CN110211175B - 准直激光器光束空间位姿标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种准直激光器光束空间位姿标定方法，所采用的激光束标定装置包括带有远心镜头的相机、靶平面和位移台，相机和靶平面固定在位移台上，相机正对靶平面，靶平面上设置有三个靶球以及四个等径阴影圆，阴影圆圆心连线构成正方形，并且靶球和四个阴影圆都在相机的视场范围内，分为标定激光光束方向向量和标定激光点空间坐标两部分，包括下列步骤：第一部分：标定激光光束的方向向量；第二部分：标定激光点坐标。

Description

准直激光器光束空间位姿标定方法

技术领域

本发明涉及一种准直激光器，特别涉及一种准直激光器光束空间位姿的标定方法。

背景技术

在激光测量技术领域，准直激光器常用于精密测量系统中，以非正交轴系激光经纬仪为例，作为空间坐标测量系统，激光光束的空间位姿是一个关键参数，仪器使用前，首要工作是对水平轴、竖直轴以及视准轴“三轴”进行精确标定，标定的准确程度直接影响着测量结果的精度。由于水平轴和竖直轴就是旋转台的旋转轴，标定比较容易实现，但视准轴的标定，即激光光束初始空间位姿的标定，标定难度较大，所以对准直激光器光束空间位姿标定方法的研究对于改善坐标测量系统性能是至关重要的。

激光光束标定方法相关论文文献(①BiChao,Fang Jianguo,Liu Jingliang,LiuYong and Li Chengwei.Calibration of beam direction of laser displacementsensor based on spherical target.Editorial Office of Optics and PrecisionEngineeri,2015,23(3):678-685；②Junhua Sun,Jie Zhang,Zhen Liu and GuangjunZhang.A vision measurement model of laser displacement sensor and itscalibration method[J].Optics&Lasers in Engineering,2013,51(12):1344-1352；③卢科青,王文,陈子辰.点激光测头激光束方向标定[J].光学精密工程,2010,18(04):880-886.)中提出了激光光束的标定方法，但都存在一定限制，理想情况下，激光光束是一条空间直线，如果只得到激光光束的方向向量，并不能确定出光束的空间位姿，此外，标定工作在保证准确性的前提下，应该力求步骤简单，易于实现，利于广泛应用。故有必要继续研究准直激光器光束空间位姿的标定方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种用于准直激光器光束空间位姿的标定方法，以满足实现方便、精度较高激光器光束标定的需要。

一种准直激光器光束空间位姿标定方法，所采用的激光束标定装置包括带有远心镜头的相机、靶平面和位移台，相机和靶平面固定在位移台上，相机正对靶平面，靶平面上设置有三个靶球以及四个等径阴影圆，阴影圆圆心连线构成正方形，并且靶球和四个阴影圆都在相机的视场范围内，分为标定激光光束方向向量和标定激光点空间坐标两部分，包括下列步骤：

第一部分：标定激光光束的方向向量：

(1)光束标定装置初始位置定为位置1，激光投射到靶平面，利用三坐标测量机测得靶平面的法向量

以及靶平面上任意一点的坐标，得到位置1处靶平面在世界坐标系o_w-x_wy_wz_w下的方程，

靶平面法向量与激光束方向向量夹角θ的计算方式为：

其中

为靶平面法向量，

为激光光束方向向量；

(2)位移台带动相机和靶平面到达位置2，利用三坐标测量机测得靶平面的法向量以及靶平面上任意一点的坐标，得到位置2处靶平面在世界坐标系o_w-x_wy_wz_w下的方程，并计算出靶平面的位移D；

(3)借助相机记录下两个位置处的靶平面图像，对靶平面图像进行边缘提取和质心提取处理，根据像素坐标得到像素间距对应的实际距离，从而算出激光点前后的位移d，再根据空间几何关系，得到靶平面法向量与激光束方向向量夹角θ：

(4)将所求θ代入到步骤(1)的计算公式中，存在j和k两个未知数，经过至少两次测量，获得两个方程，从而解算出激光光束的方向向量

第二部分：标定激光点坐标：

(1)利用三坐标测量机测得靶平面的法向量、靶平面上任意一点的坐标以及三个靶球的球心坐标；

(2)计算靶球球心P₁、P₂、P₃在靶平面上投影点p₁、p₂、p₃的坐标；

(3)向量

作为靶平面的非正交基，则

由

和系数

β表示：

(4)相机拍摄靶平面图像，对图像进行边缘提取和质心提取处理，得到靶平面上投影点p₁、p₂、p₃、激光点p_L以及四个阴影圆圆心的像素坐标，使四个阴影圆圆心p_i1、p_i2、p_i3、p_i4作为图像透视校正的控制点，采用基于双灭点的图像透视校正方法对靶平面图像进行处理，以使靶平面与像平面平行，保证像素坐标的准确性；

(5)向量

作为像平面的非正交基，则

由

和系数

β′表示出：

(6)由像素坐标即求出

β′，根据向量关系不变性原理可知：

β＝β′，故将

β带回到步骤(3)方程中，求得靶平面上激光点p_L的空间坐标。

本发明采用带有远心镜头的相机、靶平面和一维位移台构建的光束标定装置，配合三坐标测量机，就可实现对准直激光器光束空间位姿的标定。标定工作分为两步，第一步：标定光束方向矢量，利用三坐标测量机测量靶平面参数，利用相机记录下靶平面的图像，对图像进行边缘提取和质心提取处理，可知像素间距对应的实际距离，根据已知量的空间几何关系建立方程组，解算光束空间向量；第二步：标定激光点的空间坐标，用靶平面上两个已知向量作为非正交基和未知系数表示激光点位置，根据向量关系不变性原理，可由靶平面图像求得未知系数，即可解算出激光点的空间坐标。已知光束的方向向量和光束上一点坐标，即实现了对光束空间位姿的标定。为准直激光器提供高精度、操作简便的激光光束空间姿态标定方法，以构建空间非接触式激光测量系统，提高坐标测量系统的精度。

附图说明

图1为准直激光器光束方向向量标定过程示意图，其中，o_w-x_wy_wz_w为世界坐标系，p_L1、p_L2为不同位置处靶平面上的激光点，

为靶平面的法向量，

为激光光束的方向向量。

图2为准直激光器激光点坐标标定过程示意图，点P₁、P₂、P₃是三个靶球的球心，点p₁、p₂、p₃是靶球球心在靶平面上的投影点，p_L是靶平面上的激光点，点p₁′、p′₂、p₃′、p′_L是靶平面图像上的对应点。

图3为图像校正原理图。其中，p_i1、p_i2、p_i3、p_i4是用于图像透视校正的四个控制点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

激光束标定装置由带有远心镜头的相机、靶平面和一维位移台构成，相机和靶平面安装在一维位移台上，相机正对靶平面，靶平面上设置有三个靶球以及四个等径阴影圆，对其位置分布没有特殊要求，只需保证靶球和四个阴影圆都在相机的视场范围内即可。

1.标定激光光束的方向向量：

(1)如图1所示，靶平面在位置1处，利用三坐标测量机测量靶平面在此处时的平面参数，测得靶平面的法向量以及靶平面上任意一点的坐标，得到位置1处靶平面在世界坐标系o_w-x_wy_wz_w下的方程：

l(x_w-x_w1)+m(y_w-y_w1)+n(z_w-z_w1)＝0

其中

为靶平面法向量，(x_w1,y_w1,z_w1)为靶平面上一点，靶平面法向量与激光束方向向量的夹角θ计算方式为：

其中

为激光光束方向向量；

(2)一维位移台带动相机和靶平面平行移动到位置2处，利用三坐标测量机测得靶平面的法向量以及靶平面上任意一点的坐标，得到位置2处靶平面在世界坐标系o_w-x_wy_wz_w下的方程：

l(x_w-x_w2)+m(y_w-y_w2)+n(z_w-z_w2)＝0

其中(x_w2,y_w2,z_w2)为位置2处靶平面上一点坐标，p_L1p′_L1垂直于靶平面，p_L1p′_L1的长度为靶平面的位移量，用D表示，计算方式为：

(3)p′_L1p_L2的长度为靶平面上激光点的位移量，用d表示，因为靶球间的实际距离固定且已知，对靶平面图像进行边缘提取和质心提取处理得到靶球间的像素间距，根据像素间距与实际距离的比例关系就得到d。

根据空间几何关系，夹角θ还可以表示为：

与(1)中θ的计算方式联立，可得：

上式可以写为：

[(D²+d²)m²-D²]j²+[(D²+d²)n²-D²]k²+2mn(D²+d²)jk+2lm(D²+d²)j+2ln(D²+d²)k+[l²(D²+d²)-D²]＝0

(4)从联立方程看出，j和k未知，所以只需要根据上述步骤再建立一个方程，就能解算出光束方向向量

2.标定激光点坐标：

标定过程如图2所示，为了表述更加清楚，各点坐标的表示方法如表1：

表1

(1)利用三坐标测量机测得靶平面的法向量、靶平面上任意一点的坐标以及三个靶球的球心坐标，靶平面方程为：

l′(x_w-x′_w)+m′(y_w-y′_w)+n′(z_w-z′_w)＝0

其中

为靶平面法向量，(x′_w,y′_w,z′_w)为靶平面上一点；

(2)计算靶球球心P₁、P₂、P₃在靶平面上投影点p₁、p₂、p₃的坐标：

其中：d_i＝|l′(X_wi-x′_w)+m′(Y_wi-y′_w)+n′(Z_wi-z′_w)|(i＝1,2,3)

(3)向量

作为靶平面的非正交基，

由

以及两个参数

β表示为：

将坐标代入上式可得:

(4)对靶平面图像进行边缘提取和质心提取处理，得到点p₁′、p′₂、p₃′、p′_L在像素坐标系o-uv下的坐标，为保证靶平面与像平面平行，采用基于双灭点的图像透视校正方法对图像进行处理，校正原理如图3所示。处理步骤如下：

第一步：旋转图像使p_i3p_i4与u轴平行，根据p_i1、p_i2、p_i3、p_i4四个点的图像坐标，可以求出透视投影的灭点(mu,mv)坐标；

第二步：进行u方向校正时，v方向的坐标保持不变，u方向校正的公式为：

第三步：对v方向校正时，u方向的坐标保持不变，v方向校正的公式为：

第四步：在u轴和v轴方向上校正后，p_i1p_i3与p_i2p_i4平行。但是p_i1p_i2与p_i3p_i4并不平行。则需要对图像进行90°旋转，再次进行u轴和v轴方向的校正。

第五步：校正完成以后，得到点p₁′、p′₂、p₃′、p′_L校正后的像素坐标。

(5)向量

作为像平面的非正交基，则

可以由

和两个未知参数

β′表示出：

将坐标代入上式可得:

(6)由像素坐标即可求出

β′，根据向量关系不变性原理可知：

β＝β′，故将

β带回到步骤(3)关系式中可以求得靶平面上激光点坐标。

已知光束的方向向量和光束上一点坐标，即实现了对光束空间位姿的标定。

Claims (1)

1.一种准直激光器光束空间位姿标定方法，所采用的激光束标定装置包括带有远心镜头的相机、靶平面和位移台，相机和靶平面固定在位移台上，相机正对靶平面，靶平面上设置有三个靶球以及四个等径阴影圆，阴影圆圆心连线构成正方形，并且靶球和四个阴影圆都在相机的视场范围内，分为标定激光光束方向向量和标定激光点空间坐标两部分，包括下列步骤：

第一部分：标定激光光束的方向向量：

(1)光束标定装置初始位置定为位置1，激光投射到靶平面，利用三坐标测量机测得靶平面的法向量

以及靶平面上任意一点的坐标，得到位置1处靶平面在世界坐标系o_w-x_wy_wz_w下的方程，

靶平面法向量与激光束方向向量夹角θ的计算方式为：

其中

为靶平面法向量，

为激光光束方向向量；

(2)位移台带动相机和靶平面到达位置2，利用三坐标测量机测得靶平面的法向量以及靶平面上任意一点的坐标，得到位置2处靶平面在世界坐标系o_w-x_wy_wz_w下的方程，并计算出靶平面的位移D；

(3)借助相机记录下两个位置处的靶平面图像，对靶平面图像进行边缘提取和质心提取处理，根据像素坐标得到像素间距对应的实际距离，从而算出激光点前后的位移d，再根据空间几何关系，得到靶平面法向量与激光束方向向量夹角θ：

(4)将所求θ代入到步骤(1)的计算公式中，存在j和k两个未知数，经过至少两次测量，获得两个方程，从而解算出激光光束的方向向量

第二部分：标定激光点坐标：

(1)利用三坐标测量机测得靶平面的法向量、靶平面上任意一点的坐标以及三个靶球的球心坐标；

(2)计算靶球球心P₁、P₂、P₃在靶平面上投影点p₁、p₂、p₃的坐标；

(3)向量

作为靶平面的非正交基，则

由

和系数

β表示：

(4)相机拍摄靶平面图像，对图像进行边缘提取和质心提取处理，得到靶平面上投影点p₁、p₂、p₃、激光点p_L以及四个阴影圆圆心的像素坐标，使四个阴影圆圆心p_i1、p_i2、p_i3、p_i4作为图像透视校正的控制点，采用基于双灭点的图像透视校正方法对靶平面图像进行处理，以使靶平面与像平面平行，保证像素坐标的准确性；

(5)向量

作为像平面的非正交基，则

由

和系数

β′表示出：

(6)由像素坐标即求出

β′，根据向量关系不变性原理可知：

β＝β′，故将

β带回到步骤(3)方程中，求得靶平面上激光点p_L的空间坐标。

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