CN110806201B - 一种基于高精度水平基准的校正方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于高精度水平基准的校正方法及装置，将线激光器照射在标志架上，调节线激光器使其出射的激光面位于水平面内，具体包括如下步骤：步骤101，获取激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标；步骤102，获取激光面与标志架坐标平面XOY的夹角β；步骤103，获取激光面与标志架坐标平面XOY之间交线L，获取交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角α；步骤104，根据夹角α与β获取标志架坐标系XYZ到水平坐标系的旋转矩阵R；步骤105，根据旋转矩阵R对标志架坐标系XYZ进行校正调平，现有技术中水平校正过程中水平基准动态性能差、精度低、水平基准获取过程复杂与价格昂贵等缺陷，实现高动态性能、高精度与低成本的水平基准确定与水平校正。

Description

一种基于高精度水平基准的校正方法及装置

技术领域

本发明涉及水平校正技术领域，具体是一种基于高精度水平基准的校正方法及装置。

背景技术

水平基准广泛应用于大型机械装配、货物调运、建筑及安全评估等众多水平校正领域，特别是在吊装等工程应用中，需要为天车平台提供高精度的水平基准，以保证装配的精度和可靠性。传统方法使用动态倾角仪来进行两个方向的倾角测量以得到水平基准，但是存在动态性能不够、测量数据受平台振动和加速度影响大等缺点。高精度陀螺(三维)也可以提供水平基准，但是存在价格昂贵、对准和同步等操作复杂等问题，实际应用比较困难。

发明内容

本发明提供一种基于高精度水平基准的校正方法及装置，用于克服现有技术中水平校正过程中水平基准动态性能差、精度低、水平基准获取过程复杂与价格昂贵等缺陷，实现高动态性能、高精度与低成本的水平基准确定与水平校正。

为实现上述目的，本发明提供一种基于高精度水平基准的校正方法，将线激光器照射在标志架上，调节线激光器使其出射的激光面位于水平面内，具体包括如下步骤：

步骤101，获取激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标；

步骤102，获取激光面与标志架坐标平面XOY的夹角β；

步骤103，获取激光面与标志架坐标平面XOY之间交线L，获取交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角α；

步骤104，根据夹角α与β获取标志架坐标系XYZ到水平坐标系的旋转矩阵R；

步骤105，根据旋转矩阵R对标志架坐标系XYZ进行校正调平。

进一步优选的，步骤101具体包括：

步骤201，获取激光面在标志架上至少三个非共线的激光照射点在标志架坐标系XYZ下的坐标(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2…n，n≥3；

步骤202，获取激光面在标志架坐标系XYZ下的设定坐标：Ax+By+Cz+D＝0；

步骤203，将坐标(x_i,y_i,z_i)代入激光面在标志架坐标系XYZ下的设定坐标，求解得到系数A、B、C、D；

步骤204，获取激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标。

进一步优选的，步骤203中，采用最小二乘方法进行求解。

进一步优选的，步骤102具体包括：

步骤301，获取标志架坐标平面XOY的法线在标志架坐标系XYZ下的方向向量：N(0,0,1)；

步骤302，获取激光面的法线在标志架坐标系XYZ下的方向向量：N′(A,B,C)；

步骤303，获取激光面与标志架坐标平面XOY的夹角β：

式中，A、B、C、D为激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标系数。

进一步优选的，步骤303中：

若0≤β≤π/2，激光面与标志架坐标平面XOY夹角取值为β；

若π/2<β≤π，激光面与标志架坐标平面XOY夹角取值为π-β。

进一步优选的，步骤103具体包括：

步骤401，获取激光面与标志架坐标平面XOY之间的交线L在标志架坐标系XYZ下的坐标：Ax+By+D＝0；

步骤402，获取激光面与标志架坐标平面XOY之间的交线L在标志架坐标系XYZ下的方向向量：L(BD,-AD,0)；

步骤403，获取标志架坐标系XYZ中Y轴在标志架坐标系XYZ下的方向向量：L′(0,1,0)；

步骤404，获取交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角α：

式中，A、B、D为激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标系数。

进一步优选的，步骤404中：

若0≤α≤π/2，交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角取值为α；

若π/2<α≤π，交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角取值为π-α。

进一步优选的，步骤104中具体包括：

步骤501，将标志架坐标系XYZ绕Z轴旋转α角度，使得标志架坐标系XYZ的X轴与交线L平行，其旋转矩阵为：

步骤502，将标志架坐标系XYZ绕Y轴旋转β角度，使得标志架坐标系XYZ的Z轴与激光面的法向量平行，其旋转矩阵为：

步骤503，将标志架坐标系XYZ绕Z轴旋转α角度，其中，步骤503的旋转方向与步骤501的旋转方向相反，使得标志架坐标系XYZ的X轴归位，其旋转矩阵为：

步骤504，获取标志架坐标系XYZ到水平坐标系的旋转矩阵R：

为实现上述目的，本发明还提供一种基于高精度水平基准的校正装置，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有基于高精度水平基准的校正程序，所述处理器在运行所述程序时执行上述方法所述的步骤。

本发明提供的一种基于高精度水平基准的校正方法及装置，通过将线激光器调平，使其出射的线激光位于水平面，同时使线激光所形成的水平激光面照射在标志架上，形成相应的反光点或者反光线，通过激光线在标志架上的照射位置可得到标志架坐标系相对于水平面的位姿关系，即为标志架提供了高精度的水平基准，随后标志架坐标系相对于水平面的位姿关系完成对标志架的校正调平，相对于倾角仪、惯导等其它方式提供的水平基准，本方法具有系统简单、动态性能好、精度高、成本低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中线激光器照射在标志架上的示意图；

图2为本发明实施例中激光坐标系与标志架坐标系的关系示意图；

图3为本发明实施例中基于高精度水平基准的校正方法流程示意图；

图4为本发明实施例中激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标的获取流程示意图；

图5为本发明实施例中激光面与标志架平面之间的夹角关系示意图；

图6为本发明实施例中夹角β的获取流程示意图；

图7为本发明实施例中夹角α的获取流程示意图；

图8为本发明实施例中交线L平移结构示意图；

图9为本发明实施例中标志架坐标系的旋转流程示意图；

图10为本发明实施例中标志架坐标系的第一次旋转示意图；

图11为本发明实施例中标志架坐标系的第二次旋转示意图；

图12为本发明实施例中标志架坐标系的第三次旋转示意图；

图13为本发明实施例中标志架坐标系经过三次旋转后的结果示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示的一种基于高精度水平基准的校正方法，首先将线激光器照射在标志架上，调节线激光器使其出射的激光面位于水平面内，如图2所示，X₀Y₀Z₀为激光坐标系，X₀OY₀为水平面，XYZ为标志架坐标系。通过在标志架上安装光敏感器件或者通过相机对标志架和激光反射点成像后采用图像处理方法，可以得到激光在标志架上的实际照射位置，由三个及以上非共线的激光照射点，就可以求出激光面在标志架坐标系下的坐标，进而可以反算得到标志架相对于激光面(水平面)的坐标变换关系，参考图3，具体包括如下步骤：

步骤101，获取激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标；

步骤102，根据激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标获取激光面与标志架坐标平面XOY的夹角β；

步骤103，根据激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标获取激光面与标志架坐标平面XOY之间交线L，获取交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角α；

步骤104，根据夹角α与β获取标志架坐标系XYZ到水平坐标系的旋转矩阵R；

步骤105，根据旋转矩阵R对标志架坐标系XYZ进行校正调平。

本实施例通过将线激光器调平，使其出射的线激光位于水平面，同时使线激光所形成的水平激光面照射在标志架上，形成相应的反光点或者反光线，通过激光线在标志架上的照射位置可得到标志架坐标系相对于水平面的位姿关系，即为标志架提供了高精度的水平基准，随后标志架坐标系相对于水平面的位姿关系完成对标志架的校正调平，相对于倾角仪、惯导等其它方式提供的水平基准，本方法具有系统简单、动态性能好、精度高、成本低等优点。

参考图4，步骤101具体包括：

步骤201，获取激光面在标志架上至少三个非共线的激光照射点在标志架坐标系XYZ下的坐标(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2…n，n≥3，其中，可以采用通过光敏感器件对激光在标志架上的照射位置进行定位，获得三个非共线的激光照射点；

步骤202，获取激光面在标志架坐标系XYZ下的设定坐标：Ax+By+Cz+D＝0；

步骤203，将坐标(x_i,y_i,z_i)代入激光面在标志架坐标系XYZ下的设定坐标，获得方程组：

利用最小二乘方法求解上述方程组，就可以得到上述激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标系数A、B、C、D，同时能够获取激光面的法线在标志架坐标系XYZ下的方向向量：N′(A,B,C)；

步骤204，将步骤203中求解得到的系数A、B、C、D代入激光面在标志架坐标系XYZ下的设定坐标Ax+By+Cz+D＝0，即能获取激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标。

参考图5与图6，步骤102具体包括：

步骤301，获取标志架坐标平面XOY的法线在标志架坐标系XYZ下的方向向量：N(0,0,1)；

步骤302，获取激光面的法线在标志架坐标系XYZ下的方向向量：N′(A,B,C)；

步骤303，利用二面角公式，对于N(0,0,1)与N′(A,B,C)有：

式中，β为激光面与标志架坐标平面XOY的夹角，A、B、C、D为激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标系数。

步骤303中，若0≤β≤π/2，激光面与标志架坐标平面XOY夹角取值为β；若π/2<β≤π，激光面与标志架坐标平面XOY夹角为π-β。以保持β的取值在0～π/2，以便于后续过程中旋转矩阵的计算。

参考图5与图7，步骤103具体包括：

步骤401，联立激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标与标志架坐标平面XOY，获得方程组：

对上述方程组求解即能获取激光面与标志架坐标平面XOY之间的交线L在标志架坐标系XYZ下的坐标：Ax+By+D＝0；

步骤402，根据步骤401中激光面与标志架坐标平面XOY之间的交线L在标志架坐标系XYZ下的坐标则能直接获取激光面与标志架坐标平面XOY之间的交线L在标志架坐标系XYZ下的方向向量：L(BD,-AD,0)；

步骤403，获取标志架坐标系XYZ中Y轴在标志架坐标系XYZ下的方向向量：L′(0,1,0)；

步骤404，利用二面角公式，对于L(BD,-AD,0)与L′(0,1,0)有：

式中，α为交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角，A、B、D为激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标系数。

步骤404中，若0≤α≤π/2，交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角取值为α；若π/2<α≤π，交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角取值为π-α。以保持α的取值在0～π/2，以便于后续过程中旋转矩阵的计算。

步骤104中，为便于理解标志架坐标系XYZ旋转到水平坐标系的过程，首先将激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标获取激光面与标志架坐标平面XOY之间交线L平移至标志架坐标原点，即如图8所示，当标志架坐标系为图示的倾斜方向时，可以通过三次绕轴旋转操作将标志架坐标系转换到水平坐标系；参考图9，其过程具体包括：

步骤501，将标志架坐标系XYZ绕Z轴旋转α角度，使得标志架坐标系XYZ的X轴与交线L平行，得到新的标志架坐标系X′Y′Z′，即如图10所示；其旋转矩阵为：

步骤502，将标志架坐标系XYZ绕Y轴旋转β角度，使得标志架坐标系XYZ的Z轴与激光面的法向量平行，得到新的标志架坐标系X″Y″Z″，从而达到使新的标志架坐标平面X″OY″与激光面平行，即如图11所示；其旋转矩阵为：

步骤503，将标志架坐标系XYZ绕Z轴旋转α角度，其中，步骤503的旋转方向与步骤501的旋转方向相反，使得标志架坐标系XYZ的X轴归位，得到新的标志架坐标系X″′Y″′Z″′，即如图12所示；其旋转矩阵为：

步骤504，经过步骤501-503的三次旋转后标志架坐标系的位姿即如图13所示，最终获取标志架坐标系XYZ到水平坐标系的旋转矩阵R：

若在标志架坐标系校正前标志架下某一点A坐标为(X,Y,Z)，将A点乘以旋转矩阵R，即：

得到的A′即为A经过水平矫正后的坐标点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于高精度水平基准的校正方法，其特征在于，将线激光器照射在标志架上，调节线激光器使其出射的激光面位于水平面内，具体包括如下步骤：

步骤101，获取激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标；

步骤102，获取激光面与标志架坐标平面XOY的夹角β；

步骤103，获取激光面与标志架坐标平面XOY之间交线L，获取交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角α；

步骤104，根据夹角α与β获取标志架坐标系XYZ到水平坐标系的旋转矩阵R；

步骤105，根据旋转矩阵R对标志架坐标系XYZ进行校正调平。

2.权利要求1所述基于高精度水平基准的校正方法，其特征在于，步骤101具体包括：

步骤201，获取激光面在标志架上至少三个非共线的激光照射点在标志架坐标系XYZ下的坐标(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2…n，n≥3；

步骤202，获取激光面在标志架坐标系XYZ下的设定坐标：Ax+By+Cz+D＝0；

步骤203，将坐标(x_i,y_i,z_i)代入激光面在标志架坐标系XYZ下的设定坐标，求解得到系数A、B、C、D；

步骤204，获取激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标。

3.权利要求2所述基于高精度水平基准的校正方法，其特征在于，步骤203中，采用最小二乘方法进行求解。

4.权利要求1所述基于高精度水平基准的校正方法，其特征在于，步骤102具体包括：

步骤301，获取标志架坐标平面XOY的法线在标志架坐标系XYZ下的方向向量：N(0,0,1)；

步骤302，获取激光面的法线在标志架坐标系XYZ下的方向向量：N′(A,B,C)；

步骤303，获取激光面与标志架坐标平面XOY的夹角β：

式中，A、B、C、D为激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标系数。

5.权利要求4所述基于高精度水平基准的校正方法，其特征在于，步骤303中：

若0≤β≤π/2，激光面与标志架坐标平面XOY夹角取值为β；

若π/2<β≤π，激光面与标志架坐标平面XOY夹角取值为π-β。

6.权利要求1所述基于高精度水平基准的校正方法，其特征在于，步骤103具体包括：

步骤401，获取激光面与标志架坐标平面XOY之间的交线L在标志架坐标系XYZ下的坐标：Ax+By+D＝0；

步骤402，获取激光面与标志架坐标平面XOY之间的交线L在标志架坐标系XYZ下的方向向量：L(BD,-AD,0)；

步骤403，获取标志架坐标系XYZ中Y轴在标志架坐标系XYZ下的方向向量：L′(0,1,0)；

步骤404，获取交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角α：

式中，A、B、D为激光面在标志架坐标系XYZ下的坐标系数。

7.权利要求6所述基于高精度水平基准的校正方法，其特征在于，步骤404中：

若0≤α≤π/2，交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角取值为α；

若π/2<α≤π，交线L与标志架坐标系XYZ中Y轴的夹角取值为π-α。

8.权利要求1所述基于高精度水平基准的校正方法，其特征在于，步骤104中具体包括：

步骤501，将标志架坐标系XYZ绕Z轴旋转α角度，使得标志架坐标系XYZ的X轴与交线L平行，其旋转矩阵为：

步骤502，将标志架坐标系XYZ绕Y轴旋转β角度，使得标志架坐标系XYZ的Z轴与激光面的法向量平行，其旋转矩阵为：

步骤503，将标志架坐标系XYZ绕Z轴旋转α角度，其中，步骤503的旋转方向与步骤501的旋转方向相反，使得标志架坐标系XYZ的X轴归位，其旋转矩阵为：

步骤504，获取标志架坐标系XYZ到水平坐标系的旋转矩阵R：

9.一种基于高精度水平基准的校正装置，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有基于高精度水平基准的校正程序，所述处理器在运行所述程序时执行所述权利要求1～8任一项方法所述的步骤。

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