CN111913167B - 一种用于激光雷达测量系统的反射镜及其使用方法 - Google Patents

一种用于激光雷达测量系统的反射镜及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于雷达探测技术领域，特别涉及一种用于激光雷达测量系统的反射镜及其使用方法，反射镜包括工具球、支撑框、压紧框、反射玻璃和螺钉，所述反射玻璃通过压紧框压紧至支撑框，并由螺钉实现压紧框与支撑框的连接，进而固定反射玻璃，所述工具球与支撑框相互连接。本发明的反射镜的位姿标定可通过自身的工具球测量值进行结算，消除了对测量工装的依赖，减小了人工操作的强度。本申请的反射镜不依赖测量工装，能快速完成自身位姿标定并计算隐藏点三维坐标值。

Description

一种用于激光雷达测量系统的反射镜及其使用方法
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域，特别涉及一种用于激光雷达测量系统的反射镜及其使用方法。
背景技术
随着科学技术的进步，工业产品的工艺设计、质量验证、在线加工等环节越来越依赖于数字化测量设备提供的技术保证。激光雷达作为一种大尺寸、非接触、高精度、数字化的坐标测量设备，广泛的应用于航空航天、船舶、能源等大尺寸工业领域。在实际应用过程中，激光雷达安装完成后，多数情况下不能一次完成所有特征点的测量，需要频繁转站，由此造成大量的时间浪费、劳动强度增加，并会引起不可忽略的转站误差。虽然当前常见的商业化激光雷达都配备了反射镜，作为隐藏点测量时的工具，但现有反射镜在实际操作过程中需要配备测量工装，并需要繁复的标定过程。因此，通过合理的设计，得到一种操作简便、标定便捷的反射镜，具有重大的工程价值。
发明内容
为了克服现有激光雷达反射镜依赖测量工装、标定时间长等问题，本申请提供了一种用于激光雷达测量系统的反射镜及其使用方法，反射镜不依赖测量工装，能快速完成自身位姿标定并计算隐藏点三维坐标值。
为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：
一种用于激光雷达测量系统的反射镜，包括工具球、支撑框、压紧框、反射玻璃和螺钉，所述反射玻璃通过压紧框压紧至支撑框，并由螺钉实现压紧框与支撑框的连接，进而固定反射玻璃，所述工具球与支撑框相互连接。
进一步地，螺钉数量为四个，四个螺钉均匀固定在支撑框上。
进一步地，所述工具球为四个，四个工具球通过自身螺纹与均匀分布在支撑框的四个角上，且工具球不共线。理论上，工具球的位置可以随意设置，但当工具球分布在边缘时，包络的空间大，精度较优。
一种用于激光雷达测量系统的反射镜的使用方法，包括如下步骤：激光雷达测量隐藏点时，首先利用反射镜将激光束引导至被测隐藏点，然后利用激光雷达对反射镜上的工具球进行测量，计算得到反射镜的空间位姿，最后通过测量数据与反射镜的空间位姿，计算得到隐藏点的三维坐标值，完成隐藏点的测量。
进一步地，具体步骤如下：
步骤1：首先将反射玻璃通过压紧框压紧至支撑框，通过螺钉实现压紧框与支撑框的连接，进而固定反射玻璃；通常而言，反射镜需要事先进行组装。
步骤2：将四个工具球通过自身螺纹与支撑框进行连接；
步骤3：利用三坐标测量机获取四个工具球在反射镜局部坐标系下的坐标值，表示为：
Figure BDA0002542611750000021
式中，Pi,L为工具球i在反射镜坐标系下的坐标值，i＝1,2,3,4；
(Xi,L Yi,L Zi,L)为Pi,L的坐标值，i＝1,2,3,4；
步骤4：对于隐藏点的测量，由于障碍物的影响，无法通过激光雷达直接进行测量，利用反射玻璃将激光束引导至隐藏点，此时激光雷达对隐藏点测量的三个参数可以表示为：
[α β L]＝[α β L1+L2]
式中，
α—激光雷达测量时水平角；
β—激光雷达测量时天顶角；
L—激光雷达光束测量隐藏点经过的路径长度
L1—激光雷达到反射镜的距离
L2—被测点到反射镜的距离
步骤5：利用激光雷达分别扫描四个工具球，并获得在测量坐标系下的坐标值，表示为：
Figure BDA0002542611750000022
式中，Pi为工具球i在测量坐标系下的坐标值，i＝1,2,3,4；
(Xi Yi Zi)为Pi的坐标值，i＝1,2,3,4；
步骤6：工具球的标定值与实测值可以建立以下关系，
Figure BDA0002542611750000031
Figure BDA0002542611750000032
Figure BDA0002542611750000033
求解上式，可以得到反射镜在测量坐标系下的空间位姿[R,T]；
[a,b,c]为反射镜局部坐标系与测量坐标系X、Y、Z三个轴的夹角；
R为反射镜局部坐标系与测量坐标系转换的旋转矩阵；
T为反射镜局部坐标系与测量坐标系转换的平移矩阵；
[Tx,Ty,Tz]为T矩阵的三个方向分量；
步骤7：对于反射镜上的点，其在反射镜坐标系下的理论值PL与在测量坐标系下的坐标值P满足下式，
P＝R·PL+T
式中，P为反射镜上的点P在测量坐标系下的坐标值；
PL为反射镜上的点P在反射镜坐标系下的坐标值；
步骤8：任意选择反射玻璃平面上不在同一直线的三点，其在反射镜局部坐标系下的坐标值为，
Figure BDA0002542611750000034
P反i,L为反射镜上的点在反射镜坐标系下的坐标值；
(X反i,L Y反i,L Z反i,L)为P反i,L三个分量；
步骤9：利用步骤7，反射镜玻璃平面上的三点在测量坐标系下的坐标值为，
Figure BDA0002542611750000035
步骤10：假设反射玻璃平面为
AX+BY+CZ+D＝0
[A B C D]表示空间平面的四个参数；
利用步骤9得到的坐标值，可以计算得到A,B,C,D的数值。
步骤11：激光束(9)与反射镜交点P’可以表示为：
Figure BDA0002542611750000041
代入步骤(10)，可计算得到L1及(X’,Y’,Z’)
(X’,Y’,Z’)为点P’的三个坐标值
L1为激光雷达到与反射镜交点的距离
α为激光雷达测量时水平角；
β为激光雷达测量时天顶角；
步骤12：根据步骤4测量得到的参数，可以计算镜像点P镜的坐标值，
Figure BDA0002542611750000042
(X镜,Z镜,Z镜)为P镜的三坐标值
步骤13：对于隐藏点P，其为镜像点P镜相对于反射玻璃平面的镜像，隐藏点P的坐标值为，
Figure BDA0002542611750000043
其中,
Figure BDA0002542611750000044
(X,Y,Z)为隐藏点P的三坐标值；
(nx,nY,nz)为反射镜平面的法向矢量。
本申请的优点为：
1、本发明的反射镜的位姿标定可通过自身的工具球测量值进行结算，消除了对测量工装的依赖，减小了人工操作的强度。本申请的反射镜不依赖测量工装，能快速完成自身位姿标定并计算隐藏点三维坐标值。
2、现有反射镜没有工具球，并且现有反射镜只是普通的镜子，在测量过程中，现有反射镜通过在地面上或试件上设置标定好的公共点的方式，完成其自身姿态的标定，用于计算空间坐标。因此，现有反射镜往往要求一次安装之后，对特定区域进行测量，在对大型区域测量时往往需对其空间位置进行移动，重新标定，因此使用便捷性较差、效率低。本发明所涉及的反射镜，通过其上的具备固定空间位置关系的特征即工具球，能快速完成其姿态的计算。相比现有反射镜，此类型的反射镜使用方面更加便利、精度更准确、效率更高。
附图说明
图1是反射镜装配图。
图2是反射镜爆炸图。
图3是反射玻璃的固定图。
图4是工具球的固定图。
图5隐藏点坐标计算示意图。
附图中1-工具球，2-支撑框，3-压紧框，4-反射玻璃，5-螺钉，6-激光雷达，7-障碍物，8-隐藏点，9-激光束与反射镜交点，10-镜像点。
具体实施方式
实施例1
一种用于激光雷达测量系统的反射镜，包括工具球1、支撑框2、压紧框3、反射玻璃4和螺钉5，所述反射玻璃4通过压紧框3压紧至支撑框2，并由螺钉5实现压紧框3与支撑框2的连接，进而固定反射玻璃4，所述工具球1与支撑框2相互连接。螺钉1数量为四个，四个螺钉1均匀固定在支撑框2上。所述工具球1为四个，四个工具球通过自身螺纹与均匀分布在支撑框2的四个角上，且工具球1不共线。理论上，工具球的位置可以随意设置，但当工具球分布在边缘时，包络的空间大，精度较优。
实施例2
一种用于激光雷达测量系统的反射镜的使用方法，包括如下步骤：激光雷达测量隐藏点时，首先利用反射镜将激光束引导至被测隐藏点，然后利用激光雷达对反射镜上的工具球进行测量，计算得到反射镜的空间位姿，最后通过测量数据与反射镜的空间位姿，计算得到隐藏点的三维坐标值，完成隐藏点的测量。
进一步地，具体步骤如下：
步骤1：首先将反射玻璃4通过压紧框3压紧至支撑框2，通过螺钉5实现压紧框3与支撑框2的连接，进而固定反射玻璃4；通常而言，反射镜需要事先进行组装。
步骤2：将四个工具球通过自身螺纹与支撑框进行连接；
步骤3：利用三坐标测量机获取四个工具球1在反射镜局部坐标系下的坐标值，表示为：
Figure BDA0002542611750000061
式中，Pi,L为工具球i在反射镜坐标系下的坐标值，i＝1,2,3,4；
(Xi,L Yi,L Zi,L)为Pi,L的坐标值，i＝1,2,3,4；
步骤4：对于隐藏点7的测量，由于障碍物8的影响，无法通过激光雷达6直接进行测量，利用反射玻璃4将激光束引导至隐藏点7，此时激光雷达对隐藏点测量的三个参数可以表示为：
[α β L]＝[α β L1+L2]
式中，
α—激光雷达测量时水平角；
β—激光雷达测量时天顶角；
L—激光雷达光束测量隐藏点经过的路径长度
L1—激光雷达到反射镜的距离
L2—被测点到反射镜的距离
步骤5：利用激光雷达分别扫描四个工具球1，并获得在测量坐标系下的坐标值，表示为：
Figure BDA0002542611750000062
式中，Pi为工具球i在测量坐标系下的坐标值，i＝1,2,3,4；
(Xi Yi Zi)为Pi的坐标值，i＝1,2,3,4；
步骤6：工具球的标定值与实测值可以建立以下关系，
Figure BDA0002542611750000071
Figure BDA0002542611750000072
Figure BDA0002542611750000073
求解上式，可以得到反射镜在测量坐标系下的空间位姿[R,T]；
[a,b,c]为反射镜局部坐标系与测量坐标系X、Y、Z三个轴的夹角；
R为反射镜局部坐标系与测量坐标系转换的旋转矩阵；
T为反射镜局部坐标系与测量坐标系转换的平移矩阵；
[Tx,Ty,Tz]为T矩阵的三个方向分量；
步骤7：对于反射镜上的点，其在反射镜坐标系下的理论值PL与在测量坐标系下的坐标值P满足下式，
P＝R·PL+T
式中，P为反射镜上的点P在测量坐标系下的坐标值；
PL为反射镜上的点P在反射镜坐标系下的坐标值；
步骤8：任意选择反射玻璃平面上不在同一直线的三点，其在反射镜局部坐标系下的坐标值为，
Figure BDA0002542611750000074
P反i,L为反射镜上的点在反射镜坐标系下的坐标值；
(X反i,L Y反i,L Z反i,L)为P反i,L三个分量；
步骤9：利用步骤7，反射镜玻璃平面上的三点在测量坐标系下的坐标值为，
Figure BDA0002542611750000075
步骤10：假设反射玻璃平面为
AX+BY+CZ+D＝0
[A B C D]表示空间平面的四个参数；
利用步骤9得到的坐标值，可以计算得到A,B,C,D的数值。
步骤11：激光束9与反射镜交点P’可以表示为：
Figure BDA0002542611750000081
代入步骤10，可计算得到L1及(X’,Y’,Z’)
(X’,Y’,Z’)为点P’的三个坐标值
L1为激光雷达到与反射镜交点的距离
α为激光雷达测量时水平角；
β为激光雷达测量时天顶角；
步骤12：根据步骤4测量得到的参数，可以计算镜像点10P镜的坐标值，
Figure BDA0002542611750000082
(X镜,Z镜,Z镜)为P镜的三坐标值
步骤13：对于隐藏点P，其为镜像点P镜相对于反射玻璃平面的镜像，隐藏点P的坐标值为，
Figure BDA0002542611750000083
其中,
Figure BDA0002542611750000084
(X,Y,Z)为隐藏点P的三坐标值；
(nx,nY,nz)为反射镜平面的法向矢量。

Claims (1)

1.一种用于激光雷达测量系统的反射镜的使用方法，其特征在于：反射镜包括工具球(1)、支撑框(2)、压紧框(3)、反射玻璃(4)和螺钉(5)，所述反射玻璃(4)通过压紧框(3)压紧至支撑框(2)，并由螺钉(5)实现压紧框(3)与支撑框(2)的连接，进而固定反射玻璃(4)，所述工具球(1)与支撑框(2)相互连接；
激光雷达测量隐藏点时，首先利用反射镜将激光束引导至被测隐藏点，然后利用激光雷达对反射镜上的工具球(1)进行测量，计算得到反射镜的空间位姿，最后通过测量数据与反射镜的空间位姿，计算得到隐藏点的三维坐标值，完成隐藏点的测量；
具体步骤如下：
步骤1：首先将反射玻璃(4)通过压紧框(3)压紧至支撑框(2)，通过螺钉(5)实现压紧框(3)与支撑框(2)的连接，进而固定反射玻璃(4)；
步骤2：将四个工具球与支撑框进行连接；
步骤3：利用三坐标测量机获取四个工具球(1)在反射镜局部坐标系下的坐标值，表示为：
Figure FDA0003360691440000011
式中，Pi,L为工具球i在反射镜坐标系下的坐标值，i＝1,2,3,4；(Xi,L Yi,L Zi,L)为Pi,L的坐标值，i＝1,2,3,4；
步骤4：对于隐藏点(7)的测量，由于障碍物(8)的影响，无法通过激光雷达(6)直接进行测量，利用反射玻璃(4)将激光束引导至隐藏点(7)，此时激光雷达对隐藏点测量的三个参数可以表示为：
[α β L]＝[α β L1+L2]
式中，
α—激光雷达测量时水平角；
β—激光雷达测量时天顶角；
L—激光雷达光束测量隐藏点经过的路径长度
L1—激光雷达到反射镜的距离
L2—被测点到反射镜的距离
步骤5：利用激光雷达分别扫描四个工具球(1)，并获得在测量坐标系下的坐标值，表示为：
Figure FDA0003360691440000021
式中，Pi为工具球i在测量坐标系下的坐标值，i＝1,2,3,4；
(Xi Yi Zi)为Pi的坐标值，i＝1,2,3,4；
步骤6：工具球的标定值与实测值可以建立以下关系，
[P1,P2,P3,P4]＝R·[P1,L,P2,L,P3,L,P4,L]+T
Figure FDA0003360691440000022
T＝[Tx Ty Tz]
求解上式，可以得到反射镜在测量坐标系下的空间位姿[R,T]；
[a,b,c]为反射镜局部坐标系与测量坐标系X、Y、Z三个轴的夹角；
R为反射镜局部坐标系与测量坐标系转换的旋转矩阵；
T为反射镜局部坐标系与测量坐标系转换的平移矩阵；
[Tx,Ty,Tz]为T矩阵的三个方向分量；
步骤7：对于反射镜上的点，其在反射镜坐标系下的理论值PL与在测量坐标系下的坐标值P满足下式，
P＝R·PL+T
式中，P为反射镜上的点P在测量坐标系下的坐标值；
PL为反射镜上的点P在反射镜坐标系下的坐标值；
步骤8：任意选择反射玻璃平面上不在同一直线的三点，其在反射镜局部坐标系下的坐标值为，
Figure FDA0003360691440000023
P反i,L为反射镜上的点在反射镜坐标系下的坐标值；
(X反i,L Y反i,L Z反i,L)为P反i,L三个分量；
步骤9：利用步骤7，反射镜玻璃平面上的三点在测量坐标系下的坐标值为，
[P反1,P反2,P反3]＝R·[P反1,L,P反2,L,P反3,L]+T
步骤10：假设反射玻璃平面为
AX+BY+CZ+D＝0
[A B C D]表示空间平面的四个参数；
利用步骤9得到的坐标值，可以计算得到A,B,C,D的数值；
步骤11：激光束(9)与反射镜交点P’可以表示为：
Figure FDA0003360691440000031
代入步骤(10)，可计算得到L1及(X’,Y’,Z’)
(X’,Y’,Z’)为点P’的三个坐标值
L1为激光雷达到与反射镜交点的距离
α为激光雷达测量时水平角；
β为激光雷达测量时天顶角；
步骤12：根据步骤4测量得到的参数，可以计算(10)镜像点P镜的坐标值，
Figure FDA0003360691440000032
(X镜,Z镜,Z镜)为P镜的三坐标值
步骤13：对于隐藏点P，其为镜像点P镜相对于反射玻璃平面的镜像，隐藏点P的坐标值为，
Figure FDA0003360691440000033
其中,
Figure FDA0003360691440000041
(X,Y,Z)为隐藏点P的三坐标值；
(nx,nY,nz)为反射镜平面的法向矢量。
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