYs,ΔZs，坐标系旋转引起的差为Δω,Δκ，他们的值可由下面的公式求得：
ΔXs＝Xs1-Xsm
ΔYs＝Ys1-Ysm
ΔZs＝Zs1-Zsm
Δω＝ω1-ωm+ωpt1-ωptm
Δκ＝κ1-κm+κpt1-κptm
为计算方便，引入参数a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3，令：
b1＝cosΔωsinΔκ
b2＝cosΔωcosΔκ
b3＝-sinΔω
则由下式即可计算出此时目标在物方空间坐标系中的坐标(X,Y,Z)，也就是最终需要的结果：
这样连续测量下去，即可得到目标表面的全部坐标，最终完成建模。
具体实施时，测量计算及后续建模过程可采用软件技术实现自动运行。
具体实施时，各器件可采用现有芯片或元件实现。实施例的主要器件选型如下：
相机1选用4K高清网络摄像机IPC-HFW81230E-ZE，该摄像机使用网络接口，便于采集数据，其传感器达到2000万像素，有助于提高系统的精度。镜头后安装永久红外滤光片，以减少可见光的干扰。可预先采用现有的方法对相机进行检校，并将参数存入控制与计算设备4中备用。云台2可采用定制的高精度云台，也可以使用现有的带有通信和控制功能的高精度云台，要求水平和俯仰角度精度优于1秒，测站端通信设备3和标志端通信设备6使用ESP8266，控制与计算设备4使用RASPBERRYPI微型电脑，激光测距仪5使用SickODB100，其分辨率可达微米级。发光标志7使用铝合金制作，LED8使用红外发光二极管，波长与相机1上安装的红外滤光片一致。
RASPBERRYPI微型电脑可以精确控制云台2的旋转，并且可以获取其角度状态，并可以通过网口与相机1连接，同时还需要连接测站端通信设备3ESP8266。
激光测距仪5SickODB100与标志端通信设备6ESP8266连接。
本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明进行举例说明。任何熟悉该技术的技术人员在本发明做揭露的技术范围内，都可轻易得到其变化或替换，因此本发明保护范围都应涵盖在由权利要求书所限定的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非接触式测量建模方法，其特征在于：设置测站端和测量头，
所述测量头包括安装在一起的激光测距仪(5)、标志端通信设备(6)和发光标志(7)，发光标志(7)上安装了多个发光单元，各发光单元之间的位置关系已知；激光测距仪(5)连接标志端通信设备(6)，测站端通信设备(3)和标志端通信设备(6)建立通信，将激光测距仪(5)的测距结果传输到控制与计算设备(4)；
所述测站包括相机(1)、云台(2)、测站端通信设备(3)和控制与计算设备(4)；相机(1)安装在云台(2)上，相机(1)的中心点与云台(2)的两个旋转轴的轴心重合；相机(1)所采集到的图像传送到控制与计算设备(4)，云台(2)的旋转角度也传递到控制与计算设备(4)；
由控制与计算设备(4)根据激光测距仪(5)的测距结果、云台(2)的旋转角度、相机(1)所采集到的图像中的发光标志(7)上的发光单元成像位置提取目标坐标。
2.根据权利要求1所述非接触式测量建模方法，其特征在于：用于测量目标表面的全部坐标完成建模。
3.根据权利要求2所述非接触式测量建模方法，其特征在于：测量时，发光标志(7)上的各发光单元在相机(1)的传感器上成像，控制与计算设备(4)获取图像，根据各发光单元之间的位置关系获取发光标志(7)的中心位置，并控制云台(2)旋转，使得发光标志(7)的成像一直处于相机(1)的传感器的中心位置。
4.根据权利要求3所述非接触式测量建模方法，其特征在于：测量实现方式如下，
在测量开始前，将测量头置于一个初始位置，以此位置的测量头坐标系作为物方空间坐标系，控制与计算设备(4)提取图像中的发光标志(7)上的发光单元成像位置，通过发光标志(7)上的三个以上发光单元相应成像点的坐标，解算出此时图像相应初始外方位元素，记录云台(2)的初始水平角度与俯仰角度；
测量过程中，控制与计算设备(4)实时提取图像中的发光标志(7)上的发光单元成像位置，通过发光标志(7)上的三个以上发光单元相应成像点的坐标，解算出此时图像相应实时外方位元素，记录云台(2)的实时水平角度与俯仰角度；激光测距仪(5)的测距结果传输到控制与计算设备(4)，
根据测距结果、初始外方位元素、初始水平角度与俯仰角度、实时外方位元素及实时水平角度与俯仰角度，计算得到目标在物方空间坐标系中的坐标。
5.根据权利要求4所述非接触式测量建模方法，其特征在于：计算目标在物方空间坐标系中的坐标实现如下，
设初始外方位元素为其中Xs1,Ys1,Zs1为三个方向上的平移量，ω1,κ1为三个轴上的旋转角度；云台(2)的初始水平角度与俯仰角度为κpt1和ωpt1，
测量过程中，实时外方位元素为实时水平角度与俯仰角度为κptm和ωptm，激光测距仪(5)的测距结果为dm，则目标在测量头坐标系O-X’Y’Z’中的坐标是(dm,0,0)。比较实时外方位元素与初始外方位元素之间会存在差，其中坐标系平移引起的差分别为ΔXs,ΔYs,ΔZs，坐标系旋转引起的差为Δω,Δκ，ΔXs＝Xs1-Xsm
ΔYs＝Ys1-Ysm
ΔZs＝Zs1-Zsm
Δω＝ω1-ωm+ωpt1-ωptm
Δκ＝κ1-κm+κpt1-κptm
引入参数a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3，令：
b1＝cosΔωsinΔκ
b2＝cosΔωcosΔκ
b3＝-sinΔω
则由下式计算出此时目标在物方空间坐标系中的坐标(X,Y,Z)：
6.一种非接触式测量建模系统，其特征在于：包括测站端和测量头，
所述测量头包括安装在一起的激光测距仪(5)、标志端通信设备(6)和发光标志(7)，发光标志(7)上安装了多个发光单元，各发光单元之间的位置关系已知；激光测距仪(5)连接标志端通信设备(6)，测站端通信设备(3)和标志端通信设备(6)建立通信，将激光测距仪(5)的测距结果传输到控制与计算设备(4)；
所述测站包括相机(1)、云台(2)、测站端通信设备(3)和控制与计算设备(4)；相机(1)安装在云台(2)上，相机(1)的中心点与云台(2)的两个旋转轴的轴心重合；相机(1)所采集到的图像传送到控制与计算设备(4)，云台(2)的旋转角度也传递到控制与计算设备(4)，由控制与计算设备(4)根据激光测距仪(5)的测距结果、云台(2)的旋转角度、相机(1)所采集到的图像中的发光标志(7)上的发光单元成像位置提取目标坐标。
7.根据权利要求6所述非接触式测量建模系统，其特征在于：用于测量目标表面的全部坐标完成建模。
8.根据权利要求7所述非接触式测量建模系统，其特征在于：测量时，发光标志(7)上的各发光单元在相机(1)的传感器上成像，控制与计算设备(4)获取图像，根据各发光单元之间的位置关系获取发光标志(7)的中心位置，并控制云台(2)旋转，使得发光标志(7)的成像一直处于相机(1)的传感器的中心位置。
9.根据权利要求8所述非接触式测量建模系统，其特征在于：测量实现方式如下，
在测量开始前，将测量头置于一个初始位置，以此位置的测量头坐标系作为物方空间坐标系，控制与计算设备(4)提取图像中的发光标志(7)上的发光单元成像位置，通过发光标志(7)上的三个以上发光单元相应成像点的坐标，解算出此时图像相应初始外方位元素，记录云台(2)的初始水平角度与俯仰角度；
测量过程中，控制与计算设备(4)实时提取图像中的发光标志(7)上的发光单元成像位置，通过发光标志(7)上的三个以上发光单元相应成像点的坐标，解算出此时图像相应实时外方位元素，记录云台(2)的实时水平角度与俯仰角度；激光测距仪(5)的测距结果传输到控制与计算设备(4)，
根据测距结果、初始外方位元素、初始水平角度与俯仰角度、实时外方位元素及实时水平角度与俯仰角度，计算得到目标在物方空间坐标系中的坐标。
10.根据权利要求9所述非接触式测量建模系统，其特征在于：计算目标在物方空间坐标系中的坐标实现如下，
设初始外方位元素为其中Xs1,Ys1,Zs1为三个方向上的平移量，ω1,κ1为三个轴上的旋转角度；云台(2)的初始水平角度与俯仰角度为κpt1和ωpt1，
测量过程中，实时外方位元素为实时水平角度与俯仰角度为κptm和ωptm，激光测距仪(5)的测距结果为dm，则目标在测量头坐标系O-X’Y’Z’中的坐标是(dm,0,0)。比较实时外方位元素与初始外方位元素之间会存在差，其中坐标系平移引起的差分别为ΔXs,ΔYs,ΔZs，坐标系旋转引起的差为Δω,Δκ，ΔXs＝Xs1-Xsm
ΔYs＝Ys1-Ysm
ΔZs＝Zs1-Zsm
Δω＝ω1-ωm+ωpt1-ωptm
Δκ＝κ1-κm+κpt1-κptm
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b2＝cosΔωcosΔκ
b3＝-sinΔω
则由下式计算出此时目标在物方空间坐标系中的坐标(X,Y,Z)：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190618 |