CN112666703A - 基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影系统及其方法 - Google Patents
基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影系统及其方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影系统及其方法，基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影系统包括多个激光振镜系统和总控装置，所述激光振镜系统包括激光振镜扫描装置和光敏传感装置；所述激光振镜扫描装置包括激光发射器、二维振镜扫描头、准直扩束装置和聚焦装置；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多个激光振镜扫描装置与多个光敏传感装置；所述光敏传感器响应由激光发射器发射后反射回的激光束信号。本发明具有能高效、便捷地完成大范围空间曲线的激光定位投影任务的优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光投影技术领域，特别是一种基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影系统及其方法。
背景技术
激光振镜三维（3D）曲线定位投影技术能够凭借激光良好的准直性和方向性，通过振镜的高速偏转控制激光束快速经过空间中一系列的指定点位置，再利用人眼视觉暂留效应形成完整画面。该投影技术可以把CAD（computer aided design）数模中设计好的3D曲线信息，按照按1：1的比例精确投影到空间中的相应位置上，从而将产品的数字化设计信息直接的显示在真实的产品制造现场，是数字化制造、检测领域内的一项重要技术。由于单台激光振镜投影设备的范围有限，当待投影目标是大尺寸的空间曲线时则需要多台振镜设备联合投影，特别是该技术在大型装备制造领域的应用中，例如宽体大飞机的机翼复材铺层定位、机身筒段装配定位，多台振镜投影设备协同工作是常态化的应用需求。
由于激光振镜自身并不具备获取外界空间位置信息的能力，导致激光振镜在与待投影目标物体进行空间位置对齐过程中通常需要借助第三方测量系统（例如激光跟踪仪、视觉测量系统）。借助第三方测量系统的测量功能，将激光振镜与目标物体统一到测量系统坐标系下，从而间接实现激光振镜与目标物体的位置对齐。然而这种间接对齐方式不仅会大幅度降低振镜的使用效率，而且由于第三方测量系统测量范围的限制，不利于实现多个激光振镜与目标物体间的联合定位。为了更加便捷的利用激光振镜实现目标空间曲线的激光定位投影，亟需研发一种新的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影系统及其方法，使其在不借助第三方测量系统的情况下能直接实现多个激光振镜与目标物体间的联合定位，投影出整个目标曲线。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影系统及其方法。它具有能高效、便捷地完成大范围空间曲线的激光定位投影任务的优点。
本发明的技术方案：本发明的一种基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影系统，包括多个激光振镜系统和总控装置，所述激光振镜系统包括激光振镜扫描装置和光敏传感装置；所述激光振镜扫描装置包括激光发射器、二维振镜扫描头、准直扩束装置和聚焦装置；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多个激光振镜扫描装置与多个光敏传感装置；所述光敏传感器响应由激光发射器发射后反射回的激光束信号。
与现有技术相比，本发明投影系统的有益效果体现在：本发明在传统激光振镜系统中增设光敏传感装置，使得激光振镜系统只需要通过扫描待投影物体表面的反光定位点就可以实现与目标物体间的位置对齐，从而可以方便、高效的完成多个激光振镜系统与目标对象间联合定位，方便对大尺寸目标曲线进行投影区域划分与投影控制点规划，从而同时控制多个激光振镜系统完成对整个目标曲线的定位投影，适合大范围空间曲线的激光定位投影作业。
本发明的一种基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法，包括以下步骤：
步骤一、对参与目标曲线投影的多个激光振镜系统进行标定，并将标定结果保存；
步骤二、在目标曲线周围布置若干反光靶点，测量出反光靶点在目标曲线坐标系中的空间位置，并保存所有反光靶点的空间坐标；
步骤三、控制各个激光振镜系统对投影范围内的反光靶点进行扫描，获得扫描激光束通过反光靶点中心位置处时所对应的振镜控制信号；
步骤四、根据步骤一中振镜的标定结果与步骤三中获得的振镜控制信号，求解出各个激光振镜系统与目标曲线间的位置关系；
步骤五、根据各个激光振镜系统的投影范围与目标曲线的曲率信息对整个目标曲线进行投影区域划分；
步骤六、对各个激光振镜系统投影范围内的目标曲线，根据其曲率信息与投影精度的要求，设置直线插补投影过程中所需的多个投影控制点；
步骤七、根据设置好的投影控制点，控制所有参与投影的激光振镜系统按照直线插补形式对各自区域内的目标曲线进行激光定位投影，完成整个目标曲线的定位投影。
与现有技术相比，本发明投影方法的有益效果体现在：通过借助激光振镜系统中增设的光敏传感装置与事先标定好的振镜标定结果，来获取投射到目标物体表面反光定位点上的激光束的光路几何信息，从而求解出激光振镜系统与目标物体间的位置关系，在此基础上，本发明可以实现多个激光振镜与目标物体间的位置对齐，再根据目标物表面空间曲线的曲率信息与各个振镜的投影范围，本发明对待投影的大尺寸目标空间曲线进行了投影区域的划分与投影控制点的规划，最后根据规划好的投影控制点同时控制所有参与投影的激光振镜系统完成整个目标曲线的激光定位投影，适合高效、便捷地完成大范围空间曲线的激光定位投影任务。
前述的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法中，步骤三包括子步骤a和子步骤b，其中：
子步骤a、控制激光振镜系统使其投射出的激光光斑落在其扫描范围内的反光靶点附近，并记录此时激光振镜系统的数字控制信号；
子步骤b、以子步骤a的数字控制信号所对应的激光光斑为中心规划出一个边长为r的正方形扫描区域，对此区域内的反光靶点进行激光扫描，扫描到反光靶点的激光束原路返回与激光振镜系统内的光敏传感器发生响应，记录发生响应时激光振镜系统的数字控制信号，通过这些数字控制信号估算出投射到反光靶点中心时所需要的振镜数字控制信号。
前述的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法中，步骤四结束后，将各个激光振镜系统中投影范围内的多个子目标曲线合并为一个整体的目标曲线，比较合并后目标曲线的覆盖范围与原目标曲线的覆盖范围，调整激光振镜系统的数量。
前述的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法中，对于步骤六中的任一投影控制点，根据其对应的激光振镜系统标定结果、步骤四中的位置关系与该投影控制点在目标曲线坐标系下的空间坐标，求解出对应的激光振镜系统将激光投射到该投影控制点所需要输入的数字控制信号。
前述的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法中，子步骤b中在边长为r的正方形扫描区域内，以激光网格线的形式对处在该区域内的反光靶点进行扫描，当有网格线扫过反光靶点时，激光束原路返回使得激光振镜系统内的光敏传感器发生响应。
前述的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法中，当合并后目标曲线的覆盖范围小于原目标曲线的覆盖范围时，则逐个增加激光振镜系统，每增加一个激光振镜系统，求解出其与目标曲线间的位置关系。
前述的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法中，步骤六中任意两相邻投影控制点之间的实际曲线段与激光振镜系统按照直线插补形式投影出的激光曲线段间的最大距离误差均满足投影精度的要求。
附图说明
图1是本发明投影系统的硬件结构示意图；
图2是激光振镜系统的硬件结构示意图；
图3是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4是本发明中单个激光振镜系统与待投影目标物体空间位置对齐的原理示意图；
图5是本发明基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法的一个具体实施例中待投影物体与目标曲线的CAD数模图；
图6是本发明基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法的一个具体实施例中由两个激光振镜系统联合完成的目标曲线激光定位投影效果图。
附图标记：1-激光振镜系统，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：基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影系统，结构如图1和图2所示，包括多个激光振镜系统1和总控装置，所述激光振镜系统1包括激光振镜扫描装置和光敏传感装置；所述激光振镜扫描装置包括激光发射器11、二维振镜扫描头14、准直扩束装置12和聚焦装置13；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用于协同控制多个激光振镜扫描装置与多个光敏传感装置；所述光敏传感器21响应由激光发射器11发射后反射回的激光束信号。
激光振镜系统的标定借助基于光敏传感器的激光振镜标定系统，硬件结构如图3所示，包括激光振镜扫描装置、光敏传感装置、靶点设置装置；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；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。
激光振镜系统的标定按以下步骤进行：
步骤A、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X个圆形反光靶点；
步骤B、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X个等间隔设定的位置；
步骤C、利用摄影测量设备测量出X个设定位置处投影截面上所有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D、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；
步骤E、以步骤D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的精确扫描位置信息；
步骤D和步骤E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F、借助步骤D和步骤E获得X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G、对于各个设定位置处的投影截面32，根据步骤F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与该投影截面32上任意一点的空间坐标之间的映射关系；
步骤H、对于给定的数字信号，根据步骤G得到的映射关系，可在任意投影截面32上找到对应光斑点的空间坐标，进而X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X个空间点的坐标，再根据X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I、给定一定数量的数字信号，根据步骤H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
，完成激光振镜扫描装置的标定。
基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法，包括以下步骤：
步骤一、对参与目标曲线C投影的多个激光振镜系统进行标定，获得激光振镜扫描装置的数字控制信号D与其所对应出射光在振镜标定坐标系下的空间向量V之间的映射关系；
步骤二、在目标曲线C周围布置若干反光靶点，借助高精度的测量设备对布置在目标曲线C周围的反光靶点的空间位置进行测量，获得反光靶点在目标曲线C坐标系下（
坐标系）的空间点坐标
，N为反光靶点的总数；
步骤三、控制某个激光振镜系统使其投射出的激光光斑落在其扫描范围内的反光靶点附近，并记录此时激光振镜扫描装置的数字控制信号为
；
以数字控制信号
所对应的激光光斑为中心规划出一个边长为r的正方形扫描区域，在此区域内以激光网格线的形式对处在该区域内的反光靶点进行扫描，当有网格线扫过反光靶点时，激光束原路返回使得激光振镜系统内的光敏传感器发生响应，并记录发生响应时激光振镜扫描装置的数字控制信号，通过这些数字控制信号估算出投射到反光靶点中心时所需要的振镜数字控制信号
；
步骤四、借助步骤一的标定结果获得步骤三中振镜数字控制信号
所对应的出射激光束的空间向量
，并通过这些反光靶点在目标曲线C坐标系下的空间坐标
与其在振镜标定坐标系下的空间向量
，求解出该激光振镜系统与目标曲线C之间的位置关系；
重复步骤四，将所有参与投影的激光振镜系统统一到目标曲线C的
坐标系下；单个激光振镜系统与待投影目标物体空间位置对齐的原理示意图如图4所示；
找到属于第
（M为参与投影的激光振镜系统个数）个激光振镜系统投影范围内的子目标曲线，记为
，然后将所有
合并为一个整体的目标曲线
，若
的覆盖范围小于原目标曲线C，则表明参与投影的激光振镜系统数量不足，此时逐个增加激光振镜系统，每增加一个激光振镜系统，将新加入的激光振镜系统也统一到目标曲线C的坐标系下，直至目标曲线
的覆盖范围大于等于原目标曲线C；
步骤五、根据各个激光振镜系统的投影范围与目标曲线的曲率信息对整个目标曲线进行投影区域划分，划分多个子目标曲线
；
步骤六、对单个激光振镜系统投影区域内的子目标曲线
，按照其曲率信息与投影定位误差要求设置投影控制点
（
为子目标曲线
的投影控制点总数），使得任意两相邻投影控制点
与
间的实际曲线段与激光振镜系统按照直线插补形式投影出的激光曲线段间的最大距离误差小于要求的最大定位误差；
完成所有激光振镜系统投影范围内的子目标曲线投影控制点的设置，构成M个投影控制点集合
；
对于任意一个投影控制点
，根据其对应的激光振镜系统标定结果、步骤四中的位置关系与该投影控制点在目标曲线C坐标系下的空间坐标，求解出对应的激光振镜系统将激光投射到该投影控制点所需要输入的数字控制信号，从而构成M个数字控制信号集合
；
步骤七、对于第j个激光振镜系统，根据步骤六中求解出的
，按照直线插补形式完成该激光振镜系统投影范围内的子目标曲线
的激光定位投影，同时控制所有参与投影的激光振镜系统完成其对应子目标曲线的激光定位投影，实现多个激光振镜系统联合投影出整个目标曲线C。
本发明一种具体实施例如下：
如图5所示，以一个多面体作为投影目标对象，在该对象表面选取两个五边形作为目标空间曲线实施激光定位投影操作。由于选取的两个五边形所在平面的法矢夹角过大，采用单个激光振镜系统很难同时保证两段目标曲线的定位投影效果。因此本实施例中将采用两个激光振镜系统从两个不同的方向对目标曲线进行投影操作，按照本发明提供的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法完成这两个激光振镜系统与多面体的位置对齐与各自激光振镜系统投影范围内的目标曲线激光定位投影，定位投影效果如图6所示。
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 (8)
1.基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影系统，其特征在于，包括多个激光振镜系统（1）和总控装置，所述激光振镜系统（1）包括激光振镜扫描装置和光敏传感装置；所述激光振镜扫描装置包括激光发射器（11）、二维振镜扫描头（14）、准直扩束装置（12）和聚焦装置（13）；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）用于协同控制多个激光振镜扫描装置与多个光敏传感装置；所述光敏传感器（21）响应由激光发射器（11）发射后反射回的激光束信号。
2.基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对参与目标曲线投影的多个激光振镜系统进行标定，并将标定结果保存；
步骤二、在目标曲线周围布置若干反光靶点，测量出反光靶点在目标曲线坐标系中的空间位置，并保存所有反光靶点的空间坐标；
步骤三、控制各个激光振镜系统对投影范围内的反光靶点进行扫描，获得扫描激光束通过反光靶点中心位置处时所对应的振镜控制信号；
步骤四、根据步骤一中振镜的标定结果与步骤三中获得的振镜控制信号，求解出各个激光振镜系统与目标曲线间的位置关系；
步骤五、根据各个激光振镜系统的投影范围与目标曲线的曲率信息对整个目标曲线进行投影区域划分；
步骤六、对各个激光振镜系统投影范围内的目标曲线，根据其曲率信息与投影精度的要求，设置直线插补投影过程中所需的多个投影控制点；
步骤七、根据设置好的投影控制点，控制所有参与投影的激光振镜系统按照直线插补形式对各自区域内的目标曲线进行激光定位投影，完成整个目标曲线的定位投影。
3.根据权利要求2所述的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法，其特征在于：步骤三包括子步骤a和子步骤b，其中：
子步骤a、控制激光振镜系统使其投射出的激光光斑落在其扫描范围内的反光靶点附近，并记录此时激光振镜系统的数字控制信号；
子步骤b、以子步骤a的数字控制信号所对应的激光光斑为中心规划出一个边长为r的正方形扫描区域，对此区域内的反光靶点进行激光扫描，扫描到反光靶点的激光束原路返回与激光振镜系统内的光敏传感器发生响应，记录发生响应时激光振镜系统的数字控制信号，通过这些数字控制信号估算出投射到反光靶点中心时所需要的振镜数字控制信号。
4.根据权利要求2所述的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法，其特征在于：步骤四结束后，将各个激光振镜系统中投影范围内的多个子目标曲线合并为一个整体的目标曲线，比较合并后目标曲线的覆盖范围与原目标曲线的覆盖范围，调整激光振镜系统的数量。
5.根据权利要求2所述的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法，其特征在于：对于步骤六中的任一投影控制点，根据其对应的激光振镜系统标定结果、步骤四中的位置关系与该投影控制点在目标曲线坐标系下的空间坐标，求解出对应的激光振镜系统将激光投射到该投影控制点所需要输入的数字控制信号。
6.根据权利要求3所述的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法，其特征在于：子步骤b中在边长为r的正方形扫描区域内，以激光网格线的形式对处在该区域内的反光靶点进行扫描，当有网格线扫过反光靶点时，激光束原路返回使得激光振镜系统内的光敏传感器发生响应。
7.根据权利要求4所述的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法，其特征在于：当合并后目标曲线的覆盖范围小于原目标曲线的覆盖范围时，则逐个增加激光振镜系统，每增加一个激光振镜系统，求解出其与目标曲线间的位置关系。
8.根据权利要求2所述的基于多个激光振镜的空间曲线联合定位投影方法，其特征在于：步骤六中任意两相邻投影控制点之间的实际曲线段与激光振镜系统按照直线插补形式投影出的激光曲线段间的最大距离误差均满足投影精度的要求。
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Denomination of invention: A Space Curve Joint Positioning and Projection System Based on Multiple Laser Mirrors and Its Method Effective date of registration: 20231212 Granted publication date: 20210604 Pledgee: Zhejiang Tailong Commercial Bank Co.,Ltd. Ningbo Branch Pledgor: Light information technology (Ningbo) Co.,Ltd. Registration number: Y2023980070636 |
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