CN112731288A - 线结构激光面的非参数模型标定方法及其标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于旋转激光测量定位系统的线结构激光面非参数模型标定装置及其标定方法，包括精密二轴转台和大理石平台；在所述精密二轴转台上由下至上依次固装有高精度可调节基座和激光发射装置；所述激光发射装置包括匀速旋转平台和1个或多个线结构激光器，所述大理石平台上固定有光电信号接收装置和信号处理装置；通过调整所述高精度可调节基座的高度，使所述激光发射装置的原点与所述精密二轴转台的原点基本重合。本发明通过建立激光面旋转时间与空间标准角度的直接映射，得到待标定激光面的标准数据映射表，克服了激光面面型难以采用准确参数模型进行拟合的困难，对多基站空间测量定位系统的发展具有重要意义。

Description

线结构激光面的非参数模型标定方法及其标定装置

技术领域

本发明涉及多基站空间测量定位系统，具体涉及一种旋转激光测量定位系统的线结构激光面的非参数模型标定方法及其标定装置。

背景技术

旋转激光测量定位系统是已被成熟应用于航天、航空、造船以及虚拟现实等领域，基于光面交会原理的一种空间三维坐标测量定位系统。测量定位系统主要由线结构激光面发射装置、光电信号接收装置以及计算处理装置组成，其中发射装置在测量定位空间内多处布设，并配合相对应的接收装置对待测点进行定位测量。单个发射装置发射两束绕着转轴匀速旋转并带有一定倾斜的激光面对接收装置进行扫描，获取旋转激光面相对于旋转起点的时间间隔来进行测角定位，同时每当发射装置旋转到固定位置处向四周发射光脉冲作为同步标记，在被测空间内实现扫描，并结合多站间的方向定位参数解算接收装置所在位置处的空间坐标，为测量空间内的接收装置提供定位服务信号。在此类大尺寸测量方法中，CN102374847B公开了一种工作空间六自由度位姿动态测量设备及方法，该技术使用旋转激光扫描进行空间测量定位，而且利用的是空间多基站的理想平面特征交会机制进行精密定位。CN106227245B公开了一种利用二轴转台跟踪精度的电致伸缩微动结构及其控制方法，其根据角度位置计算俯仰角信息和回转角信息，再根据俯仰角和回转角与电致伸缩元件伸缩量的关系，进行计算。

而在实际应用中，发射装置中线结构激光器在加工及装配过程中产生的误差会导致激光面发生变形，因此激光面不再符合原测量定位系统中的平面模型。由于激光面是旋转激光测量定位系统中角度交会的信息载体，因此光面模型与实际面型的贴合程度直接影响单个发射装置的测角精度，从而影响系统整体的定位性能。而且经研究发现，激光面的变形是复杂不规则的，难以采用确定的参数模型进行拟合。

因此，建立线结构激光面旋转时间-空间标准角度组成的非参标定模型对提高单个发射装置的测角精度进而提高系统测量定位性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有旋转激光测量定位系统发射装置激光面参数化模型及标定技术在应用中精度不高的问题，摆脱建立复杂参数模型对激光面面型进行拟合的限制，提供一种线结构激光面的非参数模型标定方法及其标定装置，建立激光面旋转时间-空间标准角度的直接映射，突破了参数模型对标定效果的限制，可行性好、成本低，可有效改善线结构激光面参数标定困难的现状。

为解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种适用于旋转激光测量定位系统的线结构激光面非参数模型标定装置，包括精密二轴转台和大理石平台；在所述精密二轴转台上由下至上依次固装有高精度可调节基座和激光发射装置；

所述高精度可调节基座的中心具有一竖直向上的螺纹柱用于与所述激光发射装置配合连接，且具有若干通孔用于与所述精密二轴转台配合连接；

所述激光发射装置包括匀速旋转平台，所述匀速旋转平台的侧壁上周向的安装有至少一个线结构激光器，所述线结构激光器能够随旋转平台一同旋转；

所述大理石平台上固定有光电信号接收装置和信号处理装置，所述光电信号接收装置位于所述激光发射装置的正对位置；所述信号处理装置与所述接收装置连接，用于处理接收到的激光信息获取所述线结构激光器的角度定位信息；

通过调整所述高精度可调节基座的高度，使所述激光发射装置的原点与所述精密二轴转台原点基本重合；其中，所述激光发射装置的原点是指所述匀速旋转平台的旋转轴与所述激光器发射轴线垂直相交产生的交点。

进一步的，所述匀速旋转平台的底部沿其中心轴线开设有孔，所述孔内壁开设有与所述螺纹柱适配的螺纹槽，用于将所述匀速旋转平台与所述高精度可调节基座螺纹连接。

进一步的，所述高精度可调节基座底部的沿外缘周向均匀设置有四个通孔，用于将所述高精度可调节基座通过螺钉固定在所述精密二轴转台上。

本发明的另一个技术方案是一种利用上述线结构激光面的非参数模型标定装置的线结构激光面标定方法，包括如下步骤：

步骤1：将1个或多个线结构激光器固定在匀速旋转平台上，在所述精密二轴转台上由下至上依次固装高精度可调节基座和匀速旋转平台，调整高精度可调节基座的高度，使所述匀速旋转平台的旋转轴与待标定的激光器发射轴线垂直相交形成的激光发射装置原点与所述精密二轴转台的原点基本重合；

步骤2：将一个与所述激光发射装置相对应的光电信号接收装置固定在大理石平台上，并位于所述激光发射装置初始位置的正对方向，所述接收装置与一个信号处理装置相连接；

步骤3：调整精密二轴转台的水平角及俯仰角至一预设初始位置，利用所述信号处理装置测得此时所述线结构激光器的激光面由所述旋转平台起点至扫描过所述光电信号接收装置的时间间隔；

步骤4：以一定角度间隔在一定范围内调整所述精密二轴转台的水平角，随后调整所述精密二轴转台的俯仰角以保证激光面的旋转时间间隔t不变；

步骤5：以一定角度间隔调整步骤3中所述的初始位置，并重复步骤3和步骤4，记录一系列空间角度与旋转时间间隔的映射关系，建立一个所述线结构光激光器的激光面标定映射表，称为非参数模型；

步骤6：如存在多于1个所述线结构激光器，重复步骤3至步骤5，建立同一激光发射装置的其余所述线结构光激光器的激光面标定映射表，完成对所述激光发射装置的线结构激光面的非参数模型标定。

本发明的标定方法利用所述信号处理装置测得所述线结构激光器的激光面旋转的时间间隔t，再以时间间隔t为依据，先调整水平角，再调整俯仰角以保护时间间隔t值不变，从而将离散的水平角和俯仰角数值建立激光面标定映射表。

与现有技术相比，本发明有益效果及显著进步在于：

本发明所述的线结构激光面标定方法及标定装置避免了线结构激光器激光面实际面型与理想平面模型存在偏差所带来的系统误差，克服了激光面面型难以采用准确参数模型进行拟合的困难。通过建立激光面旋转时间与空间标准角度的直接映射，得到待标定激光面的标准数据映射表，突破了参数模型对于光面标定精度的限制；对于空间任意被测点所对应的空间角度，可以通过对标准数据映射表插值解算实现。

本发明摆脱了建立复杂参数模型对线结构激光面面型进行拟合的限制，建立了一个由激光面旋转时间-空间标准角度组成的非参数模型，具有原理直观、成本低、构建灵活、可行性好等优势，能够提高旋转激光测量定位系统的测量定位精度，对多基站空间测量定位系统的发展具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所述的线结构激光面的非参数模型标定装置的结构示意图；

图2是预先加工的高精度可调节基座俯视图；

图3示出图1所示的标定装置中的2个线结构激光器的激光面拟合。

图中：

1：精密二轴转台； 2：高精度可调节基座； 3：线结构激光器；

4：匀速旋转平台； 5：光电信号接收装置； 6：信号处理装置；

7：通孔； 8：螺纹柱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，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。

如图1所示，本实例所述的线结构激光面非参数模型标定装置适用于旋转激光测量定位系统中，所述标定装置由精密二轴转台1、高精度可调节基座2、线结构激光器3、匀速旋转平台4、光电信号接收装置5和信号处理装置6组成。所述线结构激光器3和所述匀速旋转平台4形成激光发射装置，在所述匀速旋转平台4的侧壁上周向的安装有2个线结构激光器3，两个线结构激光器3的夹角接近90°。所述光电信号接收装置5通过配套靶座固定在大理石平台上，位于所述激光发射装置正对方向。所述信号处理装置6与所述接收装置5连接，用于处理接收到的激光信息获取所述线结构激光器的角度定位信息。

所述高精度可调节基座2是精密加工的基座，中心具有一体成型的竖直向上的螺纹柱；所述高精度可调节基座2通过底部的四个通孔7经螺钉固定在所述精密二轴转台1上，所述匀速旋转平台4的底部沿其中心轴线开设有孔，所述孔内壁开设有与所述高精度可调节基座2的螺纹柱适配的螺纹槽，与所述螺纹槽适配的螺纹柱8将所述匀速旋转平台4与所述高精度可调节基座2螺纹连接。所述高精度可调节基座2需要进行预先调节以保证所述激光发射装置的原点与所述精密二轴转台1原点基本重合。图1中，定义旋转平台4的旋转轴为Z轴，垂直于Z轴且处于激光面1内的有向直线定义为X轴，根据右手定则确定Y轴。其中，所述激光发射装置的原点是指所述匀速旋转平台4的旋转轴(Z轴)与所述线结构激光器3发射轴线(x轴)垂直相交产生的交点o。其第二个线结构激光器3的位置接近Y轴。

本实施例中适用于旋转激光测量定位系统的线结构激光面标定方法包括如下步骤：

步骤1：将2个线结构激光器3固定在所述匀速旋转平台4上，在所述精密二轴转台1上由下至上依次固装高精度可调节基座2和匀速旋转平台4，调整所述高精度可调节基座2的高度，使所述匀速旋转平台4的旋转轴与待标定的激光器发射轴线垂直相交形成的激光发射装置原点与所述精密二轴转台的原点基本重合；

步骤2：将一个光电信号接收装置5固定在大理石平台上，并位于所述激光发射装置初始位置的正对方向，所述光电信号接收装置5与一个信号处理装置6相连接；

步骤3：调整所述精密二轴转台1的水平角及俯仰角，使其初始值均为0°，记录线结构激光发射器3中激光面由旋转起点至扫过所述光电信号接收装置5的时间间隔t；

步骤4：将所述精密二轴转台1的水平角以1°为角度间隔由-45°开始调整至45°，每调整一次水平角后，手动精密调整所述精密二轴转台1的俯仰角，所述俯仰角的角度调整范围在-20°至20°之间，其调整的角度是使激光面的旋转时间间隔t值不变，从而保证激光面扫过所述光电信号接收装置5的时间不变；记录对应于此时间间隔的水平角及俯仰角的映射关系；其中，角度调整间隔和范围根据系统测量精度和测量范围确定；

步骤5：多次重复步骤4即可建立一个所述线结构光激光器3中激光面的旋转时间间隔-空间标准角度标定映射表；

步骤6：针对激光发射装置其余线结构激光器3，根据测量范围及测量精度重复步骤4和5中对所述精密二轴转台1的操作，即可完成其余所述线结构光激光器3的激光面标定映射表的建立；

步骤7：将上述步骤5至步骤6得到的标定映射表结合即得到旋转激光测量定位系统中所有线结构激光器3的标定映射表。

在后续测量定位中对于标定范围内任意位置的被测点，只需对其测得的激光面旋转时间进行插值解算，即可得到被测点相对于激光发射装置的角度定位信息。

图3示出图1所示的标定装置中的2个线结构激光器3的激光面在水平角由-15°至15°、俯仰角由-12°至12°范围内的拟合。其中，两方向标定线分别表示两激光面的标定结果，X轴代表水平角的调整范围，Y轴代表俯仰角的调整范围；任意一条标定线对应某一激光面固定的旋转时间间隔，且标定线由多组离散水平角及俯仰角组合拟合连线而成。

以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，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，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种线结构激光面的非参数模型标定装置，包括精密二轴转台(1)和大理石平台；其特征在于，在所述精密二轴转台(1)上由下至上依次固装有高精度可调节基座(2)和激光发射装置；

所述高精度可调节基座(2)的中心具有一竖直向上的螺纹柱(8)用于与所述激光发射装置配合连接，且具有若干通孔(7)用于与所述精密二轴转台(1)配合连接；

所述激光发射装置包括匀速旋转平台(4)，所述匀速旋转平台(4)的侧壁上周向的安装有至少一个线结构激光器(3)，所述线结构激光器(3)能够随所述匀速旋转平台(4)一同旋转；

所述大理石平台上固定有光电信号接收装置(5)和信号处理装置(6)，所述光电信号接收装置(5)位于所述激光发射装置的正对位置；所述信号处理装置(6)与所述光电信号接收装置(5)连接，用于处理接收到的激光信息获取所述线结构激光器(3)的角度定位信息；

通过调整所述高精度可调节基座(2)的高度，使所述激光发射装置的原点与所述精密二轴转台(1)的原点基本重合；其中，所述激光发射装置的原点是指所述匀速旋转平台(4)的旋转轴与所述线结构激光器(3)发射轴线垂直相交产生的交点。

2.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述匀速旋转平台(4)的底部沿其中心轴线开设有孔，所述孔内壁开设有与所述螺纹柱适配的螺纹槽，用于将所述匀速旋转平台与所述高精度可调节基座螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述高精度可调节基座(2)底部的沿外缘周向均匀设置有四个通孔，用于将所述高精度可调节基座(2)通过螺钉固定在所述精密二轴转台(1)上。

4.一种利用如权利要求1所述的标定装置的线结构激光面标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将1个或多个线结构激光器(3)固定在匀速旋转平台(4)上，在所述精密二轴转台(1)上由下至上依次固装高精度可调节基座(2)和所述匀速旋转平台(4)，调整高精度可调节基座(2)的高度，使所述匀速旋转平台(4)的旋转轴与待标定的所述线结构激光器(3)发射轴线垂直相交形成的激光发射装置原点与所述精密二轴转台(1)的原点基本重合；

步骤2：将一个与所述激光发射装置相对应的光电信号接收装置(5)固定在大理石平台上，并位于所述激光发射装置初始位置的正对方向，所述光电信号接收装置(5)与一个信号处理装置(6)相连接；

步骤3：调整精密二轴转台(1)的水平角及俯仰角至一预设初始位置，利用所述光电信号处理装置(5)测得此时所述线结构激光器(3)的激光面由所述旋转平台起点至扫描过所述光电信号接收装置(5)的时间间隔；

步骤4：以一定角度间隔在一定角度范围内调整所述精密二轴转台的水平角，随后调整所述精密二轴转台的俯仰角以保证激光面的旋转时间间隔t不变；

步骤5：以一定角度间隔调整步骤3中所述的初始位置，并重复步骤3和步骤4，记录一系列空间角度与旋转时间间隔的映射关系，建立一个所述线结构光激光器的激光面标定映射表，称为非参数模型；

步骤6：如存在多于1个所述线结构激光器，重复步骤3至步骤5，建立同一激光发射装置的其余所述线结构光激光器的激光面标定映射表，完成对所述激光发射装置的线结构激光面的非参数模型标定。

5.根据权利要求4所述的标定方法，其特征在于，所述步骤4中水平角调整的角度范围为-45°至45°。

6.根据权利要求4所述的标定方法，其特征在于，所述步骤4中俯仰角调整的角度范围为-20°至20°。

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