CN112304568A - 一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统及其标定方法，其中标定系统包括激光振镜扫描装置、光敏传感装置、靶点设置装置和总控装置；所述激光振镜扫描装置包括激光发射器、准直扩束装置、聚焦装置和二维振镜扫描头；所述光敏传感装置包括光敏传感器和光学分光聚焦装置；所述靶点设置装置包括平移机构，所述平移机构上连接有布置若干反光靶点的投影截面，所述反光靶点的空间坐标由摄影测量设备测量；所述总控装置包括控制板和电脑主机；所述光敏传感器响应由激光发射器发射并经投影截面反射后的激光束信号。本发明具有能够在大的扫描区间内对激光振镜进行标定，标定好的激光振镜可应用于远距离、大范围的激光定位投影的优点。

Description

一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统及其标定方法

技术领域

本发明涉及激光振镜标定技术领域，特别是一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统及其标定方法。

背景技术

激光振镜扫描装置(简称激光振镜)是一个能够精准控制激光束光路的光学反射装置。得益于激光振镜制造水平的不断提高，目前它能够达到的激光扫描定位精度与扫描速度都有了质的飞跃，使得激光振镜的应用从早期的平面激光打标加工拓展到高精度的三维曲面激光加工、激光3D定位投影、激光3D扫描、激光动态追踪等诸多方面。无论是基于激光振镜的二维或是三维应用，都需要对激光振镜进行一个精确的标定，才能依靠标定好的激光振镜完成各应用中的具体任务。

相比于早期的激光平面打标，激光振镜的应用从小范围的二维平面扫描扩展到了大范围的三维空间扫描。特别是针对激光3D定位投影这个具体应用，经常需要激光振镜对远距离、大范围的目标进行高精度的定位投影，例如激光3D定位投影应用于大飞机制造环节中的复合材料铺层定位，在该过程中需要激光振镜能够对10米开外分布在100平米范围内的目标空间曲线进行定位投影，定位误差不超过0.7mm。大范围的空间扫描对于激光振镜的标定带来了困难，其主要体现在两个方面：1)激光振镜自身并不具备获取外界空间位置信息的能力；2)借助外在测量设备(例如视觉测量)很难在大范围的扫描空间内采集高精度的标定数据。因此，亟需研发一种针对大范围空间定位投影应用的激光振镜标定技术，使其能够很好地应用于大范围的激光3D定位投影。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统及其标定方法。它具有能够在大的扫描区间内对激光振镜进行标定，标定好的激光振镜可应用于远距离、大范围的激光定位投影的优点。

本发明的技术方案：本发明的一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统，包括激光振镜扫描装置、光敏传感装置、靶点设置装置和总控装置；所述激光振镜扫描装置包括激光发射器、准直扩束装置、聚焦装置和二维振镜扫描头；所述光敏传感装置包括光敏传感器和光学分光聚焦装置；所述靶点设置装置包括平移机构，所述平移机构上连接有布置若干反光靶点的投影截面，所述反光靶点的空间坐标由摄影测量设备测量；所述总控装置包括控制板和电脑主机，所述控制板用于协同控制二维振镜扫描头、激光发射器、聚焦装置、光敏传感器和平移机构；所述光敏传感器响应由激光发射器发射并经投影截面反射后的激光束信号。

与现有技术相比，本发明标定系统的有益效果体现在：利用激光振镜扫描装置投射出的激光束本身具有良好的准直性这一特点，设置了一个可移动的布置若干反光靶点的投影截面，激光束投射到反光靶点后大部分能量可以原路返回，本发明在激光束返回路径上设置了由光敏传感器、滤镜、聚焦镜和分光镜组成的光敏传感装置，可以探测返回激光束的能量，从而来确定某条具体激光振镜扫描装置出射激光束的光路，从而为远距离、大范围的激光振镜标定数据采样提供了一种很好的实现方式，进而使得通过本发明提出的标定方法的激光振镜扫描装置能够很好的应用于大范围的激光3D定位投影。

前述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统中，所述摄影测量设备为一次测量投影截面上多个反光靶点空间坐标的测量设备。

前述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统中，所述光学分光聚焦装置包括滤镜、聚焦镜和分光镜。

前述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统中，所述平移机构包括驱动电机，所述驱动电机的输出端连接有螺杆，所述螺杆上连接有夹具，所述夹具下方设有导轨，所述夹具用于固定投影截面。

前述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统中，若干所述反光靶点均为玻璃微珠反光点。

本发明的一种基于光敏传感器的激光振镜标定方法，包括以下步骤：

步骤一、根据激光振镜扫描装置标定范围的大小，选取合适大小的投影截面，并在上面布置N个圆形反光靶点；

步骤二、将布置有反光靶点的投影截面固定在平移机构上，使得投影截面可以精准地平移到M个等间隔设定的位置；

步骤三、利用摄影测量设备测量出M个设定位置处投影截面上所有反光靶点的空间坐标；

步骤四、控制激光振镜扫描装置投射出一个能够覆盖住整个投影截面的激光网格线，光敏传感器响应网格线扫过反光靶点时的反射激光束信号，并记录此时二维振镜扫描头的粗略控制数字信号，进而获得投影截面上所有反光靶点的粗略扫描位置信息；

步骤五、以步骤四中每个反光靶点粗略扫描位置为中心，控制激光振镜扫描装置投射出一个仅能覆盖反光靶点的激光网格线，根据光敏传感器对反射激光束信号的响应，记录激光扫过每个反光靶点时二维振镜扫描头对应的精确控制数字信号，再根据这些数字信号估算出每个反光靶点的精确扫描位置信息；

步骤六、借助步骤四和步骤五获得M个设定位置处投影截面上每个反光靶点的精确扫描位置信息，进而获得激光振镜扫描装置的初始标定数据；

步骤七、对于M个设定位置处的投影截面，根据步骤六获得的初始标定数据求解出二维振镜扫描头的精确控制数字信号与该投影截面上任意一点的空间坐标之间的映射关系；

步骤八、对于给定的数字信号，根据步骤七得到的映射关系，可在任意投影截面上找到对应光斑点的空间坐标，进而M个设定位置可获得给定的数字信号所对应的出射激光束上的M个空间点的坐标，根据M个空间点的坐标拟合出给定的数字信号所对应出射光的空间向量；

步骤九、给定一定数量的数字信号，根据步骤八可获得每个数字信号所对应的出射光的空间向量，进而获得激光振镜扫描装置的最终标定数据，再根据最终标定数据求解出二维振镜扫描头的精确控制数字信号与其对应的出射光空间向量之间的映射关系，完成激光振镜扫描装置的标定。

与现有技术相比，本发明标定方法的有益效果体现在：将光敏传感器用于激光振镜的标定，借助光敏传感器对定位反光靶点反射光的能量响应，来判断是否该出射激光束通过了预先设定好的反光靶点，通过扫描定位反光靶点的方式实现激光振镜扫描装置对靶标的位置感知，从而可以在激光振镜扫描装置的整个扫描区域内对标定数据进行采样来完成激光振镜的标定，标定好的激光振镜可适用于远距离、大范围的激光定位投影。

前述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定方法中，步骤三中先利用摄影测量设备测量出任意两个设定位置处投影截面上反光靶点的空间坐标，再通过这两组反光靶点的空间坐标计算出投影截面平移的方向向量，最后借助该方向向量计算出其它设定位置处投影截面上反光靶点的空间坐标。

前述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定方法中，步骤四和步骤五中的反射激光束信号从二维振镜扫描头中原路返回，并依次经过分光镜、聚焦镜和滤镜后被光敏传感器响应。

前述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定方法中，在进行步骤四之前，预先由激光发射器发射激光，通过调节聚焦装置使得激光投射在投影截面上形成的光斑点的尺寸最小。

附图说明

图1是本发明基于光敏传感器的激光振镜标定系统的硬件结构示意图；

图2是本发明基于光敏传感器的激光振镜标定方法中求解二维振镜扫描头的精确控制数字信号与该投影截面上任意一点的空间坐标之间的映射关系的原理示意图；

图3是本发明基于光敏传感器的激光振镜标定方法中求解二维振镜扫描头的精确控制数字信号与其对应的出射光空间向量间的映射关系的原理示意图；

图4是本发明基于光敏传感器的激光振镜标定方法中的一个具体实施案例中使用的投影截面；

图5是本发明基于光敏传感器的激光振镜标定方法中的一个具体实施案例中投影截面上反光靶点在摄影测量坐标系中的空间点；

图6是本发明基于光敏传感器的激光振镜标定方法中的一个具体实施案例中不同位置处测试靶点的投影效果；

图7是图6(a)中三个反光靶点的中心连成一个三角形后的局部放大图。

附图标记：11-激光发射器，12-准直扩束装置，13-聚焦装置，14-二维振镜扫描头，21-光敏传感器，22-滤镜，23-聚焦镜，24-分光镜，31-平移机构，32-投影截面，33-摄影测量设备，41-控制板，42-电脑主机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例：一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统，硬件结构如图1所示，包括激光振镜扫描装置、光敏传感装置、靶点设置装置和总控装置；所述激光振镜扫描装置包括激光发射器11、准直扩束装置12、聚焦装置13和二维振镜扫描头14；所述光敏传感装置包括光敏传感器21和光学分光聚焦装置；所述靶点设置装置包括平移机构31，所述平移机构31上连接有布置若干反光靶点的投影截面32，所述反光靶点的空间坐标由摄影测量设备33测量；所述总控装置包括控制板41和电脑主机42，所述控制板41用于协同控制二维振镜扫描头14、激光发射器11、聚焦装置13、光敏传感器21和平移机构31；所述光敏传感器21响应由激光发射器11发射并经投影截面32反射后的激光束信号。

作为优选，摄影测量设备33为一次测量投影截面32上多个反光靶点空间坐标的测量设备，可以在大范围内对多个目标点进行高精度的测量。

作为优选，光学分光聚焦装置包括滤镜22、聚焦镜23和分光镜24，可将从二维振镜扫描头14中原路返回的反射激光束信号分光聚焦到光敏传感器21。

作为优选，平移机构31包括驱动电机，所述驱动电机的输出端连接有螺杆，所述螺杆上连接有夹具，所述夹具下方设有导轨，所述夹具用于固定投影截面32，便于投影截面32平移且平移精度高。

作为优选，若干所述反光靶点均为玻璃微珠反光点，反光效果好。

一种基于光敏传感器的激光振镜标定方法，包括以下步骤：

步骤一、根据激光振镜扫描装置标定范围的大小，选取合适大小的投影截面32，并在上面布置N个圆形反光靶点P_k,k＝1,2,…,N；

步骤二、将布置有反光靶点的投影截面32固定在平移机构31上，使得投影截面32可以精准地平移到M个等间隔设定的位置G_i,i＝1,2,…M；

步骤三、利用摄影测量设备测量出M个设定位置中G_i1与G_i2处投影截面32上反光靶点的空间坐标

与

再通过这两组反光靶点的空间坐标计算出投影截面32平移的方向向量，最后借助该方向向量计算出其它设定位置处投影截面32上反光靶点的空间坐标；

预先由激光发射器11发射激光，通过调节聚焦装置13使得激光投射在投影截面32上形成的光斑点的尺寸最小；

步骤四、控制激光振镜扫描装置投射出一个能够覆盖住整个投影截面32的激光网格线，光敏传感器21响应网格线扫过反光靶点时的反射激光束信号，并记录此时二维振镜扫描头14的粗略控制数字信号，进而获得投影截面32上所有反光靶点的粗略扫描位置信息

其中

代表激光束投射到反光靶点P_k时所对应的二维振镜扫描头14的粗略控制数字信号；

步骤五、以步骤四中每个反光靶点粗略扫描位置

为中心，控制激光振镜扫描装置投射出一个仅能覆盖反光靶点P_k的激光网格线，根据光敏传感器21对反射激光束信号的响应，记录激光扫过每个反光靶点时二维振镜扫描头14对应的精确控制数字信号，再根据这些数字信号估算出反光靶点P_k的精确扫描位置信息D_k＝[D_xk D_yk]^T；

步骤四和步骤五中的反射激光束信号从二维振镜扫描头14中原路返回，并依次经过分光镜24、聚焦镜23和滤镜22后被光敏传感器21响应；

步骤六、借助步骤四和步骤五获得M个设定位置处投影截面32上每个反光靶点的精确扫描位置信息，进而获得激光振镜扫描装置的初始标定数据

步骤七、对于各个设定位置G_i,i＝1,2,…M处的投影截面32，根据步骤六获得的初始标定数据

求解出二维振镜扫描头14的精确控制数字信号D与该投影截面32上任意一点的空间坐标pⁱ之间的映射关系Mⁱ:D→pⁱ；

步骤八、对于给定的数字信号D_j，根据步骤七得到的映射关系Mⁱ:D→pⁱ，可在G_i处的投影截面32上找到对应光斑点的空间坐标

进而M个设定位置可获得D_j所对应的出射激光束上的M个空间点的坐标

再根据

拟合出D_j所对应出射光l_j的空间向量V_j；

步骤九、给定一定数量的数字信号D_j,j＝1,2,…Q，根据步骤八可获得每个数字信号D_j所对应的出射光的空间向量V_j，进而获得激光振镜扫描装置的最终标定数据{(D_j,V_j),j＝1,2,…,Q}，再根据最终标定数据{(D_j,V_j),j＝1,2,…,Q}求解出二维振镜扫描头14的精确控制数字信号D与其对应的出射光空间向量V之间的映射关系M:D→V，完成激光振镜扫描装置的标定。

本发明的一个具体实施案例：现场搭建激光振镜标定系统的硬件结构，并在某个投影截面32上布置308个反光靶点用于标定采样，如图4所示。现场采用了一套工业摄影测量设备对投影截面32上的所有反光靶点进行三维重建，投影截面32在不同位置处的重建效果如图5所示。按照本发明所给出的标定方法步骤(如图2-3)对激光振镜进行现场标定。标定完成后，利用标定出的二维振镜扫描头14的精确控制数字信号D与其对应的出射光空间向量V之间的映射关系M:D→V，可对标定区域内的任何一个反光靶点的中心(空间位置需事先给出)进行投射，现场给出了三个不同位置处的测试反光靶点的投射效果，如图6(a)、(b)、(c)所示。为了更直观地呈现投射效果，在投射测试过程中，将三个反光靶点的中心连成一个三角形，图7为图6(a)中三个反光靶点的中心连成一个三角形后的局部放大图，也即图6(a)在A处的局部放大图，从现场的实际投射效果中可以看出，激光三角的每个角点都处在测试靶点的中心，这表明本发明的基于光敏传感器21的激光振镜标定方法在本次具体实施案例中取得了良好的标定效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统，其特征在于：包括激光振镜扫描装置、光敏传感装置、靶点设置装置和总控装置；所述激光振镜扫描装置包括激光发射器(11)、准直扩束装置(12)、聚焦装置(13)和二维振镜扫描头(14)；所述光敏传感装置包括光敏传感器(21)和光学分光聚焦装置；所述靶点设置装置包括平移机构(31)，所述平移机构(31)上连接有布置若干反光靶点的投影截面(32)，所述反光靶点的空间坐标由摄影测量设备(33)测量；所述总控装置包括控制板(41)和电脑主机(42)，所述控制板(41)用于协同控制二维振镜扫描头(14)、激光发射器(11)、聚焦装置(13)、光敏传感器(21)和平移机构(31)；所述光敏传感器(21)响应由激光发射器(11)发射并经投影截面(32)反射后的激光束信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统，其特征在于：所述摄影测量设备(33)为一次测量投影截面(32)上多个反光靶点空间坐标的测量设备。

3.根据权利要求1所述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统，其特征在于：所述光学分光聚焦装置包括滤镜(22)、聚焦镜(23)和分光镜(24)。

4.根据权利要求1所述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统，其特征在于：所述平移机构(31)包括驱动电机，所述驱动电机的输出端连接有螺杆，所述螺杆上连接有夹具，所述夹具下方设有导轨，所述夹具用于固定投影截面(32)。

5.根据权利要求1所述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定系统，其特征在于：若干所述反光靶点均为玻璃微珠反光点。

6.一种基于光敏传感器的激光振镜标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据激光振镜扫描装置标定范围的大小，选取合适大小的投影截面，并在上面布置N个圆形反光靶点；

步骤二、将布置有反光靶点的投影截面固定在平移机构上，使得投影截面可以精准地平移到M个等间隔设定的位置；

步骤三、利用摄影测量设备测量出M个设定位置处投影截面上所有反光靶点的空间坐标；

步骤四、控制激光振镜扫描装置投射出一个能够覆盖住整个投影截面的激光网格线，光敏传感器响应网格线扫过反光靶点时的反射激光束信号，并记录此时二维振镜扫描头的粗略控制数字信号，进而获得投影截面上所有反光靶点的粗略扫描位置信息；

步骤五、以步骤四中每个反光靶点粗略扫描位置为中心，控制激光振镜扫描装置投射出一个仅能覆盖反光靶点的激光网格线，根据光敏传感器对反射激光束信号的响应，记录激光扫过每个反光靶点时二维振镜扫描头对应的精确控制数字信号，再根据这些数字信号估算出每个反光靶点的精确扫描位置信息；

步骤六、借助步骤四和步骤五获得M个设定位置处投影截面上每个反光靶点的精确扫描位置信息，进而获得激光振镜扫描装置的初始标定数据；

步骤七、对于M个设定位置处的投影截面，根据步骤六获得的初始标定数据求解出二维振镜扫描头的精确控制数字信号与该投影截面上任意一点的空间坐标之间的映射关系；

步骤八、对于给定的数字信号，根据步骤七得到的映射关系，可在任意投影截面上找到对应光斑点的空间坐标，进而M个设定位置可获得给定的数字信号所对应的出射激光束上的M个空间点的坐标，根据M个空间点的坐标拟合出给定的数字信号所对应出射光的空间向量；

步骤九、给定一定数量的数字信号，根据步骤八可获得每个数字信号所对应的出射光的空间向量，进而获得激光振镜扫描装置的最终标定数据，再根据最终标定数据求解出二维振镜扫描头的精确控制数字信号与其对应的出射光空间向量之间的映射关系，完成激光振镜扫描装置的标定。

7.根据权利要求6所述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定方法，其特征在于：步骤三中先利用摄影测量设备测量出任意两个设定位置处投影截面上反光靶点的空间坐标，再通过这两组反光靶点的空间坐标计算出投影截面平移的方向向量，最后借助该方向向量计算出其它设定位置处投影截面上反光靶点的空间坐标。

8.根据权利要求6所述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定方法，其特征在于：步骤四和步骤五中的反射激光束信号从二维振镜扫描头中原路返回，并依次经过分光镜、聚焦镜和滤镜后被光敏传感器响应。

9.根据权利要求6所述的一种基于光敏传感器的激光振镜标定方法，其特征在于：在进行步骤四之前，预先由激光发射器发射激光，通过调节聚焦装置使得激光投射在投影截面上形成的光斑点的尺寸最小。

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