CN112729245B - 一种自动瞄准投点器及投点方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动瞄准投点器及投点方法，利用两个步进电机分别控制投点器的俯仰角和水平角，在接收到电脑发送的控制指令之后，编码器发送对应的控制指令给电机，控制两个角度的分别旋转，从而完成被测点的自动瞄准；然后对双目工业摄影测量系统与投点器之间的坐标转换关系进行了标定，实现了投点器坐标系与双目摄影测量坐标系之间的转换。本发明通过增加步进电机控制投点器的水平角和俯仰角，实现其自动旋转，同时通过标定算法，完成投点器坐标系与双目摄影测量坐标系的标定，使其可按照双目摄影测量系统的测量数据，自动瞄准目标测量点，具有较好的实用性。

Description

一种自动瞄准投点器及投点方法

技术领域

本发明属于数字化测量的技术领域，具体涉及一种自动瞄准投点器及投点方法。

背景技术

随着现代工业领域对产品精度要求越来越高，高精度数字化测量系统/设备被广泛应用于产品的加工、装配、检测过程中，其所提供的高精度、可靠的数据实时反馈，为工艺和设计优化提供了可靠的数据支撑，保障了产品的使用性能和安全性。在航空航天、船舶等大尺寸制造领域工业摄影测量技术由于测量精度高、测量速度快、测量精度对环境影响不敏感、可同时测量多个目标点、采样密度大、测量范围大等优点，目前越来越多的应用于大型工装标定、大尺寸测量等场合。其中，基于双目立体视觉的工业双目摄影测量系统在对空间单点/多点测量、动态目标测量中发挥着越来越重要的作用。

在使用工业双目摄影测量系统对空间固定点的坐标值进行测量时，要求必须粘贴标识点。在大尺寸范围测量或现场工况比较复杂时，需要消耗大量的人工操作，带来极大不便。鉴于此，当前市场上开发了单点投点器，通过向零件表面投射高强度光斑以替代人工粘贴标识点，以此实现减轻劳动量的目的。

但当前市场上的投点器，全都需要人工对被测目标进行瞄准，调整时间长，劳动强度大，降低了测量效率。因此，本发明提出一种自动瞄准投点器，并对其工作原理与调整方法进行了阐述。该发明可实现测量目标点的自动瞄准，以减少人工操作的工作强度，提升测量的整体效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动瞄准投点器，通过第一步进电机、第二步进电机实现智能精准的控制投点器的投点位置，具有较好的实用性。

本发明的目的还在于提供一种自动瞄准投点方法，在双目摄影测量时，投点器投射角度的自动计算与调整，从而提升测量效率的，降低人工成本。本发明克服了当前单点投点器需要人工对被测目标进行瞄准，调整时间长，劳动强度大，降低了测量效率的问题。

本发明主要通过以下技术方案实现：

一种自动瞄准投点器，包括支撑平台、投点器、第一电机解码器、第二电机解码器、第一步进电机、第二步进电机，所述支撑平台上设置有第一步进电机，所述步进电机驱动投点器绕水平轴转动；所述支撑平台的底部设置有第二步进电机，所述第二步进电机驱动支撑平台绕纵向轴转动；所述第一电机解码器、第二电机解码器分别与第一步进电机、第二步进电机连接。

本发明在使用过程中，利用两个步进电机分别控制投点器的俯仰角和水平角，在接收到电脑发送的控制指令之后，编码器发送对应的控制指令给电机，控制电机两个角度的分别旋转，从而完成被测点的自动瞄准；然后对双目工业摄影测量系统与投点器之间的坐标转换关系进行了标定，实现了投点器坐标系与双目摄影测量坐标系之间的转换；最后，建立了自动瞄准投点器的工作流程，这样就完成了自动瞄准投点器在测量现场的自动工作。

本发明主要通过以下技术方案实现：

一种自动瞄准投点方法，采用上述的投点器进行投点，对投点器和双目摄影测量系统的坐标系进行标定，实现投点器坐标系与双目摄影测量坐标系的转换，得到旋转矩阵R和平移向量T；在测量过程中，对于需要瞄准在摄影测量坐标系下的一点P_i：

求解公式可求得P_i在投点器坐标系下的坐标值；

通过求解下式，即可得到P_i对应的θ_ZE、θ_AZ：

到P_i对应的θ_ZE、θ_AZ即可获取两个步进电机的旋转量：

第一步进电机脉冲个数：N＝(θ_AZ×360°)/γ；

第二步进电机脉冲个数：N＝(θ_ZE×360°)/γ；

其中，γ为步进电机的步距角。

为了更好地实现本发明，进一步地，通过四个初始点实现双目摄影测量系统和投点器的坐标系的配准，从而使摄影测量坐标系下的目标测量点坐标值可转到投点器坐标系下；四个初始点分别为P₁-P₄点：

当θ_AZ＝0°，θ_ZE＝90°，则对应双目摄影测量系统坐标下的点P₁，且投点器转角保持静止，延长距离至l₂得到点P₂；当θ_AZ＝90°，θ_ZE＝0°，则对应双目摄影测量系统坐标下的点P₃，且投点器转角保持静止，延长距离至l₄得到点P₄。

为了更好地实现本发明，进一步地，双目摄影测量系统测量的点P在投点器坐标系下对应的坐标值为：

P'＝[X′ Y′ Z′]^T (2)

P点在投点器坐标系和双目摄影测量坐标系下的转换关系为：

P＝R·P′+T (4)

T＝[T_x T_y T_z]^T (6)

其中，l为投点器中心至目标点的距离，θ_AZ为水平转角，θ_ZE为竖直转角。

为了更好地实现本发明，进一步地，控制电机调整竖直转角到90°，即θ_AZ＝0°，θ_ZE＝90°，则对应点P₁，P₁坐标值为：

双目摄影测量系统采集在摄影测量坐标系下P₁的坐标值为P₁＝(X₁,Y₁,Z₁)^T，有：

投点器转角保持静止，延长距离至l₂，对应，则有点P₂：

由于P₁，P₂在双目摄影测量坐标系下的坐标值已知，则：

进一步计算有，

此外P₁，P₂之间的距离可表示为：

求得：

控制电机调整水平转角到90°，即θ_AZ＝90°，θ_ZE＝0°，则对应的某点P₃在投点器坐标系下的坐标值为：

双目摄影测量系统采集在摄影测量坐标系下P₃的坐标值为P₃＝(X₃,Y₃,Z₃)^T；

投点器转角保持静止，延长距离至l₄，对应有点P₄：

由于P₃，P₄在双目摄影测量坐标系下的坐标值已知，则联立公式(15)、(16)得：

P₃，P₄之间的距离可表示为：

进一步计算得到：

以上P₁-P₄四点还有以下关系：

求解上式得到l₁，l₂，l₃，l₄。

求解公式(8)即可求得R、T，即完成投点器坐标系与双目摄影测量坐标系的标定。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过增加步进电机控制投点器的水平角和俯仰角，实现其自动旋转，同时通过标定算法，完成投点器坐标系与双目摄影测量坐标系的标定，使其可按照双目摄影测量系统的测量数据，自动瞄准目标测量点，具有较好的实用性。

(2)本发明开发了投点器坐标系与摄影测量坐标系的配准方法，通过四个初始点完成两坐标系的配准，从而能使摄影测量坐标系下的目标测量点坐标值可转到投点器坐标系下，进而实现投点器水平角和俯仰角的计算，具有较好的实用性。

附图说明

图1为发明的原理图；

图2为投点器坐标系与摄影测量坐标系配准的示意图。

其中：1.计算机，2.第一电机解码器，5.第二电机解码器，6.第二步进电机，7.投点器，8.支撑平台，9.第一步进电机。

具体实施方式

实施例1：

一种自动瞄准投点器，如图1所示，包括支撑平台8、投点器7、第一电机解码器2、第二电机解码器5、第一步进电机9、第二步进电机6，所述支撑平台8上设置有第一步进电机9，所述步进电机驱动投点器7绕水平轴转动；所述支撑平台8的底部设置有第二步进电机6，所述第二步进电机6驱动支撑平台8绕纵向轴转动；所述第一电机解码器2、第二电机解码器5分别与第一步进电机9、第二步进电机6连接。

如图1所示，本发明在使用过程中，利用两个步进电机分别控制投点器7的俯仰角和水平角，在接收到电脑发送的控制指令之后，编码器发送对应的控制指令给电机，控制电机两个角度的分别旋转，从而完成被测点的自动瞄准；然后对双目工业摄影测量系统与投点器7之间的坐标转换关系进行了标定，实现了投点器7坐标系与双目摄影测量坐标系之间的转换；最后，建立了自动瞄准投点器7的工作流程，这样就完成了自动瞄准投点器7在测量现场的自动工作。

本发明通过增加步进电机控制投点器7的水平角和俯仰角，实现其自动旋转，同时通过标定算法，完成投点器7坐标系与双目摄影测量坐标系的标定，使其可按照双目摄影测量系统的测量数据，自动瞄准目标测量点，具有较好的实用性。

实施例2：

一种自动瞄准投点方法，采用上述的投点器7进行投点，对投点器7和双目摄影测量系统的坐标系进行标定，实现投点器7坐标系与双目摄影测量坐标系的转换，得到R、T；在测量过程中，对于需要瞄准在摄影测量坐标系下的一点P_i：

求解公式可求得P_i在投点器7坐标系下的坐标值；

通过求解下式，即可得到P_i对应的θ_ZE、θ_AZ：

到P_i对应的θ_ZE、θ_AZ即可获取两个步进电机的旋转量：

第一步进电机9脉冲个数：N＝(θ_AZ×360°)/γ；

第二步进电机6脉冲个数：N＝(θ_ZE×360°)/γ；

其中，γ为步进电机的步距角。

本发明通过增加步进电机控制投点器7的水平角和俯仰角，实现其自动旋转，同时通过标定算法，完成投点器7坐标系与双目摄影测量坐标系的标定，使其可按照双目摄影测量系统的测量数据，自动瞄准目标测量点，具有较好的实用性。

实施例3：

本实施例是在实施例1或2的基础上进行优化，通过四个初始点实现双目摄影测量系统和投点器7的坐标系的配准，从而使摄影测量坐标系下的目标测量点坐标值可转到投点器7坐标系下；四个初始点分别为P₁-P₄点：

当θ_AZ＝0°，θ_ZE＝90°，则对应双目摄影测量系统坐标下的点P₁，且投点器7转角保持静止，延长距离至l₂得到点P₂；当θ_AZ＝90°，θ_ZE＝0°，则对应双目摄影测量系统坐标下的点P₃，且投点器7转角保持静止，延长距离至l₄得到点P₄。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例是在实施例2或3的基础上进行优化，双目摄影测量系统测量的点P在投点器7坐标系下对应的坐标值为：

P'＝[X′ Y′ Z′]^T (2)

P点在投点器7坐标系和双目摄影测量坐标系下的转换关系为：

P＝R·P′+T (4)

T＝[T_x T_y T_z]^T (6)

其中，l为投点器7中心至目标点的距离，θ_AZ为水平转角，θ_ZE为竖直转角。

进一步地，控制电机调整竖直转角到90°，即θ_AZ＝0°，θ_ZE＝90°，则对应点P₁，P₁坐标值为：

双目摄影测量系统采集在摄影测量坐标系下P₁的坐标值为P₁＝(X₁,Y₁,Z₁)^T，有：

投点器7转角保持静止，延长距离至l₂，对应，则有点P₂：

由于P₁，P₂在双目摄影测量坐标系下的坐标值已知，则：

进一步计算有，

此外P₁，P₂之间的距离可表示为：

求得：

控制电机调整水平转角到90°，即θ_AZ＝90°，θ_ZE＝0°，则对应的某点P₃在投点器7坐标系下的坐标值为：

双目摄影测量系统采集在摄影测量坐标系下P₃的坐标值为P₃＝(X₃,Y₃,Z₃)^T；

投点器7转角保持静止，延长距离至l₄，对应有点P₄：

由于P₃，P₄在双目摄影测量坐标系下的坐标值已知，则联立公式(15)、(16)得：

P₃，P₄之间的距离可表示为：

进一步计算得到：

以上P₁-P₄四点还有以下关系：

求解上式得到l₁，l₂，l₃，l₄；

求解公式(8)即可求得R、T，即完成投点器7坐标系与双目摄影测量坐标系的标定。

本实施例的其他部分与上述实施例2或3相同，故不再赘述。

实施例5：

一种自动瞄准投点方法，如图2所示，主要包括以下步骤：

步骤1：在图2中，自动瞄准投点器7在使用前需进行标定，实现投点器7坐标系与双目摄影测量坐标系的转换。

步骤2：双目摄影测量系统测量得到的数据为*txt点数据，包含了X、Y、Z三个坐标值，如对于空间任意点P可表示为，

P＝[X Y Z]^T (1)

步骤3：P点在投点器7坐标系下对应的坐标值可表示为

P'＝[X′Y′Z′]^T (2)

同时还可以表示

式中，l为投点器7中心至目标点的距离，θ_AZ为水平转角，θ_ZE为竖直转角。

步骤4：P点在投点器7坐标系和双目摄影测量坐标系下的转换关系可以表示为

P＝R·P′+T (4)

T＝[T_x T_y T_z]^T (6)

步骤5：开始测量后，将投点器7初始位置定义为θ_AZ＝θ_ZE＝0°，

步骤6：控制电机调整竖直转角到90°，即θ_AZ＝0°，θ_ZE＝90°，则对应的某点P₁在投点器7坐标系下的坐标值为

步骤7：双目摄影测量系统采集在摄影测量坐标系下P₁的坐标值为P₁＝(X₁,Y₁,Z₁)^T；

步骤8：根据公式(4)-(6)可得，

步骤9：投点器7转角保持静止，延长距离至l₂，则有

步骤10：由于P₁，P₂在双目摄影测量坐标系下的坐标值已知，联立公式(8)、(9)，则

步骤11：进一步计算有，

步骤12：此外P₁，P₂之间的距离可表示为

步骤13：因此可以求得

步骤14：控制电机调整水平转角到90°，即θ_AZ＝90°，θ_ZE＝0°，则对应的某点P₃在投点器7坐标系下的坐标值为

步骤15：双目摄影测量系统采集在摄影测量坐标系下P₃的坐标值为P₃＝(X₃,Y₃,Z₃)^T；

步骤16：根据公式(4)-(6)可得，

步骤17：投点器7转角保持静止，延长距离至l₄，则有

步骤18：由于P₃，P₄在双目摄影测量坐标系下的坐标值已知，联立公式(15)、(16)，则

步骤19：此外P₃，P₄之间的距离可表示为

步骤20：进一步计算有，

步骤21：此外，以上四点还有以下关系

步骤22：求解上式，即可得到l₁，l₂，l₃，l₄。

步骤23：求解公式(8)即可求得R、T，即完成投点器7坐标系与双目摄影测量坐标系的标定。

步骤24：在测量过程中，对于需要瞄准在摄影测量坐标系下的一点P_i

步骤25：此外，通过求解下式，即可得到P_i对应的θ_ZE、θ_AZ

步骤26：到P_i对应的θ_ZE、θ_AZ即可获取两个步进电机的旋转量

第一步进电机9脉冲个数：N＝(θ_AZ×360°)/γ，

第二步进电机6脉冲个数：N＝(θ_ZE×360°)/γ，

其中，γ为步进电机的步距角。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种自动瞄准投点方法，投点器进行投点，其特征在于，投点器包括支撑平台、投点器、第一电机解码器、第二电机解码器、第一步进电机、第二步进电机，所述支撑平台上设置有第一步进电机，所述步进电机驱动投点器绕水平轴转动；所述支撑平台的底部设置有第二步进电机，所述第二步进电机驱动支撑平台绕纵向轴转动；所述第一电机解码器、第二电机解码器分别与第一步进电机、第二步进电机连接；对投点器和双目摄影测量系统的坐标系进行标定，实现投点器坐标系与双目摄影测量坐标系的转换，得到旋转矩阵R和平移向量T；在测量过程中，对于需要瞄准在摄影测量坐标系下的一点P _i ：

求解公式可求得P _i 在投点器坐标系下的坐标值；

通过求解下式，即可得到P _i 对应的θ _ZE、θ _AZ：

到P _i 对应的θ _ZE、θ _AZ即可获取两个步进电机的旋转量：

第一步进电机脉冲个数：N=(θ _AZ×360°)/γ；

第二步进电机脉冲个数：N=(θ _ZE×360°)/γ；

其中，γ为步进电机的步距角；

通过四个初始点实现双目摄影测量系统和投点器的坐标系的配准，从而使摄影测量坐标系下的目标测量点坐标值可转到投点器坐标系下；四个初始点分别为P₁-P₄点：

当θ _AZ=0°，θ _ZE=90°，则对应双目摄影测量系统坐标下的点P₁，且投点器转角保持静止，延长距离至l ₂得到点P₂；当θ _AZ=90°，θ _ZE=0°，则对应双目摄影测量系统坐标下的点P₃，且投点器转角保持静止，延长距离至l ₄得到点P₄；

双目摄影测量系统测量的点P在投点器坐标系下对应的坐标值为：

(2)

(3)

P点在投点器坐标系和双目摄影测量坐标系下的转换关系为：

(4)

(5)

(6)

其中，l为投点器中心至目标点的距离，θ _AZ为水平转角，θ _ZE为竖直转角；

控制电机调整竖直转角到90°，即θ _AZ=0°，θ _ZE=90°，则对应点P₁，P₁坐标值为：

(7)

双目摄影测量系统采集在摄影测量坐标系下P₁的坐标值为P₁=(X₁,Y₁,Z₁)^T，有：

(8)

投点器转角保持静止，延长距离至l ₂，对应，则有点P₂：

(9)

由于P₁，P₂在双目摄影测量坐标系下的坐标值已知，则：

(10)

进一步计算有，

(11)

此外P₁，P₂之间的距离可表示为：

(12)

求得：

(13)

控制电机调整水平转角到90°，即θ _AZ=90°，θ _ZE=0°，则对应的某点P₃在投点器坐标系下的坐标值为：

(14)

双目摄影测量系统采集在摄影测量坐标系下P₃的坐标值为P₃=(X₃,Y₃,Z₃)^T；

(15)

投点器转角保持静止，延长距离至l ₄，对应有点P₄：

(16)

由于P₃，P₄在双目摄影测量坐标系下的坐标值已知，则联立公式（15）、（16）得：

(17)

P₃，P₄之间的距离可表示为：

(18)

进一步计算得到：

(19)

以上P₁-P₄四点还有以下关系：

求解上式得到l ₁，l ₂，l ₃，l ₄；

求解公式（5）即可求得R、求解公式（8）即可求得T，即完成投点器坐标系与双目摄影测量坐标系的标定。

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