CN110057314B - 激光轮廓仪阵列的共面调整系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光轮廓仪阵列的共面调整系统及方法。使用多激光轮廓仪拍摄标志物，建立坐标系，计算每个激光轮廓仪与标志物之间的位置关系，进而计算出不同激光轮廓仪之间的位置关系，是一种把共面调整转化为对激光轮廓仪位置调整的直观调整方法，通过调整结构调整激光轮廓仪位置，在调整过程中实时反馈激光轮廓仪的位置信息，最终使多激光轮廓仪达到共面状态。本发明利用激光轮廓仪自身数据反馈进行共面调整，能够同时对数个激光轮廓仪进行共面调节，能够把激光线共面调整信息转换成直观的激光轮廓仪位置的调整信息，具有实时反馈的特性，通过激光轮廓仪阵列的共面调整方法，能够解决在调整多激光轮廓仪共面中难度大、效率低、精度低问题。
Description
技术领域
本发明涉及安装调整技术领域，具体是一种激光轮廓仪阵列的共面调整系统及方法。
背景技术
近年来，随着激光测量技术和产业的蓬勃发展，单个激光轮廓仪由于其测量范围有限，已经无法满足人们对大范围测量数据的期望，多个激光轮廓仪组合完成测量任务逐渐成为当下的研究热点。
在激光轮廓仪的安装过程中，激光轮廓仪的共面调整是非常关键的环节，其调整结果的精度直接影响后面系统中数据采集及计算的准确性，因此，做好激光轮廓仪的共面调整是整个测量系统能够顺利完成的首要前提。
现阶段主要采用两种方式进行激光轮廓仪共面调整：
第一种是作业人员通过人眼来观察激光线是否在一条直线上来判断激光轮廓仪是否共面，然而激光线本身具有一定宽度，两条激光线在重叠部分呈现比单条激光线更亮更粗的激光线，通过肉眼很难判断是否对齐；作业人员长期直视激光线，会对眼睛造成一定的损害；共面调整需要调整三个维度，调整一个维度，就会影响其他两个维度，作业人员往往在“即将调整至共面状态”反反复复调节，最终的调整结果也是一个“差不多共面状态”，通过上述可以看出，这种方法不仅调整难度大、工作效率低，而且精度也很难达到预期要求。
第二种是预先制作好共面模具，通过模具固定激光轮廓仪的位置，这种方法受机械结构限制，需要在不同位置制作不同的模具，并且模具要求很高的加工精度，制作高加工精度的模具成本很高，模具的成本都要高于项目本身的价格，大多数项目承受不起高额的模具费用，放弃了这种方法。
当下，如何快速、精确、低成本的使激光轮廓仪达到共面状态，是在激光测量中一个相当棘手的问题。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，从而提供一种激光轮廓仪阵列的共面调整系统及方法。
本发明解决所述问题，采用的技术方案是：
一种激光轮廓仪阵列的共面调整系统，包括：
激光轮廓仪：既是需要调整目标，又是调整数据来源；
标志物：作为激光轮廓仪的参照物，通过三角测量方式建立坐标系，得到激光轮廓仪与标志物的位置关系；
调整结构：可以单独调整所述激光轮廓仪的每个维度，且可以分别固定每个维度；
处理系统：接收所述激光轮廓仪数据，进行计算，判断共面状态；
显示系统：把所述处理系统计算的结果传递给作业人员。
一种激光轮廓仪阵列的共面调整方法，采用如上所述的激光轮廓仪阵列的共面调整系统进行，包括如下步骤：
S1，确定基准面：选择一个激光轮廓仪作为基准激光轮廓仪，调整其位置，确定其激光面为基准面；
S2，粗调：打开所有激光轮廓仪的激光光源，保持基准激光轮廓仪的位置不变，使所有激光线大致处于同一平面上。调整完关闭所有激光光源；
S3，放置标志物：在基准激光轮廓仪拍摄范围内、更多的激光轮廓仪能拍摄到标志物的前提下，放置标志物；
S4，建立坐标系：选择S3中拍摄到标志物的激光轮廓仪进行拍照，处理系统接收激光轮廓仪的数据信息，利用三角测量的方法建立坐标系；
S5，计算激光轮廓仪与标志物之间的位置关系：在S4中的三维坐标系中，设三维世界坐标的点为P＝[X,Y,Z,1]T，二维相机平面像素坐标为m＝[u,v,1]T，X,Y,Z为三维世界坐标系的X轴、Y轴、Z轴坐标，通过坐标计算出激光轮廓仪与标志物之间的位置关系；
S6，计算基准激光轮廓仪与其他激光轮廓仪之间的位置关系：以标志物为基准，通过S5中计算出激光轮廓仪与标志物之间的位置关系，可以推导出基准激光轮廓仪与其他激光轮廓仪之间的位置关系；
S7，计算调整结构需要调整的方位：为使激光轮廓仪与基准激光轮廓仪共面，需要调整调整结构的三个维度，通过计算转换出调整结构三个维度需要调整的方向和位置，传递到显示系统；
S8，反馈调整：作业人员根据显示信息调整调整结构来改变激光轮廓仪的位置，激光轮廓仪每次位置发生变化，处理系统会立即通过S4到S7更新调整机构需要调整的信息，使作业人员能够直观迅速地把激光轮廓仪调至与基准激光轮廓仪共面；
S9，按照S4到S8调整S3中选取的剩余激光轮廓仪；
S10，改变标志物的位置，调整未调整的激光轮廓仪，保证至少有一个调整过的激光轮廓仪能拍摄到标志物，按照S4到S9，直到完成所有激光轮廓仪的共面调整。
采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：
①利用数据反馈调节，通过直观的动态反馈信息，使作业人员能够得到确切的调整信息，避免了在“即将调整至共面状态”反反复复调节，提高了安装效率、降低了安装强度。
②利用三角测量和坐标转换来判断激光轮廓仪是否共面，让“差不多共面状态”提升到共面状态，具有很高的精度。
③利用激光轮廓仪自身数据反馈进行共面调整，充分利用了设备本身特点，节约了成本。
附图说明
图1是本发明实施例流程框图。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步说明，目的仅在于更好地理解本发明内容，因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。
参见图1，一种激光轮廓仪阵列的共面调整系统，包括：
激光轮廓仪：既是需要调整目标，又是调整数据来源；
标志物：作为激光轮廓仪的参照物，通过三角测量方式建立坐标系，得到激光轮廓仪与标志物的位置关系；
调整结构：可以单独调整所述激光轮廓仪的每个维度，且可以分别固定每个维度；
处理系统：接收所述激光轮廓仪数据，进行计算，判断共面状态；
显示系统：把所述处理系统计算的结果传递给作业人员。
激光轮廓仪由激光光源和高速相机组成，不同型号的激光轮廓仪激光光源和高速相机位置关系不一样，但是激光轮廓仪作为一个整体产品，同一激光轮廓仪的激光光源和高速相机之间的位置关系或是一个默认参数，或可以用自带软件标定，或通过其他方式得出，从已知的知识中有很多方法得到它们的位置关系，在此认为激光轮廓仪的激光光源和高速相机之间的相对位置是一个已知的信息。
标志物有多种选择，本次举例中以标定板为例，标定板是带有固定间距图案阵列的平板，通过相机拍摄标定板，经过标定算法的计算，可以得出相机的几何模型，从而得到高精度的测量和重建结果。
一种激光轮廓仪阵列的共面调整方法，采用如上所述的激光轮廓仪阵列的共面调整系统进行，包括如下步骤：
(1)确定所有的激光轮廓仪调整结构的安装位置，所有的激光轮廓仪通过调整机构可以调整到共面状态，选择一个激光轮廓仪为基准激光轮廓仪(激光轮廓仪A)，调整其角度，确定其激光面为基准面。
(2)选择激光轮廓仪A和其就近一个激光轮廓仪(激光轮廓仪B)，打开两个激光光源，通过肉眼调整就近激光轮廓仪B，把两条激光线调整到大概共面的状态，关闭激光轮廓仪A光源，选择激光轮廓仪B和其就近一个激光轮廓仪(激光轮廓仪C)，打开两个激光光源，通过肉眼调整就近激光轮廓仪C，把两条激光线调整到大概共面的状态，重复上述方法直到最后一个激光轮廓仪，这种调整称为粗调整，目的是为了方便后述的操作。
(3)根据现场实际安装情况和相机的拍摄范围，在基准激光轮廓仪相机范围内摆设一个标定板，尽量使更多的激光轮廓仪拍摄到标定板，可以调整拍摄到标定板的多个激光轮廓仪。
(4)选择步骤(3)中拍摄到标志物的激光轮廓仪进行拍照，处理系统接收激光轮廓仪的数据信息，利用三角测量的方法建立坐标系。
(5)每个激光轮廓仪把图像传递给处理系统，处理系统与每个激光轮廓仪建立三维坐标系，三维坐标系中，设三维世界坐标的点为P＝[X,Y,Z,1]T，二维相机平面像素坐标为m＝[u,v,1]T，X,Y,Z为三维世界坐标系的X轴、Y轴、Z轴坐标，在其中某个坐标系中，通过标定板上的坐标距离可以计算出相机与标定板的位置关系；利用已知的激光轮廓仪的光源和相机的相对位置，可以计算出激光面与标定板的位置关系，在多个坐标系中，以标定板为基准面，可以得出基准激光轮廓仪的激光面与其余激光轮廓仪的激光面之间的位置关系。
(6)通过调整结构调整其中一个激光轮廓仪的激光面与基准激光轮廓仪的激光面共面，需要调整三个维度的值：x轴旋转角度，y轴旋转角度，z轴偏移量，通过步骤(5)中计算出的位置关系，处理系统计算出三个维度的值，并传递给显示系统，在调整激光轮廓仪的位置时，每变化一个位置，处理系统会立即更新对应的调整值并传递给显示系统。
(7)z轴是垂直与激光面的方向，在设计调整机构需要特殊考虑，并使调整机构能够单独固定某一个维度，在调整时，先调整x轴旋转角度和y轴旋转角度，使两个激光面平行，把x轴和y轴进行固定，再调节z轴的偏移量。
(8)判断是否有计算出位置关系的激光轮廓仪未调整：有，则跳到步骤(4)；无，则跳到步骤(9)，其余计算出位置关系的激光轮廓仪，可以按照(4)(5)(6)(7)的步骤一起调整，也可以分别调整。
(9)经过上述调整，调整过的激光轮廓仪已经共面，判断是否有未调整的激光轮廓仪：有，则跳到步骤(10)；无，则结束。
(10)选取位置合适的激光轮廓仪为新的基准激光轮廓仪(激光轮廓仪H)，跳到步骤(3)。
通过上述步骤能实现所有激光轮廓仪共面的调整。
上述方法利用激光轮廓仪自身数据反馈进行共面调整，充分发挥自身设备的性能。
上述方法具有灵活性，能够同时对数个激光轮廓仪进行共面调节。
上述方法的调整方式具有直观性，能把激光面共面调整信息转换成直观的激光轮廓仪位置的调整信息。
上述方法具有实时反馈的特性，是一种动态反馈调整方式。
上述方法的调整结构可以实现对激光轮廓仪的三个维度的单独调整，并且可以单独固定任何一个维度。
本发明利用数据反馈调节，通过直观的动态反馈信息，使作业人员能够得到确切的调整信息，避免了在“即将调整至共面状态”反反复复调节，提高了安装效率、降低了安装强度；利用三角测量和坐标转换来判断激光轮廓仪是否共面，让“差不多共面状态”提升到共面状态，具有很高的精度；利用激光轮廓仪自身数据反馈进行共面调整，充分利用了设备本身特点，节约了成本。
本发明使用多激光轮廓仪拍摄标志物，建立坐标系；计算每个激光轮廓仪与标志物之间的位置关系；进而计算出不同激光轮廓仪之间的位置关系，是一种把共面调整转化为对激光轮廓仪位置调整的直观调整方法，通过调整结构调整激光轮廓仪位置，在调整过程中实时反馈激光轮廓仪的位置信息，最终使多激光轮廓仪达到共面状态，此方法利用激光轮廓仪自身数据反馈进行共面调整，可以同时对数个激光轮廓仪进行共面调节，能够把激光线共面调整信息转换成直观的激光轮廓仪位置的调整信息，具有实时反馈的特性。
本发明通过激光轮廓仪阵列的共面调整方法，能够解决在调整多激光轮廓仪共面中难度大、效率低、精度低的问题。
以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及其附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。
Claims (1)
1.一种激光轮廓仪阵列的共面调整方法，其特征在于，该方法应用的装置包括：
激光轮廓仪：既是需要调整目标，又是调整数据来源；
标志物：作为激光轮廓仪的参照物，通过三角测量方式建立坐标系，得到激光轮廓仪与标志物的位置关系；
调整结构：可以单独调整所述激光轮廓仪的每个维度，且可以分别固定每个维度；
处理系统：接收所述激光轮廓仪数据，进行计算，判断共面状态；
显示系统：把所述处理系统计算的结果传递给作业人员；
该方法包括如下步骤：
S1，确定基准面：选择一个激光轮廓仪作为基准激光轮廓仪，调整其位置，确定其激光面为基准面；
S2，粗调：打开所有激光轮廓仪的激光光源，保持基准激光轮廓仪的位置不变，使所有激光线大致处于同一平面上， 调整完关闭所有激光光源；
S3，放置标志物：在基准激光轮廓仪拍摄范围内、更多的激光轮廓仪能拍摄到标志物的前提下，放置标志物；
S4，建立坐标系：选择S3中拍摄到标志物的激光轮廓仪进行拍照，处理系统接收激光轮廓仪的数据信息，利用三角测量的方法建立坐标系；
S5，计算激光轮廓仪与标志物之间的位置关系：在S4中的三维坐标系中，设三维世界坐标的点为P＝[X,Y,Z,1]T，二维相机平面像素坐标为m＝[u,v,1]T，X,Y,Z为三维世界坐标系的X轴、Y轴、Z轴坐标，通过坐标计算出激光轮廓仪与标志物之间的位置关系；
S6，计算基准激光轮廓仪与其他激光轮廓仪之间的位置关系：以标志物为基准，通过S5中计算出激光轮廓仪与标志物之间的位置关系，可以推导出基准激光轮廓仪与其他激光轮廓仪之间的位置关系；
S7，计算调整结构需要调整的方位：为使激光轮廓仪与基准激光轮廓仪共面，需要调整调整结构的三个维度，通过计算转换出调整结构三个维度需要调整的方向和位置，传递到显示系统；
S8，反馈调整：作业人员根据显示信息调整调整结构来改变激光轮廓仪的位置，激光轮廓仪每次位置发生变化，处理系统会立即通过S4到S7更新调整机构需要调整的信息，使作业人员能够直观迅速地把激光轮廓仪调至与基准激光轮廓仪共面；
S9，按照S4到S8调整S3中选取的剩余激光轮廓仪；
S10，改变标志物的位置，调整未调整的激光轮廓仪，保证至少有一个调整过的激光轮廓仪能拍摄到标志物，按照S4到S9，直到完成所有激光轮廓仪的共面。
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