CN112414310A - 三维激光跟踪测距装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维激光跟踪测距装置，包括支架、连接座、光学安装模组、图像采集装置和激光发射装置；支架顶部安装有朝第一方向转动的第一伺服旋转机构，连接座安装在第一伺服旋转机构上，第一伺服旋转机构上安装有第一光栅尺，连接座的侧壁上安装有朝第二方向转动的第二伺服旋转机构，第二方向与第一方向为垂直设置，光学安装模组设置在连接座的安装腔内并与第二伺服旋转机构连接，第二伺服旋转机构上安装有第二光栅尺，图像采集装置和激光发射装置分别安装在光学安装模组上，图像采集装置包括变焦镜头和相机，变焦镜头和相机分别安装在光学安装模组上。降低传统激光跟踪仪的成本，还摈弃了光学标签的使用，具有无标签，高精度，高效率的特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光跟踪测量领域，具体而言，涉及一种三维激光跟踪测距装置及方法。
背景技术
大型构件的三维测量一直是航空航天，船舶以及汽车等制造业的难题。虽然随着光学测量方法的进步，激光扫描和结构光快照三维成像等技术的成熟使得对大型构件的高密度三维点云获取与测量成为可能，然而大型构件三维扫描和测量中的数据拼接成为对大型构件三维尺寸测量的障碍。
传统的手持式三维扫描仪通过在被测构件上贴标签的方式完成数据的拼接，这使得不仅三维测量效率低下，在线测量无法实施，精度无法得到保证。成熟的激光跟踪仪只能测量少数位置，而且价格昂贵，也无法满足在线测量的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维激光跟踪测距装置，以解决上述的问题。
为了实现本发明的上述目的，采用以下技术方案：
一种三维激光跟踪测距装置，包括支架、连接座、光学安装模组、图像采集装置和激光发射装置；
所述支架顶部安装有朝第一方向转动的第一伺服旋转机构，所述连接座安装在所述第一伺服旋转机构上，所述第一伺服旋转机构上安装有第一光栅尺，所述连接座的侧壁上安装有朝第二方向转动的第二伺服旋转机构，所述第二方向与所述第一方向为垂直设置，所述光学安装模组设置在所述连接座的安装腔内并与所述第二伺服旋转机构连接，所述第二伺服旋转机构上安装有第二光栅尺，所述图像采集装置和所述激光发射装置分别安装在所述光学安装模组上，所述图像采集装置包括变焦镜头和相机，所述变焦镜头和所述相机分别安装在所述光学安装模组上。
进一步地，所述第一方向为水平方向，所述第二方向为竖直方向。
进一步地，所述变焦镜头采用液态变焦镜头。
进一步地，所述相机采用工业相机。
进一步地，所述激光发射装置包括一组两个激光光源和飞秒光频梳及对应的光学反射镜和分光镜。
进一步地，所述图像采集装置与所述激光发射装置的光轴平行。
进一步地，所述第一伺服旋转机构采用伺服电机。
进一步地，所述第二伺服旋转机构采用伺服电机。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种用于上述三维激光跟踪测距装置的测距方法，包括如下步骤：
1)将光学靶标置于所述图像采集装置视野内，并使所述激光发射装置正对光学靶标，拍摄所述光学靶标的图像作为参考图像；
2)当所述光学靶标移动时，驱动所述第一伺服旋转机构和所述第二伺服旋转机构跟踪光学靶标，使得所述图像采集装置的图像与所述参考图像匹配；
3)所述光学靶标移动到目标位置后停止，所述第一伺服旋转机构、所述第二伺服旋转机构以及所述变焦镜头通过调整，使得所述图像采集装置所获得的图像与参考图像匹配，此时，记录所述激光发射装置到所述光学靶标的距离为L1，所述第一光栅的数为θ1，所述第二光栅尺的读数为θ2；
4)通过以下公式获得光学靶标在测量场中的坐标值：
X＝L1*cosθ2*cosθ1
Y＝L1*cosθ2*sinθ1
Z＝L1*sinθ2。
进一步地，当所述光学靶标与所述变焦镜头镜头距离变化时，通过变更所述变焦镜头的焦距，保持所述光学靶标在图像中所占有的像素面积。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
使用时，通过固定光学靶标到图像采集装置之上，转换图像采集装置拍摄到的点云数据至光学靶标，使得图像采集装置获取的点云数据能够通过光学靶标统一到测量场中，从而完成数据拼接。
本发明引入视觉伺服技术与高精度激光测距技术融合，不仅大幅降低传统激光跟踪仪的成本，而且还摈弃了光学标签的使用，具有无标签，高精度，高效率的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。
图1为本发明提供的三维激光跟踪测距装置的结构示意图。
图2为本发明提供的连接座、光学安装模组、图像采集装置和激光发射装置的连接关系示意图。
图3为本发明提供的图像采集装置的结构示意图。
附图标记：1－支架；2－连接座；3－光学安装模组；4－图像采集装置；5－激光发射装置；6－第一伺服旋转机构；7－第一光栅尺；8－第二伺服旋转机构；9－第二光栅尺；41－变焦镜头；42－相机；10－光学靶标。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一：
如图1－图3所示，本申请的三维激光跟踪测距装置，包括支架1、连接座2、光学安装模组3、图像采集装置4和激光发射装置5；
支架1顶部安装有朝第一方向转动的第一伺服旋转机构6，连接座2安装在第一伺服旋转机构6上，第一伺服旋转机构6上安装有第一光栅尺7，第一光栅尺7用于测量第一伺服旋转机构6的角度位移信息，连接座2的侧壁上安装有朝第二方向转动的第二伺服旋转机构8，第二方向与第一方向为垂直设置，光学安装模组3设置在连接座2的安装腔内并与第二伺服旋转机构8连接，第二伺服旋转机构8上安装有第二光栅尺9，第二光栅尺9用于测量第二伺服旋转机构8的角度位移信息，图像采集装置4和激光发射装置5分别安装在光学安装模组3上，图像采集装置4包括变焦镜头41和相机42，变焦镜头41和相机42分别安装在光学安装模组3上。
具体地，第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向。
具体地，变焦镜头41采用液态变焦镜头。
具体地，相机42采用工业相机。
具体地，激光发射装置5包括一组两个激光光源和飞秒光频梳及对应的光学反射镜、分光镜。
具体地，图像采集装置4与激光发射装置5的光轴平行。
具体地，第一伺服旋转机构6采用伺服电机，连接座2安装在伺服电机的旋转轴上，带动连接座2在第一方向转动。
具体地，第二伺服旋转机构8采用伺服电机，光学安装模组3与伺服电机的旋转轴连接，带动光学安装模组3在第二方向转动。
实施例二：
本申请还提供了一种用于上述的三维激光跟踪测距装置的测距方法，包括如下步骤：
1)将光学靶标10置于图像采集装置4视野内，并使激光发射装置5正对光学靶标10，拍摄光学靶标10的图像作为参考图像；
2)当光学靶标10移动时，驱动第一伺服旋转机构6和第二伺服旋转机构8跟踪光学靶标10，使得图像采集装置4的图像与参考图像匹配；
3)光学靶标10移动到目标位置后停止，第一伺服旋转机构6、第二伺服旋转机构8以及变焦镜头41通过调整，使得图像采集装置4所获得的图像与参考图像匹配，此时，记录激光发射装置5到光学靶标10的距离为L1，第一光栅尺7的数为θ1，第二光栅尺9的读数为θ2；
4)通过以下公式获得光学靶标10在测量场中的坐标值：
X＝L1*cosθ2*cosθ1
Y＝L1*cosθ2*sinθ1
Z＝L1*sinθ2。
具体地，当光学靶标10与变焦镜头41距离变化时，通过变更变焦镜头41的焦距，保持光学靶标10在图像中所占有的像素面积。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种三维激光跟踪测距装置，其特征在于，包括支架、连接座、光学安装模组、图像采集装置和激光发射装置；
所述支架顶部安装有朝第一方向转动的第一伺服旋转机构，所述连接座安装在所述第一伺服旋转机构上，所述第一伺服旋转机构上安装有第一光栅尺，所述连接座的侧壁上安装有朝第二方向转动的第二伺服旋转机构，所述第二方向与所述第一方向为垂直设置，所述光学安装模组设置在所述连接座的安装腔内并与所述第二伺服旋转机构连接，所述第二伺服旋转机构上安装有第二光栅尺，所述图像采集装置和所述激光发射装置分别安装在所述光学安装模组上，所述图像采集装置包括变焦镜头和相机，所述变焦镜头和所述相机分别安装在所述光学安装模组上。
2.根据权利要求1所述的三维激光跟踪测距装置，其特征在于，所述第一方向为水平方向，所述第二方向为竖直方向。
3.根据权利要求1所述的三维激光跟踪测距装置，其特征在于，所述变焦镜头采用液态变焦镜头。
4.根据权利要求1所述的三维激光跟踪测距装置，其特征在于，所述相机采用工业相机。
5.根据权利要求1所述的三维激光跟踪测距装置，其特征在于，所述激光发射装置包括一组两个激光光源和飞秒光频梳及对应的光学反射镜、分光镜。
6.根据权利要求1所述的三维激光跟踪测距装置，其特征在于，所述图像采集装置与所述激光发射装置的光轴平行。
7.根据权利要求1所述的三维激光跟踪测距装置，其特征在于，所述第一伺服旋转机构采用伺服电机。
8.根据权利要求1所述的三维激光跟踪测距装置，其特征在于，所述第二伺服旋转机构采用伺服电机。
9.一种用于权利要求1－8中任一项所述的三维激光跟踪测距装置的测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将光学靶标置于所述图像采集装置视野内，并使所述激光发射装置正对光学靶标，拍摄所述光学靶标的图像作为参考图像；
2)当所述光学靶标移动时，驱动所述第一伺服旋转机构和所述第二伺服旋转机构跟踪光学靶标，使得所述图像采集装置的图像与所述参考图像匹配；
3)所述光学靶标移动到目标位置后停止，所述第一伺服旋转机构、所述第二伺服旋转机构以及所述变焦镜头通过调整，使得所述图像采集装置所获得的图像与参考图像匹配，此时，记录所述激光发射装置到所述光学靶标的距离为L1，所述第一光栅的数为θ1，所述第二光栅尺的读数为θ2；
4)通过以下公式获得光学靶标在测量场中的坐标值：
X＝L1*cosθ2*cosθ1
Y＝L1*cosθ2*sinθ1
Z＝L1*sinθ2。
10.根据权利要求9所述的测距方法，其特征在于，当所述光学靶标与所述变焦镜头镜头距离变化时，通过变更所述变焦镜头的焦距，保持所述光学靶标在图像中所占有的像素面积。
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